張麗娟 厲 青 陳 輝 毛慧琴 周春艷 王中挺 張玉環(huán) 馬鵬飛 陳翠紅
(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094)
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2014-2015年夏秋收期間全國(guó)秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析
張麗娟 厲 青 陳 輝 毛慧琴 周春艷 王中挺 張玉環(huán) 馬鵬飛 陳翠紅
(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100094)
本文基于EOS的Terra/Aqua衛(wèi)星MODIS傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的2014-2015年夏秋收季秸稈焚燒結(jié)果,對(duì)比分析了我國(guó)近兩年夏秋收季節(jié)的秸稈焚燒分布情況以及發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)果表明:①2015年夏秋收季全國(guó)監(jiān)測(cè)到秸稈焚燒火點(diǎn)共計(jì)4454個(gè),主要分布在黑龍江、河南、吉林、遼寧、山東、河北、內(nèi)蒙古、湖北、山西9省,且每個(gè)省份火點(diǎn)數(shù)均超過100個(gè),共計(jì)4174個(gè),占火點(diǎn)總數(shù)的94%;其中,黑龍江省火點(diǎn)數(shù)最多,達(dá)到1824個(gè),遠(yuǎn)高于其它省份,占火點(diǎn)總數(shù)的41%。②與2014年同期(4197個(gè))相比,2015年夏秋收季秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)增加了257個(gè),同比增加6%。秸稈焚燒主要省份(火點(diǎn)數(shù)大于100個(gè))中,黑龍江增加最多,同比增加132%,火點(diǎn)數(shù)增加1037個(gè);河北增幅次之,同比增加91%;山東、湖北、山西等省也略有增加;安徽、河南、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古等省火點(diǎn)數(shù)有明顯減少。③2015年夏秋季秸稈焚燒高峰期主要集中在6月中旬、10月下旬及11月上旬,呈現(xiàn)雙峰分布,高值出現(xiàn)在6月11日、10月23日以及11月1日、4日、6日,火點(diǎn)數(shù)均超過200個(gè),其中最高值出現(xiàn)在11月1日,火點(diǎn)數(shù)高達(dá)473個(gè)。④與2014年同期相比,2015年夏季高峰期出現(xiàn)時(shí)間段保持不變,仍集中在6月中旬,但火點(diǎn)總數(shù)有所減少;與2014年同期相比,2015年秋季高峰期出現(xiàn)時(shí)間段相對(duì)較晚,10月中旬火點(diǎn)略有減少,11月上旬火點(diǎn)有明顯增加。
秸稈焚燒;MODIS;夏秋收季
由于觀念、技術(shù)和體制等方面的綜合原因,我國(guó)每年有大量秸稈被當(dāng)作廢棄物焚燒。秸稈燃燒時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的CO2、CO、氮氧化合物、苯以及環(huán)芳烴等有害氣體[1],不僅危害人體健康,而且給大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、交通安全和火災(zāi)防護(hù)造成了極大的影響[2]。早在1999年原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局就發(fā)布了《秸稈焚燒和綜合利用管理辦法》,一些省市的環(huán)保局也出臺(tái)了相應(yīng)的焚燒管理辦法。但由于秸稈焚燒火點(diǎn)分布在縣、鄉(xiāng),不易查證,難以統(tǒng)計(jì),再加上人力、物力的限制,禁燒的管理、監(jiān)測(cè)難度增大,因此對(duì)秸稈焚燒的治理往往無(wú)的放失,難以奏效。
《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》明確要求創(chuàng)新環(huán)境治理理念和方式,實(shí)行最嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)制度,強(qiáng)化排污者主體責(zé)任,形成政府、企業(yè)、公眾共治的環(huán)境治理體系,實(shí)現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量總體改善。要繼續(xù)深入實(shí)施污染防治行動(dòng)計(jì)劃,計(jì)劃強(qiáng)調(diào):要強(qiáng)化污染物減排治理,提高環(huán)境監(jiān)管能力;加大環(huán)境監(jiān)測(cè)、信息、應(yīng)急、監(jiān)察等能力建設(shè)力度,其中還明確提到要推進(jìn)衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)管中的應(yīng)用。新的環(huán)境形勢(shì)要求環(huán)境監(jiān)管要更加科學(xué)化、高效化。當(dāng)前,開展秸稈禁燒工作已經(jīng)成為環(huán)境監(jiān)管的重要內(nèi)容之一,它要求秸稈焚燒監(jiān)管要利用新的技術(shù)手段,增加執(zhí)法的準(zhǔn)確性和效率。衛(wèi)星遙感技術(shù)恰恰能很好的解決這一問題。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有時(shí)效性強(qiáng)、分辨率高、資料獲取快捷的特點(diǎn),利用衛(wèi)星遙感技術(shù)一方面可以動(dòng)態(tài)、大范圍地監(jiān)測(cè)秸稈焚燒狀況,獲取秸稈焚燒火點(diǎn)位置、數(shù)目等信息,大大提高秸稈焚燒監(jiān)管的工作效率并確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性,另一方面還可為國(guó)家掌握秸稈焚燒信息,制定大氣污染防控措施提供有力的技術(shù)支持。本文采用基于EOS的Terra/Aqua衛(wèi)星MODIS傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的2014-2015年夏秋季秸稈焚燒結(jié)果,對(duì)比分析了我國(guó)近兩年夏秋收季節(jié)的秸稈焚燒分布情況以及發(fā)展趨勢(shì)。
2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)
本文進(jìn)行秸稈焚燒監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地球觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃(EOS) Terra和Aqua攜帶的中分辨率成像光譜儀(MODIS)。MODIS探測(cè)器掃描寬度2330km,儀器視場(chǎng)±55,具有36個(gè)光譜通道,分布在0.4~14μm 的電磁波譜范圍內(nèi),覆蓋了紫外、可見、近紅外、紅外等通道,為反演氣溶膠和地表特征提供了豐富的信息??梢姽馔ǖ?(660nm)和通道2 (860nm)具有250m星下點(diǎn)的分辨率,可見和近紅外的通道3~7具有500m的分辨率,另外8~36通道分辨率為1000m。作為“圖譜合一”的中分辨率成像光譜儀,MODIS設(shè)置專門用于火點(diǎn)探測(cè)和描述火點(diǎn)熱輻射特征的兩個(gè)中紅外通道(波段范圍相同,飽和亮度溫度分別為331K和近500K),不僅保證了觀測(cè)數(shù)據(jù)的輻射精度,也避免了高溫火點(diǎn)導(dǎo)致通道飽和的問題。同時(shí),MODIS還使用一個(gè)2.1μm的短波紅外通道加強(qiáng)對(duì)太陽(yáng)耀斑和水體邊緣虛假火點(diǎn)的去除。目前,用于MODIS的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)算法主要是背景對(duì)比算法[3],所需通道數(shù)據(jù)及主要用途如表1所示。
2.2 監(jiān)測(cè)原理與方法
秸稈熱異?;瘘c(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)的基本原理源于維恩位移定律[4]。維恩位移定律是描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長(zhǎng)與自身溫度之間反比關(guān)系的定律,其可以表示為:
式中:λmax為輻射的峰值波長(zhǎng),m;T為黑體的絕對(duì)溫度,K;b=2.8977685×10-3m·K,稱為維恩位移常數(shù)。維恩位移定律說明了一個(gè)物體溫度越高,其輻射譜的波長(zhǎng)越短。根據(jù)維恩位移定律,物體輻射峰值波長(zhǎng)隨溫度升高向短波方向移動(dòng)。
常溫地物熱輻射能量的峰值位于長(zhǎng)波紅外波段,隨著溫度升高,熱輻射的峰值向波長(zhǎng)較短的波段移動(dòng)。因此,熱異?;瘘c(diǎn)的一個(gè)顯著特征就是中紅外波段的輻射能量高于常溫地物。通過遙感觀測(cè)的輻射能量可以計(jì)算物體的亮度溫度,基于上述特征可設(shè)置適當(dāng)?shù)牧炼葴囟乳撝祵?shí)現(xiàn)火點(diǎn)判別。一般秸稈燃燒溫度為500~1000K,按照維恩位移定律,其輻射能量應(yīng)主要集中在2.8~5.7μm,實(shí)際觀測(cè)的燃燒火焰輻射峰值約分布在4μm附近的中紅外區(qū)域,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常溫物體(300K)在這一光譜區(qū)域的輻射,但二者在11~12μm的熱紅外區(qū)域相差不大[5]。秸稈火點(diǎn)遙感探測(cè)正是利用內(nèi)部含有火焰的高溫像元與背景常溫像元在中紅外和熱紅外波段輻射能量的差異來(lái)識(shí)別地面火點(diǎn)。算法的核心內(nèi)容是將目標(biāo)像元的溫度特性與周圍背景像元的平均溫度特性準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出來(lái),并進(jìn)行多閾值判別,根據(jù)判別結(jié)果提取火點(diǎn)像元。
秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)處理的流程:①根據(jù)上述原理獲取熱異?;瘘c(diǎn)像元;②獲取秸稈焚燒火點(diǎn):結(jié)合土地分類數(shù)據(jù),利用GIS技術(shù),將農(nóng)田范圍內(nèi)的火點(diǎn)提取出來(lái)作為秸稈焚燒火點(diǎn);③監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證:利用野外實(shí)地調(diào)查及其他衛(wèi)星監(jiān)測(cè)比較的方式進(jìn)行驗(yàn)證分析;④專題圖制作及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì):加入行政邊界,利用ARCGIS等軟件制作專題圖;以行政區(qū)為單位進(jìn)行秸稈焚燒火點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析。
3.1 全國(guó)秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)火點(diǎn)分布情況
監(jiān)測(cè)顯示,2015年5月20日-11月20日,我國(guó)夏秋季秸稈焚燒火點(diǎn)主要分布在華北及東北地區(qū),在華中、西北及西南地區(qū)也有局部分布(見圖1),其中夏季秸稈焚燒火點(diǎn)主要集中在華北的河南、山東等地區(qū),而秋季秸稈焚燒火點(diǎn)主要集中在東北地區(qū)。從整個(gè)夏秋季來(lái)看,全國(guó)共計(jì)監(jiān)測(cè)到秸稈焚燒火點(diǎn)4454個(gè),主要分布在黑龍江、河南、吉林、遼寧、山東、河北、內(nèi)蒙古、湖北、山西等9個(gè)省份,火點(diǎn)個(gè)數(shù)均超過100,共計(jì)4174個(gè),占火點(diǎn)總個(gè)數(shù)點(diǎn)94%,其中,黑龍江火點(diǎn)個(gè)數(shù)最多,達(dá)到1824個(gè),遠(yuǎn)高于其它省,占總火點(diǎn)個(gè)數(shù)的41%;河南次之,達(dá)到570個(gè);吉林較前兩省火點(diǎn)個(gè)數(shù)稍少,為472個(gè);其它火點(diǎn)個(gè)數(shù)超過100的省份依次為:遼寧378個(gè)、山東321個(gè)、河北208個(gè)、內(nèi)蒙古165個(gè)、湖北116個(gè)、山西111個(gè)。其余省份火點(diǎn)個(gè)數(shù)均少于100個(gè),其中海南、重慶、廣東云南、湖南、江蘇、北京、青海、上海等12省均不足10個(gè)。天津、福建、西藏三省未出現(xiàn)火點(diǎn)。
與2014年(見圖2)同期(4197個(gè))相比,2015年夏秋收季秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)增加了257個(gè),同比增加6%。秸稈焚燒主要省份(火點(diǎn)數(shù)大于100個(gè))中,黑龍江增加最多,同比增加132%,火點(diǎn)數(shù)增加1037個(gè);河北增幅次之,同比增加91%;山東、湖北、山西等省也略有增加;安徽、河南、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古等省火點(diǎn)數(shù)有明顯減少。
圖1 2015年5月20日-11月20日全國(guó)秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)分布圖
圖2 2014年5月20日-11月20日全國(guó)秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)分布
3.2 全國(guó)秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
3.2.1 2015年5月20日-11月20日全國(guó)各省火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果
表2給出了2015、2014年5月20日-11月20日的火點(diǎn)個(gè)數(shù)、火點(diǎn)數(shù)差異及增減比率,從表2中可以看出:2015年5月20日-11月20日,全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)個(gè)數(shù)共計(jì)4454個(gè),較2014年同期增加了257個(gè),同比增加了6%;黑龍江、河北、山東、山西、甘肅火點(diǎn)個(gè)數(shù)增加明顯(超過30個(gè)),其中黑龍江增加最多,由2014年的787個(gè),增加到1824個(gè),增加了1037個(gè);河北由2014年同期的109個(gè),增加到208個(gè),增加了99個(gè);山東由2014年同期的268個(gè),增加到321個(gè),增加了53個(gè),另外山西增加了33個(gè),甘肅增加了30個(gè)。與2014年同期相比,安徽省由2014年的428個(gè),減少到25個(gè),減幅明顯。另外減少明顯的省份還有:河南減少了251個(gè),遼寧減少了91個(gè),內(nèi)蒙古也減少了91個(gè),吉林減少了75個(gè)。
3.2.2 2015年5月20日-11月20日全國(guó)火點(diǎn)日統(tǒng)計(jì)結(jié)果
圖3、圖4分別給出了2015、2014年5月20日-11月20日全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)每日的統(tǒng)計(jì)情況。從圖中可以看出,2015年夏秋季秸稈焚燒高峰期主要集中在6月中旬、10月下旬及11月上旬,呈現(xiàn)雙峰分布,高值出現(xiàn)在6月11日、10月23日以及11月1日、4日、6日,火點(diǎn)數(shù)均超過200個(gè),其中最高值出現(xiàn)在11月1日,火點(diǎn)數(shù)高達(dá)473個(gè)。
表2 2015、2014年夏秋季全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)個(gè)數(shù)、火點(diǎn)數(shù)差異及增減比率統(tǒng)計(jì)
圖3 2015年5月20日-11月20日全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)個(gè)數(shù)日統(tǒng)計(jì)圖
圖4 2014年5月20日-11月20日全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)個(gè)數(shù)日統(tǒng)計(jì)圖
與2014年同期相比,2015年夏季高峰期出現(xiàn)時(shí)間段保持不變,仍集中在6月中旬,但火點(diǎn)總數(shù)有所減少;與2014年同期相比,2015年秋季高峰期出現(xiàn)時(shí)間段相對(duì)較晚,10月中旬火點(diǎn)略有減少,11月上旬火點(diǎn)有明顯增加。
3.2.3 2015年5月20日-11月20日全國(guó)火點(diǎn)涉及市個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表3給出了2015、2014年5月20日-11月20日全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)分布監(jiān)測(cè)涉及地區(qū)的詳細(xì)統(tǒng)計(jì),可以看出:與2014年同期相比,秸稈焚燒火點(diǎn)分布涉及城市個(gè)數(shù)增加較多的有廣東、四川、重慶,均新增3個(gè)城市;減少相對(duì)明顯的有安徽、廣西、江蘇、新疆、江西、天津、福建、北京、內(nèi)蒙古、云南,減少數(shù)量超過2個(gè),其中,安徽、廣西均減少8個(gè),江蘇減少6個(gè),新疆、江西均減少4個(gè);其余各省份衛(wèi)星遙感秸稈焚燒火點(diǎn)分布涉及城市數(shù)量變化不大。
表3 2015、2014年5月20日-11月20日全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)涉及地區(qū)情況統(tǒng)計(jì)(單位:個(gè))
續(xù)表3
省份2014年涉及城市2015年涉及城市2015年與2014年同期相比地區(qū)個(gè)數(shù)變化內(nèi)蒙古129-3甘肅781吉林880安徽157-8陜西87-1重慶473廣東363寧夏550浙江550江西84-4新疆84-4湖南43-1江蘇93-6廣西102-8貴州32-1北京41-3上海011云南31-2青海110福建30-3海南10-1天津30-3
(1)2015年夏秋收季全國(guó)監(jiān)測(cè)到秸稈焚燒火點(diǎn)共計(jì)4454個(gè),主要分布在黑龍江、河南、吉林、遼寧、山東、河北、內(nèi)蒙古、湖北、山西9省,且每個(gè)省份火點(diǎn)數(shù)均超過100個(gè),共計(jì)4174個(gè),占火點(diǎn)總數(shù)的94%;其中,黑龍江省火點(diǎn)數(shù)最多,達(dá)到1824個(gè),遠(yuǎn)高于其它省份,占火點(diǎn)總數(shù)的41%。
(2)與2014年同期(4197個(gè))相比,2015年夏秋收季秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)增加了257個(gè),同比增加6%。秸稈焚燒主要省份(火點(diǎn)數(shù)大于100個(gè))中,黑龍江增加最多,同比增加132%,火點(diǎn)數(shù)增加1037個(gè);河北增幅次之,同比增加91%;山東、湖北、山西等省也略有增加;安徽、河南、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古等省火點(diǎn)數(shù)有明顯減少,其中安徽省減少最為明顯,減少個(gè)數(shù)為403個(gè)。
(3)2015年夏秋季秸稈焚燒高峰期主要集中在6月中旬、10月下旬及11月上旬,呈現(xiàn)雙峰分布,高值出現(xiàn)在6月11日、10月23日以及11月1日、4日、6日,火點(diǎn)數(shù)均超過200個(gè),其中最高值出現(xiàn)在11月1日,火點(diǎn)數(shù)高達(dá)473個(gè)。
(4)與2014年同期相比,2015年夏季高峰期出現(xiàn)時(shí)間段保持不變,仍集中在6月中旬,但火點(diǎn)總數(shù)有所減少;與2014年同期相比,2015年秋季高峰期出現(xiàn)時(shí)間段相對(duì)較晚,10月中旬火點(diǎn)略有減少,11月上旬火點(diǎn)有明顯增加。
(5)與2014年同期相比,秸稈焚燒火點(diǎn)分布涉及城市個(gè)數(shù)增加較多的有廣東、四川、重慶,均新增3個(gè)城市;減少相對(duì)明顯的有安徽、廣西、江蘇、新疆、江西、天津、福建、北京、內(nèi)蒙古、云南,減少數(shù)量超過2個(gè),其中,安徽、廣西均減少8個(gè),江蘇減少6個(gè),新疆、江西均減少4個(gè);其余各省份衛(wèi)星遙感秸稈焚燒火點(diǎn)分布涉及城市數(shù)量變化不大。
[1]段鳳魁等.秸稈焚燒對(duì)北京市空氣質(zhì)量的影響[J].中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè).2001,17(3):8-11.
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Analysis and Comparison of Straw Burning Based on Remote Sensing Monitoring Data during Summer and Autumn Harvest Season from 2014 to 2015 in China
ZHANG Lijuan LI Qing CHEN Hui MAO Huiqin ZHOU Chunyan WANG Zhongting ZHANG Yuhuan MA Pengfei CHEN Chuihong
(Satellite Environmental Center,Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China,Beijing 100094)
The paper analyzed the distribution and the trend of straw burning in summer and autumn harvest season from 2014 and 2015 in China based on the inversion information from Terra/Aqua MODIS.The following conclusions can be drawn from the study.(1) There were 4,454 fire points of straw burning in summer and autumn harvest season in 2015 in China.They mainly distributed in Heilongjiang,Henan,Jilin,Liaoning,Shandong,Hebei,Neimenggu,Hubei,Shanxi provinces.Each of these provinces had more than 100 fire points,and the nine provinces totally had 4,174 fire points which accounted for 94% of all fire points in China.Heilongjiang,with the 1842 fire points,had the most fire points which accounted for 41% of all fire points in China.(2) Compared with the same period in 2014,the number of fire points of straw burning added 257 and had a increments of 6% in summer and autumn harvest season in 2015.Among the main provinces of straw burning ( fire points more than 100 ),Heilongjiang had the largest increments of 132%,while the Hebei had an smaller increments of 91% which taken the second place,and then were the Shandong,Hubei,Shanxi.The number of fire points in Anhui,Henan,Jilin,Liaoning,and Neimenggu had reduced significantly.(3) The peak time of straw burning in summer and autumn harvest season in 2015,was mainly in Mid-June,Late-October,and Early-November.There were more than 200 fire points at June 11,Oct 23,Nov 1,Nov 4,Nov 6 and 473 fire points,the highest,at Nov 1.(4) Compared with the same period in 2014,the peak time in summer kept the same in Mid-June in 2015,but the fire points decreased.Compared with the same period in 2014,the peak time in autumn came a little late in 2015,and the fire points slightly reduced in Mid-Oct,increased in Early-Nov significantly.
straw burning;MODIS;summer and autumn harvest season
項(xiàng)目資助:國(guó)家自然科學(xué)基金(41501407)
張麗娟,碩士,工程師,主要從事大氣環(huán)境遙感研究
周春艷,博士,高級(jí)工程師,主要從事大氣環(huán)境遙感研究
X87
A
1673-288X(2016)06-0061-05
引用文獻(xiàn)格式:張麗娟 等.2014-2015年夏秋收期間全國(guó)秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展,2016,41(6):61-65.