论文总字数：12313字

目 录

摘要 III

Abstract: IV

1.引言 1

1.1 研究现状 1

1.1.1 雾霾的国内外研究 1

1.1.2秸秆焚烧的研究 2

1.2 研究目的与意义 3

2. 研究区与数据源 3

2.1 研究区概况 3

2.2 数据源 3

3. 火点探测原理及数据处理 4

3.1 火点探测原理 4

3.2 数据处理 5

3.2.1处理流程介绍 5

3.2.2火点提取 6

4. 农用地提取 9

4.1 MCD12Q1数据介绍 9

4.2 数据地理定位 11

4.3 投影变换及镶嵌 11

5. 结论与讨论 14

5.1 空气质量与秸秆焚烧相互关系分析 14

5.2讨论 16

参考文献 16

致谢 18

基于MODIS数据的江苏省南京市秸秆焚烧监测及雾霾研究

李东霖

, P.R. China

Abstract:

Straw burning is often associated with large-scale haze weather.Based on MODIS14 data, fire point extraction, combined with MCDQ1 data for agricultural land extraction, IGBP classification scheme was adopted to realize the extraction and monitoring of suspected burning point of straw burning in Nanjing crop harvest period in June 2016.Combined with the monitoring period’sNanjing haze weather comparison,The result shows:The Nanjing’s straw burning point is low with no burning policy in June 2016 .Straw burning phenomenon is less.The burning point occurred mainly in the middle of June.In the late rainy days of June, there was no straw burning phenomenon.The entire straw burning period is accompanied by two fog and haze weather.Straw burning in these two haze weather for some sources of pollutants, of which second fog and haze occurred with the previous six consecutive days of straw burning are closely related.

Key words: MODIS, Straw burning,, Haze

1.引言

雾霾的主要成分是SO₂、NO_X以及可吸入颗粒物，是在特定的气候条件下和人类活动相互作用下发生的危害人体及环境的天气现象。人口聚集的社会活动会产生大量可吸入颗粒物（PM 2.5），PM 2.5为当量直径小于2.5微米颗粒物，当其排放量超过大气循环能力和承载度，浓度持续积聚，受静稳天气等影响，易出现大范围的雾霾。2003年数据统计得知中国的500个大城市中，超过 99%的城市未能达到世界卫生组织的空气质量标准^[1]，2016年入冬持久雾霾天气来临，多个城市甚至达到严重污染。

我国是一个作物秸秆产出大国，但我国现有的秸秆利用率普遍较低，大多秸秆农民就地焚烧。农业秸秆露天焚烧在不同省份视情况有一定差异，在经济发达地区的农村和大城市郊区, 燃料结构改变和化肥的大范围使用使得秸秆被大规模焚烧，如江苏、浙江等经济发达地区由于秸秆利用率低，焚烧比例约为30%~40%^[2]。秸秆焚烧会带来诸多危害，其释放出大量的颗粒物、CO、VOC、SO₂、NO₂以及多环芳烃(PAHs) 等有毒有害物质，对空气极易造成严重污染，而空气污染又影响着人们生活质量和交通安全，且由于秋收季节有风天气，秸秆焚烧也易引发火灾，长期的秸秆焚烧也会使土壤有机质含量下降，影响土壤肥力^[3]。有关遥感检测统计分析表明，华北，华中，华东因为农业大省的存在而成为秸秆焚烧的集中区域，近些年我国北方出现的大规模雾霾天气与秸秆焚烧有着密切关联，江苏地区地处长江下游，虽然不是农业大省，雾霾天气却时有发生，2008年10月28日南京受秸秆焚烧排放物污染，空气污染指数高达126.29^[4]。此后几年内也出现过不同程度的雾霾天气。随着全国范围内雾霾发生次数逐渐增多，频率增高，国家及社会对雾霾愈发重视，由于秸秆焚烧排放物中的大量微颗粒物是造成雾霾的污染源之一，秸秆焚烧也渐渐受到更多关注。

1.1 研究现状

1.1.1 雾霾的国内外研究

自在亚洲南部上空发现棕色云后，霾受到各方关注，INDOEX(The Indian Ocean Experiment)和ABC（The Asian Brown Cloud）计划都是针对大气棕色云成立的研究组织。Schichtel等利用地面综合气象站数据研究发现1980-1995年间美国霾的减少趋势与硫排放减少趋势一致^[5]。地基观测虽较准确，但无法获得大区域或全球信息，随着遥感技术发展，利用遥感技术对雾霾进行监测成为可能。Husar利用NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration)AVHRR(Advanced Very High Resolution Radionmeter)的AOT产品对海洋上空霾粒子的输送进行了研究^[6]。国内霾研究从地面观测发展，童尧青等（2008）通过南京地区六个气象观测站1961-2005年的地面气象资料统计分析得出南京地区霾日数呈逐年增长趋势^[7]。上述研究中大多使用传统地面观测数据，自遥感发展成熟以来，利用遥感数据对雾霾进行监测愈显重要。张倩倩建立基于MODIS气溶胶产品和大气廓线产品分别建立能见度和相对湿度模型，实现对研究区域雾霾检测和等级划分^[8]。目前雾霾作为全球热门话题，已有大量学者对其进行各式各样的研究。本文暂不涉及利用MODIS数据对雾霾进行检测，而直接使用AQI指数判定雾霾发生条件。

1.1.2秸秆焚烧的研究

我国年产各类作物秸秆约6亿吨，其中80%约5亿吨秸秆都被焚烧^[9]。大规模的秸秆焚烧势必产生大量空气污染物，资料表明，2013 年1月27日至29日，全国受雾霾天气影响超过130万平方公里^[10]。从2011 年起我国开始运用两颗环境卫星对秸秆焚烧的情况进行监测，监测显示在一些极端污染事件中，秸秆焚烧对PM2.5 的影响有可能超过45%^[11]。

雾霾“背景对比火点探测算法”(The Contextual Fire Detection Algorithm)是目前精度较高的自动探测算法，但固定的阈值参数不适用于所有地区和监测对象，因此王子峰（2008）等认为根据实际观测情况对其中关键参数及阈值进行适当调整以更精准的观测研究地区能有效提高背景比对火算法的准确度^[12]。张彦等在利用 MODIS 热异常产品数据提取河南省秋季作物收获期的秸秆焚烧火点信息时利用筛选和地面验证，直接在处理MODIS数据时去除非焚烧秸秆火点，通过GPS野外定位人工排除非秸秆焚烧火点，这样能增强秸秆焚烧火点的精准度，但需要大量的人工野外操作^[13]。齐少群等应用 HJ － 1B 的 IRS传感器数据，采用修改阈值后的 MODIS 火点监测 V4 算法，对秸秆焚烧区域进行火点像元提取，利用 ETM 影像提取农田数据，通过叠加分析，确定了农田秸秆焚烧区域^[14]，此数据是我国卫星传感器数据，为利用国内卫星遥感数据进行秸秆火点监控提供了方法。周利霞等利用火点辐射与背景辐射的差异及MODIS数据火灾监测理，使用NVDI修正火点精度，去除非植被区域火点，减少误判^[15]。在使用MODIS数据提取秸秆焚烧火点时，判定火点发生区域是否为农用地至为关键，以上各种方法主要也是在判定火点区域上做优化和改进。

1.2 研究目的与意义

2013年起江苏省发布有关促进农作物秸秆综合利用政策，南京市颁布了作物秸秆禁烧及综合利用实施方案，南京地区秸秆焚烧现象明显得到遏制，空气质量得到提升。本文通过MODIS热异常产品数据（MDOIS14）提取火点数目，叠加农用地后达到实现对2016年6月江苏省南京市作物收获期秸秆焚烧疑似火点监测，结合空气质量数据分析当月出现的空气污染与秸秆焚烧相互关系，与政府秸秆焚烧相关政策实施后秸秆焚烧的实际情况相比较，为秸秆焚烧治理提供信息。

2. 研究区与数据源

2.1 研究区概况

南京市，简称“宁”，江苏省省会。南京市位于我国华东地区长江下游位置，整个市划分成11个行政区，占地面积6千多平方公里，是长江三角洲以及我国的华东地区的一个特大型城市，另外，南京也是我国四大古都之一，具有悠久的历史文化内涵。南京的地形特点是南北方向相对较长，东西方向相对较短的特点，其中整个市的丘陵地貌占了整个南京市的一半以上。其中，六合区、江宁区、溧水等地区是属于平原地区，在该区域主要发展农业产业，在去年南京的南京市小麦种植面积达一万八千六百公顷，油菜种植面积达八万七千两百五十公顷。水稻秸秆按0.6吨/亩，麦秆按0.4吨/亩，油菜秸秆按0.2吨/亩计算，仅这三种主要农作物秸秆产量年总量超过150万吨^[16]。5月底至6月为南京大部分农业产区冬小麦及油菜收获期，此时产生大量作物秸秆。

2.2 数据源

MODIS是美国EOS/ Terra/Aqua 卫星搭载的传感器。本文从NASA网站上下载的所需数据分别为Terra星的热异常产品MOD14系列，MOD03是地理经纬度数据，用于地理定位校正，MCD12Q1是全球土地覆盖数据，用于提取农用土地。（具体见表1）。

表1 所需MODIS数据及用途

3. 火点探测原理及数据处理

3.1 火点探测原理

通过普朗克定律我们了解到辐射能量会根据温度的变化而产生一定的变化。当植被还没有进行点燃的时候，植被所发出来的辐射我们将其称之为背景辐射，当植被被点燃的时候，其主要的辐射来源是火以及保持温度比较高的已经被碳化的物体。我们可以根据这两个辐射的特点进行比较，进一步利用卫星遥感技术可以很快的查到火情的具体位置以及其当前的状态和趋势。

在遥感技术里面，主要是采用可见光的近红外波段来对地球上的各种事物进行探究，根据地球上的物体会对太阳具有反射的特点，然而对于热红外通道的特点主要是采用的是物体本身所具有的辐射性能。由于黑体的半球辐射和温度存在一定的规律，W是T的4次幂的倍数关系，根据这样的特点，我们可以求出最后的温度值的大小，即：。同时按照维恩规律，就是表示的是温度值的大小和辐射能最大值的波长之间存在一个定值作为，该公式可以表示成，随着温度的逐渐变高，最大的辐射值会开始慢慢向波长较短的方向上转移。另外，生物开始进行燃烧的过程当中，火的温度一般会保持在^[17]，可以根据维恩规律，我们能够将在这个温度下面的辐射能限定在一个范围当中，可以确定的是其在，但是在现实情况中我们可以测到火焰的辐射值在这个范围里面^[18]。然而在防火的时期，地表物体的温度我们可以将其确定在零下十摄氏度到五十摄氏度之间，同时地表的辐射波长大小可以确定在这个范围里面。正式良好的利用了火焰温度和地表温度的辐射波长的大小存在着很明显的不同，这样的条件下可以通过卫星的遥感技术来对其进行准确的辨别。虽然火情在处于刚刚开始的阶段的时候，其面积还只是仅仅局限在一个小的单元里面，但是从辐射的能量上我们可以很清楚的发现将会比其周围的单元所产生的能量值超出很大的范围。这样的差异主要是取决于背景温度和实际目标的温度之间还是很明显的不同所以会造成这样的后果，同时也有利于着火地点的进一步的确定。

3.2 数据处理

由于MODIS所提供的信息是非常精准的，所以在进行影像的时候可以不要选择几个控制点就能够顺利的进行操作。对于MODIS来说，其主要的预处理工作就睡对其进行投影之间的转变的工作。对于数据的处理环境是ENVI5.1环境下进行的，第一步是利用该软件对数据进一步提取工作，紧接着进行地理定位的工作，主要涉及到的软件是采用地理定位文件来进行的，接着就是需要进行异常点的搜寻工作，同时还要求其以shape file的状态对火点的最后的结果进行进一步的转述出来，最终是对秸秆的燃烧点进行选取。本文所研究的内容中所提到的火点其实是指的是MODIS异常单元内的中点的区域，其实际的面积大小和卫星进行扫描的时候存在的角度有一定的关系，但是其个数和面积大小并没有存在很明确的规律。所以说，在对火点的个数进行进一步的计量的过程当中，里面没有对面积进行进一步的统计，其火点的密度分布情况只是对该地区的焚烧的情况是否严重进行一个比较充分的反馈。

3.2.1处理流程介绍

本文以2016年6月全月为研究期，以南京市全市为研究点，利用MODIS数据陆地产品获取南京秸秆焚烧火点处理流程如图 1

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