胡慶華，李 兵

(1.合肥師范學(xué)院實驗實訓(xùn)中心,安徽 合肥 230601; 2.中華人民共和國自然資源部,北京 100000)

生物質(zhì)燃燒是重要的氣候強迫因子，也是影響空氣質(zhì)量的重要污染因子之一[1-2]。通常關(guān)注的生物質(zhì)燃燒包括秸稈焚燒、森林火災(zāi)、草原野火等。大范圍生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙霧會影響當(dāng)?shù)厣踔料嘛L(fēng)向的空氣質(zhì)量，危害人體健康，也可能引發(fā)交通事故、重大火災(zāi)事故等，同時會造成土地貧瘠化板結(jié)化[3-6]。秸稈焚燒等造成的社會環(huán)境問題是公眾密切關(guān)注的。通過傳統(tǒng)人工手段監(jiān)測秸稈焚燒、森林火災(zāi)等，可以較為精確地統(tǒng)計火點個數(shù)及面積，但對于大范圍內(nèi)的生物質(zhì)燃燒分布情況不能實時監(jiān)測，且監(jiān)測頻率速率均偏低。與傳統(tǒng)方法相比較，遙感監(jiān)測火點方法具有范圍廣、時效性強且人物力成本低等優(yōu)勢，可以大范圍地快速監(jiān)測火點，彌補傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法的不足。

火點的遙感監(jiān)測始于20世紀(jì)70年代末80年代初，國內(nèi)始于90年代，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，火點監(jiān)測研究可采用的數(shù)據(jù)源和判識模型方法越來越豐富。用于地面火點監(jiān)測的國內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括AVHRR[7]、Landsat[8]、MODIS[9]、HJ[10]、FY[11]、VIIRS[12]、Himawarri[13]等。其中，中分辨率成像光譜儀(MODIS，Modderate-resolution Imaging Spectroradiometer)衛(wèi)星數(shù)據(jù)從2000年開始獲取并使用至今，有利于展開長時間序列的變化研究。同時MODIS搭載在Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星，一天過境4次，火點分辨率達到1 km,具備較高的火情實時監(jiān)測能力?；贛ODIS數(shù)據(jù)的生物質(zhì)燃燒監(jiān)測方面，很多學(xué)者進行了相關(guān)研究。Kaufman等最早提出了基于 MODIS的火點監(jiān)測模型并用于森林火災(zāi)監(jiān)測[14-15]。在此基礎(chǔ)上Giglio等[16]對上下文算法進行了優(yōu)化，此算法為目前火點監(jiān)測研究中最常用的算法。與此同時，火點的遙感監(jiān)測精度問題也引起專家學(xué)者的重視，楊光等[17]用2005-2015年大興安嶺的林區(qū)衛(wèi)星熱點數(shù)據(jù)和同時期森林火災(zāi)歷史資料分析MODIS傳感器初判林火發(fā)生次數(shù)的準(zhǔn)確率超過80%，主要存在多報現(xiàn)象。盡管衛(wèi)星遙感監(jiān)測存在缺點，但其優(yōu)勢顯著。近年來，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合MODIS火點監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及地表類型、地面實測點位資料等，對森林火災(zāi)、秸稈焚燒、草原野火等展開大量的探索和應(yīng)用[18-21]。

黑龍江省是我國農(nóng)業(yè)林業(yè)大省，每年秸稈焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重，且森林、草原廣袤，防火工作尤為重要?；诖?本研究采用MODIS數(shù)據(jù)，獲取2010-2017年火點長時間序列信息，以期更為客觀全面反映黑龍江秸稈焚燒、林火、草地野火等生物質(zhì)燃燒分布情況及變化趨勢，為當(dāng)?shù)亟斩捹Y源綜合利用、環(huán)境質(zhì)量改善以及森林草地防火等提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江位于我國東北部邊疆，地理位置在123°-135° E、43°-54° N，地勢大致為北部和東南部高，東部和西南部低。西北部為大興安嶺山地，北部為小興安嶺山地，東南部為長白山山脈的一部分，東部為三江平原，西南部是松嫩平原。黑龍江省為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，省內(nèi)水系發(fā)達，種植區(qū)域廣闊，森林覆蓋率高。省內(nèi)的土地覆蓋類型包括森林、草地、農(nóng)田等多種類型，其中森林覆蓋率在40%以上。

1.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)與方法

本研究進行火點監(jiān)測的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來自MODIS傳感器。目前國內(nèi)外研究中，主要發(fā)展了以下幾種模型來判斷火點：Dozier模型、閾值模型、上下文模型、可燃物模型。本研究應(yīng)用的模型為上下文模型法。秸稈熱異?；瘘c提取的基本原理基于維恩位移定律。維恩位移定律是描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度之間反比關(guān)系的定律[22]。根據(jù)維恩位移定律，物體輻射峰值波長隨溫度升高向短波方向移動。常溫地物(約26.85 ℃)熱輻射能量的峰值位于熱紅外波段，隨著溫度的升高，熱輻射的峰值逐漸向波長較短的方向移動，秸稈焚燒、森林火災(zāi) (226.85～726.85 ℃) 等火點熱輻射的波長峰值位于中紅外波段[23],且4 μm通道的亮溫明顯高于11 μm通道的亮溫。根據(jù)該原理與方法，熱異?；瘘c的顯著特征是中紅外波段的輻射能量高于背景像元，同時波段之間的亮溫差也發(fā)生變化，因此可以將目標(biāo)像元的溫度特性與周圍背景像元的平均溫度特性統(tǒng)計出來，進行閾值判別。根據(jù)判別結(jié)果提取熱異常點，同時計算目標(biāo)點受周邊像元的干擾程度，即信度，干擾越多信度就越低，篩選高信度結(jié)果。

通過以上方法得到的熱異常點的提取結(jié)果需要進一步疊加土地利用數(shù)據(jù)。本研究使用的土地利用類型數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息中心GlobeLand30-2010(http://www.globallandcover.com/)，分辨率高達30 m。通過圖層疊加，可以獲取農(nóng)田、林地、草地等對應(yīng)的火點。最后結(jié)合行政邊界等基礎(chǔ)地理信息，將秸稈焚燒、林火、草原野火的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析以及產(chǎn)品的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 火點時空分布總體概況

2.1.1空間變化 2010-2017年黑龍江火點空間分布格局總體表現(xiàn)為西部東部多，中部、南部、西北地區(qū)少(圖1左)?；瘘c主要分布在3個區(qū)域：小興安嶺中段北段、松嫩平原和三江平原。小興安嶺中段北段林木覆蓋度高，主要來源于森林火災(zāi)；松嫩平原、三江平原，分布著大面積農(nóng)耕區(qū)以及一部分草原植被，主要來源于秸稈焚燒，以及一部分草原野火。為了進一步分析火點的分布態(tài)勢，以20 km×20 km作為網(wǎng)格單元，對黑龍江區(qū)域進行火點密度統(tǒng)計(圖1右)，結(jié)果顯示高密度火點區(qū)主要分布在松嫩平原的納謨爾河流域、北部引嫩江總干渠沿岸以及三江平原的雙鴨山市。大興安嶺以及中部、東南海拔較高的山地幾乎沒有火點。

同時，本研究依據(jù)海拔高程數(shù)據(jù)(DEM)對火點的垂直分布進行統(tǒng)計(圖2)，密集火點主要出現(xiàn)在兩個海拔高度范圍，分別為60～90 m以及120～200 m。

圖1 2010-2017年黑龍江省火點分布圖(左)、火點分布密度圖(右)Fig. 1 Fire spot distribution map (left Figure), fire spot distribution density map (right Figure) of Heilongjiang Province from 2010 to 2017

圖2 火點數(shù)量與高程分布關(guān)系Fig. 2 The relationship between fire spot number and DEM

海拔240～340 m也存在一個小峰值。海拔280 m以上，火點數(shù)量隨著海拔的升高而減少，500 m以上火點十分稀疏。

進一步依據(jù)地級市對火點數(shù)量進行統(tǒng)計(圖3)，結(jié)果顯示，火點數(shù)量最多的是黑河市，占黑龍江全省火點數(shù)量的30%；齊齊哈爾次之，占火點總量的16%；接下來依次為綏化市11%，雙鴨山市10%，哈爾濱市、佳木斯市各占7%；伊春市和牡丹江市火點數(shù)量最少。

圖3 2010-2017黑龍江省地級市火點數(shù)Fig. 3 Fire spot number in prefecture city of Heilongjiang Province

2.1.2年際變化 2010-2013年黑龍江全省火點整體保持相對較低的水平，期間2011年有小幅度上升，火點分布重心主要在黑河市、雙鴨市，其他地區(qū)相對稀疏；自2014年以來火點數(shù)量開始顯著增加，尤其是松嫩平原中部南部地區(qū)、三江平原南部火點分布由稀疏到密集，明顯增多，對應(yīng)到地級市，如齊齊哈爾市、綏化市、哈爾濱市、七臺河市等；2015年全省火點數(shù)量達到最大值；在禁燒工作大力推行下，2016年火點數(shù)量開始下降，但2017年有所反彈(圖4)。

根據(jù)各地級市火點數(shù)量的年際變化發(fā)現(xiàn)(圖5)：黑河市、雙鴨山市、佳木斯市與全省的火點數(shù)量年際變化較為一致，有所不同的是黑河市的火點自2016年得到較好的控制，2017年火點數(shù)幾乎沒有增加；齊齊哈爾市2010-2013年火點數(shù)量保持在相對低水平，變化波動較小，2014年起有較大幅度升高，2015-2017年居高不下，成為省內(nèi)火點數(shù)量居第二的地級市；綏化市與哈爾濱市變化較為一致，2016年及之前與全省變化趨勢保持一致，但2017年火點數(shù)量上升幅度十分明顯，上升率分別達到110%和255%；黑龍江省其他地級市年際波動變化較小。

2.2 不同類型火點時空分布特征分析

2.2.1空間變化特征 基于農(nóng)業(yè)用地、林地、草地等不同的土地利用數(shù)據(jù)將2010-2017年黑龍江省的火點分為3種，分別為秸稈焚燒火點、林火、草地野火(圖6)。并且本研究按照地級市，對不同火點類型的數(shù)量進行統(tǒng)計(圖7)，地級市從左到右按照火點數(shù)量排名進行排序。林火主要分布在大興安嶺市、黑河市，草地野火主要分布在大慶市，秸稈焚燒火點在平原區(qū)均有分布，較為廣泛。黑河市作為火點貢獻量第一的地級市，林火與秸稈焚燒火點分別占40%、45%，大興安嶺主要為林火和草地野火，分別占74%、23%，大慶市秸稈焚燒火點與草地野火分別占59%、39%，伊春市秸稈焚燒與林火分別占26%、58%，其他地級市均以秸稈焚燒為主，火點數(shù)量排名2-7的地級市秸稈焚燒火點均在80%及以上。

2.2.2年際變化特征 2010-2017年間，草地火點數(shù)量占火點總量最小，且波動較小，變化趨于平穩(wěn)；林地火點在2010年、2015年稍高，其他年份變化較小；秸稈焚燒火點變化趨勢與省火點年際變化趨勢一致，2014年數(shù)量突增(圖8)。近些年，黑龍江省農(nóng)作物的產(chǎn)量持續(xù)提升，必然導(dǎo)致秸稈產(chǎn)量隨之增加，秸稈焚燒作為一種主要處理方式，是秸稈焚燒火點增加的原因。定量分析不同火點所占比例(表1)，8年間，秸稈焚燒火點占火點總量百分比年際上升明顯，從34%到維持在70%以上，與此同時，林地火點數(shù)量從51%下降至16%。對8年數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，秸稈焚燒火點占據(jù)總火點的68%，其次為林地21%、草地11%。

圖4 2010-2017年黑龍江省火點年際變化分布圖Fig. 4 Distribution map of interannual variations of fire spots in Heilongjiang Province from 2010 to 2017

圖5 2010-2017黑龍江省及地級市火點統(tǒng)計Fig. 5 Statistics of fire spots in Heilongjiang Province and prefecture-level cities from 2010 to 2017

圖6 2010-2017年不同類型火點分布圖Fig. 6 Distribution of different types of fires

2.2.3年內(nèi)變化特征 統(tǒng)計2010-2017年黑龍江省秸稈焚燒、林地、草地火點總數(shù)年內(nèi)變化情況可以看出(圖9)，黑龍江省秸稈焚燒、林火、草地野火高峰期大多集中在3月中旬-5月上旬，10月中旬-11月中旬，呈現(xiàn)雙峰分布，此外6月底7月初存在一個小高峰。春季生物質(zhì)燃燒時間段長于秋季；春季火點在全年中占比為51%，秋季火點在全年中占比為45%。出現(xiàn)這樣的季節(jié)分布特征有以下原因：1)春秋兩季為秸稈焚燒時期，農(nóng)民通過焚燒的方式將秸稈還田，構(gòu)成黑龍江省生物質(zhì)燃燒的最主要部分；2)春秋兩季天氣干燥，容易引發(fā)草地、林地出現(xiàn)火災(zāi)，同時受到人為焚燒秸稈的牽連等影響，草地、林地火點也有所增多；3)夏季雨水較多，可燃物含水量大，冬季天氣寒冷，地表留存冰雪層，草地、林地不容易引發(fā)火災(zāi)，所以夏季和冬季火點較少；4)與草地野火和秸稈焚燒不同，林火在6-9月也有出現(xiàn)，甚至在6月底7月初存在一個小高峰，這主要是由于雷擊引發(fā)的林火，雷擊火的分布有一定的區(qū)域性，一般發(fā)生在偏遠(yuǎn)、海拔較高的原始林區(qū)[24]。

圖7 地級市不同火點百分比圖Fig. 7 Percentage map of different fire spots in prefecture-level cities

圖8 不同類型火點年際變化曲線Fig. 8 Interannual variation curves of different types of fires

火點類型Type of fire 年份Year20102011201220132014201520162017總計Tatol秸稈焚燒Straw burning34 50 61 57 78 73 77 74 68 林地火點Forest fires51 31 22 29 14 18 14 16 21 草地野火Grass fires15 19 17 14 8 9 9 10 11

圖9 2010-2017年不同類型火點年變化Fig. 9 The annual change of different types of fires from 2010 to 2017

分析2010-2017年黑龍江省春秋兩季秸稈焚燒火點在全年中的比例(圖10)，可以看出，春季火點在全年中火點占比逐漸上升，秋季波動較大但自2016年起顯著下降。由于每年10月中旬開始燃煤供暖，加上秸稈焚燒污染物排放，黑龍江地區(qū)經(jīng)常形成較為嚴(yán)重的污染，因此東北地區(qū)近幾年開展秸稈禁燒工作，尤其是秋季的禁燒力度有所增大，可能導(dǎo)致秸稈焚燒高峰期轉(zhuǎn)向春季。

3 結(jié)論

生物質(zhì)燃燒是影響生態(tài)系統(tǒng)的一個重要因素，對局地、區(qū)域乃至全球的空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響。基于MODIS數(shù)據(jù)利用遙感技術(shù)監(jiān)測生物質(zhì)燃燒具有監(jiān)測范圍廣、客觀性強的優(yōu)勢，為秸稈焚燒、林火、草地野火等監(jiān)測提供另一視角。本研究基于2010-2017年的MODIS火點數(shù)據(jù)，提取黑龍江不同土地利用類型的火點分布，分析時空分布格局，得出以下結(jié)論：

圖10 2010-2017年春秋季火點變化Fig. 10 The change curve of fire point in spring and autumn from 2010 to 2017

1)黑龍江火點分布范圍較廣，包括松嫩平原、三江平原、小興安嶺中段北段區(qū)域；高密度火點區(qū)主要分布在納謨爾河流域、北部引嫩江總干渠沿岸以及雙鴨山市平原區(qū)。按地級市排序，火點總數(shù)量最多的是黑河市占30%，其中秸稈焚燒貢獻為45%；齊齊哈爾次之占16%，其中秸稈焚燒貢獻為86%；伊春市、牡丹江市火點數(shù)量最少。

2)2010-2013年火點數(shù)量保持在較低水平，自2014年以來火點數(shù)量顯著增加，尤其是松嫩平原中南部地區(qū)增加明顯，2015年火點總量達到最大值，2016年有所下降，2017年出現(xiàn)反彈。火點數(shù)量的季節(jié)變化表現(xiàn)為春秋多，冬夏少，尤其是3月、4月、10月、11月火點較多，一方面由于這段時間為秸稈焚燒段，另一方面春秋季較為干燥，容易引發(fā)草原和森林火災(zāi)，此外林火在6月也出現(xiàn)極大值，與夏季雷電擊火有關(guān)[24]。

3)農(nóng)業(yè)用地是2010-2017年黑龍江火點分布最多的土地利用類型，即秸稈焚燒火點占總火點的68%，其次為林地(32%)、草地(10%)。2010-2017年，秸稈焚燒火點比例由34%上升為74%，基本呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢，與此同時林地火點數(shù)量呈逐年下降的趨勢。此外， 2016年以來受到秋季禁燒工作的影響，秋季的秸稈焚燒火點顯著下降，秸稈焚燒高峰向春季轉(zhuǎn)移。