石家莊市秸稈焚燒遙感監(jiān)測及其對空氣質(zhì)量的影響分析

文|李婧 石家莊市環(huán)境綜合執(zhí)法支隊

一、引言

秸稈焚燒是大氣中細(xì)顆粒物的一個主要來源，不僅能夠惡化區(qū)域空氣質(zhì)量，降低大氣的能見度，而且改變生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)，產(chǎn)生不利的健康效應(yīng)。及時準(zhǔn)確地監(jiān)測秸稈焚燒的時間和地點，掌握農(nóng)民進行秸稈焚燒的地域分布和動態(tài)變化，對秸稈焚燒的管控工作和空氣質(zhì)量的保障起到至關(guān)重要的作用。華北平原作為我國重要的糧食生產(chǎn)基地，在每年秋收時節(jié)都會出現(xiàn)焚燒秸稈現(xiàn)象，對秸稈焚燒的監(jiān)測一直是環(huán)保部門的重要任務(wù)之一。而傳統(tǒng)的火點監(jiān)測需要花費大量的人力、財力和物力，通過人工定點監(jiān)測的方式解決。近些來，隨著衛(wèi)星技術(shù)的普及和遙感監(jiān)控的發(fā)展，通過遙感衛(wèi)星來研究秸稈焚燒火點監(jiān)測的研究越來越多[1]。高玉宏[2]等以風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，對黑龍江省進行火點判識處理。馮登超[3]等人結(jié)合資源三號衛(wèi)星影像對秸稈焚燒點進行監(jiān)測。武喜紅[4]等以河南省太康縣為區(qū)域，基于多源遙感數(shù)據(jù)對秸稈焚燒過火面積進行估算。本文選擇以石家莊市為研究區(qū)，分析2018年10月1日至10日秋收集中期秸稈焚燒情況，及其對空氣質(zhì)量的影響分析，以期找出規(guī)律，為環(huán)境保護提出合理化建議。

二、研究區(qū)域

河北省是全國糧油集中產(chǎn)區(qū)之一，可耕地面積達(dá)600多萬公頃，居全國第四位。高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)集中產(chǎn)區(qū)在太行山東麓平原。每年農(nóng)作物夏收、秋收季節(jié)，農(nóng)村和大中城市郊區(qū)等地秸稈集中焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重，大面積秸稈焚燒帶來的煙霧彌漫，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。

本文以石家莊作為研究區(qū)域，進行秸稈焚燒的監(jiān)測與分析。石家莊主要農(nóng)作物有優(yōu)質(zhì)玉米、小麥、棉花、梨、棗、核桃等，品種多、種植面積大，是河北省糧、棉主產(chǎn)區(qū)，現(xiàn)已發(fā)展成為中國北方綠色農(nóng)業(yè)基地之一，是中國糧、菜、肉、蛋、果主產(chǎn)區(qū)之一，農(nóng)業(yè)集約化和產(chǎn)業(yè)化水平較高，生產(chǎn)規(guī)模位居中國36個重點城市第一位，被國家確定為優(yōu)質(zhì)小麥生產(chǎn)基地，素有中國“北方糧倉”之稱。秋冬季節(jié)是秸稈焚燒污染的嚴(yán)重區(qū)域，本文選取2018年10月1-10日為重點研究時段，通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)信息處理結(jié)合環(huán)保部門提供的省級地面監(jiān)測站每小時城市空氣質(zhì)量指數(shù)、氣象網(wǎng)站發(fā)布的每天主要風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)，分析秸稈焚燒對該市環(huán)境空氣質(zhì)量的影響[5]。

三、數(shù)據(jù)與火點監(jiān)測方法

1.數(shù)據(jù)

可見光紅外成像輻射儀（Visible Infrared Imaging Radiometer VIIRS），是搭載在美國國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)計劃衛(wèi)星（Suomi NPP）上搭載的傳感器，高分辨率輻射儀AVHRR和地球觀測系列中分辨率成像光譜儀MODIS系列的拓展和改進。NPP 是在2011年由美國國家航空航天局（NASA）、美國國家海洋大氣管理局（NOAA）和美國空軍共同研發(fā)發(fā)射的衛(wèi)星系統(tǒng)，可用于探測地球環(huán)境和大氣。掃描式成像輻射儀，可收集陸地、大氣、冰層和海洋在可見光和紅外波段的輻射圖像[6-8]。VIIRS數(shù)據(jù)可用來測量云量和氣溶膠特性、海洋水色、海洋和陸地表面溫度、海冰運動和溫度、火災(zāi)和地球反照率[9]。具體參數(shù)見表1。

表1 NPP-VIIRS基本參數(shù)

2.監(jiān)測方法

（1）秸稈焚燒火點監(jiān)測原理

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的像元過火前后地表輻射特征的變化，以及過火后地表與其他地物輻射特征差異，可以識別過火像元，其主要特征差異為像元的熱異常[10-12]。熱異常火點的一個顯著特征為中紅外波段的輻射能量高于常溫地物，通過遙感觀測的輻射能量可以計算物體的亮度溫度，基于上述特征可設(shè)置適當(dāng)?shù)牧炼葴囟乳撝导纯蓪崿F(xiàn)熱異常火點判別。識別出火點后疊加土地利用數(shù)據(jù)，便可獲得秸稈焚燒火點的分布[13]。

（2）火點監(jiān)測

可見光紅外成像輻射儀（VIIRS）數(shù)據(jù)的火點檢測算法是在中分辨率成像光譜儀（MODIS）火點算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用多光譜結(jié)合的上下文分析方法[14]，識別亞像元動態(tài)火點和其他熱力異常。本文算法利用VIIRS 375m數(shù)據(jù)的0.65μm 附近的可見光紅波段，0.8μm 附近的近紅外波段，4μm 附近的中紅外波段，11μm、12μm 附近的熱紅外波段通道，探測火點的同時區(qū)分圖像中的陸地、水體和云，排除其他可能存在的干擾[15]。監(jiān)測方法如下：

第一步，提取火點識別所需的可見光、近紅外波段的表觀反射率及中紅外、熱紅外波段的表觀輻射亮度；將中紅外、熱紅外波段的表觀輻射亮度轉(zhuǎn)換為表觀亮度溫度。

圖1 石家莊市遙感監(jiān)測火點分布情況

第二步，云檢測及水體像元識別及剔除?；瘘c識別針對的是無云的陸地像元，因此需要嚴(yán)格準(zhǔn)確的云檢測剔除有云像元和水體像元。當(dāng)遙感數(shù)據(jù)具有紅、近紅外波段及熱紅外波段時，如果像元滿足下述條件則被標(biāo)識為“云”。

第三步，熱異?；瘘c提取。判別潛在火點，去除虛假火點。

第四步，秸稈焚燒火點提取。結(jié)合土地分類數(shù)據(jù)，通過地理信息系統(tǒng)軟件的疊加分析功能，把位于農(nóng)田范圍內(nèi)的火點提取出來作為秸稈焚燒火點。

第五步，秸稈焚燒火點信度估算。對最終確定為秸稈焚燒火點的像元可以通過對其溫度特性的統(tǒng)計分析，估算其火點信度[16]。

四、監(jiān)測結(jié)果與分析

1.監(jiān)測結(jié)果

2018年10月1日至10日，基于NPP-VIIRS遙感數(shù)據(jù)，在石家莊市林地、耕地、草地等非城鎮(zhèn)用地范圍內(nèi)共監(jiān)測到157個火點（不包括云覆蓋下的火點信息）。全市遙感監(jiān)測火點分布情況詳情如下（如圖1、圖2），石家莊市火點數(shù)量西多東少，其中平山縣、井陘礦區(qū)、鹿泉區(qū)最多，分別發(fā)現(xiàn)火點36個、31個、22個。

圖2 石家莊市各縣區(qū)遙感監(jiān)測火點分布情況

詳細(xì)分析10月1日至10日每天秸稈焚燒狀況（如圖2、圖3），火點分布主要集中在西北部地區(qū)。其中，10月1日火點數(shù)量最多，從10月4日起，秸稈焚燒火點逐漸減少。由此可以鎖定秋收秸稈焚燒集中期主要在10月1日至4日期間。

圖3 10月1-10日遙感監(jiān)測火點統(tǒng)計

由于Suomi NPP衛(wèi)星是午后（12:00-15：00左右）和半夜（1:00-3：00左右）過境，利用VIIRS數(shù)據(jù)可以對比白天與夜間秸稈焚燒情況。從單日時段來看（如圖4、圖5），火點主要集中在夜間，尤其是凌晨1點與2點秸稈焚燒最為集中，焚燒范圍分布廣，而白天則相對較少。這主要由于白天監(jiān)察人員巡查頻繁，有效抑制了秸稈焚燒情況，秸稈焚燒發(fā)生于夜間人工執(zhí)法的間歇期。這充分說明了利用衛(wèi)星遙感手段進行全天時焚燒火點監(jiān)測，從而代替人工巡查的迫切性。

圖4 10月1-10日遙感監(jiān)測火點白天與夜間分布情況

圖5 10月1-10日遙感監(jiān)測火點時段分布統(tǒng)計

2.對空氣質(zhì)量影響

結(jié)合每天地面監(jiān)測站點空氣質(zhì)量指數(shù)均值數(shù)據(jù)，分析10月1日至10日每天的秸稈焚燒對空氣質(zhì)量影響（如圖6），10月1日至10月5日AQI逐漸升高，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)差，到10月5日AQI達(dá)到峰值，10月5日開始AQI數(shù)值降低趨勢明顯，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。AQI的峰值及變化與秸稈焚燒火點情況不一致，結(jié)合氣象網(wǎng)站發(fā)布的歷史風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，10月1日至4日風(fēng)速為1級，空氣質(zhì)量主要考慮本地焚燒煙塵影響，且秸稈焚燒火點較多，大氣污染逐漸累計，空氣質(zhì)量呈轉(zhuǎn)差趨勢，10月5日降為微風(fēng)，導(dǎo)致煙塵更加不宜擴散，AQI達(dá)到峰值。其后，火點數(shù)量減少，AQI值呈降低趨勢，但10月8日AQI出現(xiàn)凸高值，考慮為外來污染傳輸。

結(jié)合10月1日至10日各時段地面監(jiān)測站點空氣質(zhì)量指數(shù)均值，分析不同時段的秸稈焚燒對空氣質(zhì)量影響（如圖7），夜間AQI明顯高于白天，且在凌晨2點出現(xiàn)峰值，這一結(jié)果與秸稈焚燒火點分布情況一致。

綜上分析，說明秸稈火點數(shù)量對于空氣質(zhì)量AQI有直接的影響：在風(fēng)速較小不利于擴散的情況下，每天的大氣污染呈累計態(tài)勢，從時段變化來看，秸稈焚燒強度和AQI峰值產(chǎn)生的時段基本一致。

圖6 10月1-10日AQI統(tǒng)計

圖7 10月1-10日AQI時段統(tǒng)計

為進一步確定秸稈焚燒火點對空氣質(zhì)量的影響（如圖8），將西部區(qū)縣（井陘礦區(qū)、井陘縣、靈壽縣、鹿泉區(qū)、平山縣、贊皇縣、橋西區(qū)、新華區(qū)、行唐縣）的火點數(shù)量與10月1日至4日的AQI均值做相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)二者具有正相關(guān)關(guān)系，即火點數(shù)量越多，空氣AQI值越高，說明了秸稈焚燒現(xiàn)象確實存在影響空氣質(zhì)量。但由于NPP-VIIRS每天只過境兩次，數(shù)據(jù)有限，覆蓋時間范圍較短，故而相關(guān)系數(shù)不明顯。

圖8 西部區(qū)縣火點數(shù)量與AQI相關(guān)系分析

五、結(jié)論

綜合以上分析結(jié)果，說明衛(wèi)星遙感針對秸稈焚燒的環(huán)境事件具有較強的應(yīng)用潛力，可以協(xié)助環(huán)保人員掌握秸稈焚燒火點的時空分布。結(jié)合氣象要素及空氣質(zhì)量指數(shù)等相關(guān)環(huán)保參數(shù)，可精細(xì)化地分析秸稈焚燒污染物對城市空氣質(zhì)量的影響的時間和空間范圍，對此，本文也在一定程度上證明了秸稈焚燒現(xiàn)象與城市空氣質(zhì)量指數(shù)存在正相關(guān)性。由此可見，基于遙感秸稈的焚燒火點監(jiān)測在生態(tài)環(huán)境保護中具有重要的現(xiàn)實意義，將為相關(guān)部門提供科學(xué)技術(shù)支撐。