利用MODIS數據進行秸稈焚燒遙感監測

朱杰+胡德茂+胡藝洲+孫鴻儒+陳世宏

摘要：指出了我國是農業大國，隨著農作物種植面積的增加，農業秸稈總量也迅速增加。在很多地方，由于秸稈焚燒時間短、范圍廣等局限因素，利用傳統的監測手段相關部門不能及時監測和掌控秸稈焚燒信息，從而無法進行有效的執法治理。而衛星遙感手段以其時效性、覆蓋面廣等優勢使得快速大面積監測秸稈焚燒情況成為可能。提出了利用MODIS提供的熱異常數據，通過ENVI遙感圖像處理軟件提取火點和農用地，并將火點顯示在GoogleEarth上，從而給有關部門提供快速準確的秸稈焚燒地點信息，便于進行執法治理。

關鍵詞：ENVI軟件；谷歌地圖；MODIS數據；秸稈焚燒；遙感；火點；農用地

中圖分類號：X712

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0081-03

1 引言

秸稈焚燒過程中產生的大量煙霧、煙塵、一氧化碳、二氧化碳等污染物質，不僅會導致空氣質量的惡化，還會影響交通安全，迫使高速公路關閉，民航停飛等；其次，野外焚燒秸稈增加了火災發生的風險。同時焚燒秸稈也嚴重浪費了寶貴的生物資源（6億t秸稈相當于300多萬t氮肥、700多萬t鉀肥、70多萬t磷肥，它相當于全國每年化肥施用量的1/4）。在如今倡導綠色發展理念，建設和諧社會、生態文明社會的大環境下，秸稈焚燒的治理不容忽視。筆者采用基于美國地球觀測系統計劃（EOS）的Terra/Aqua衛星MODIS光譜儀數據，通過ENVI遙感圖像處理軟件對2017年4月15日的秸稈焚燒情況進行火點提取，并通過GoogleEarth軟件進行火點定位，從而為監管部門執法治理提供快捷有效的信息。

2 監測原理

MODIS是美國地球觀測系統中Terra和Aqua衛星攜帶的中分辨率成像光譜儀，Terra和Aqua都是太陽同步極軌衛星，Terra在地方時間上午過境，Aqua在地方時間的下午過境，可在一天內最多獲得4次地球上同一地區的對地觀測數據。MODIS在0.4～14之間有36個觀測通道，靈敏度高，能夠探測到的最小面積為50 m²。又因為，地球上不同的物體具有不同的光譜特性，向外界輻射的電磁破也具有不同的波長。根據普朗克定律可知，植物在沒有燃燒時和燃燒時所發出的輻射也有差異，沒有燃燒時植物發出的輻射是背景輻射，燃燒時則主要是由火焰和高溫碳化物發出的輻射。根據這種差異，利用MODIS成像光譜儀的監測數據進行數據分析即可提取火點信息。

3 數據獲取

由于MODIS數據實行全球免費接收政策，采用直接廣播的形式下行數據，因此可以免費獲取其不同時間的監測數據。從NASA衛星數據中心網站http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html上下載2017年4月15日四川省的MOD14、MOD03數據以及MCD12Q1數據。輸入四川省的經緯度區間東經97°21′～108°31′和北緯26°03′～34°19′，分別獲得4個MOD14和MOD03數據，其中MOD14為熱異常數據，用于提取焚燒點，MOD03為地理較正數據，用于對MOD14數據進行地理定位，MCD12Q1為土地覆蓋數據，用于提取農用地。

4 數據處理

4.1 火點提取

（1）原始的MOD14影像數據存在很大的幾何畸變，如圖1所示，需要通過ENVI數據處理軟件進行校正。首先根據MOD03數據中的經度和緯度信息建立地理查找表GLT文件，再根據建立的GLT文件，對MOD14熱異常數據進行幾何校正和地理定位。

（2）糾正后的影像數據更接近真實的地理形狀和位置，如圖2所示。于是便可以根據糾正后的MOD14數據提取火點。將火點的像素值設置為7、8、9，通過ENVI5.1中的ROL工具即可提取出數據中的火點信息，如圖3所示，共計2786個火點（在圖中以紅點標出）。

4.2 農用地提取

之前提取的火點信息由于受到鋼鐵廠、火力發電廠、村民生火煙沖等等類似秸稈焚燒的情況干擾，使得提取出來的火點不一定都是秸稈焚燒造成的，所以就需要再次提取衛星監測影像數據中的農用地區域信息，將二者疊加，這樣才能從中選出由于秸稈焚燒造成的火點。

農用地提取采用的是MCD12Q1為土地覆蓋數據，根據IGBP全球植被分類方法可知，農用地的像素值為12。依次將數十幅MCD12Q1土地覆蓋數據進行投影裝換和圖像拼接，之后采用與火點提取相同的方法，設置像素值為12，提取農用地信息如圖4所示（圖中綠色標明部分即為農用地區域）。

4.3 求火點信息和農用地信息的交集

利用ENVI中求交集工具，將火點信息與農用地信息疊加，重疊的即為秸稈焚燒疑似火點，經過交集運算后，全國范圍內秸稈焚燒疑似點共有1178個。

5 利用ArcMap進行結果分析

在ENVI中將疑似火點的信息保存為矢量文件，用ArcMap打開該文件，同時疊加中國1∶4000000的省界矢量地圖，如圖5所示?？梢钥闯?，在2017年4月15日這一天，我國的秸稈焚燒疑似點集中在黑龍江、江蘇等地，四川省內的疑似火點較少。

6 秸稈焚燒疑似點的地理點位

雖然將火點輸出在中國的矢量地圖上可以從全局的角度看出該日期全國秸稈燃燒火點的地理位置分布情況，但無法對每一個火點進行精準定位，不能給監管執法部門提供準確可行的有效的執法指引。所以需要再次將火點輸出到GoogleEarth高清地圖中，以便很好的解決這一問題。GoogleEarth的地圖是衛星影像與航拍的數據整合，其全球地貌影像的有效分辨率至少為100 m，在中國大陸的分辨率為30 m。將GoogleEarth與ENVI結合，可對秸稈焚燒點進行快速準確的地理定位，如圖6所示（地圖中黃色圖釘標明的點即為疑似火點），有了該定位數據，監管執法部門可快速準確的進行執法處理，從而為相關部門的執法與治理提供了有效的數據支撐，大大提高了執法精度和效果。

7 結論與討論

本研究利用MODIS熱異常數據對2017年4月15日全國范圍內的秸稈焚燒火點進行提取分析和定位。結果表明，相比于傳統的人工排查等手段，衛星遙感技術監測秸稈焚燒具有范圍廣、速度快、成本低等巨大優勢。另外，結合GoogleEarth高清衛星地圖軟件，對每一個焚燒火點進行精準定位，可為相關監管部門提供及時準確的火點監測數據，便于執法和治理，對建設綠色環保社會、生態文明社會具有顯著的意義。

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