农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究.pdf

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1、 1 摘 要 进入 21 世纪以来人们开始大面积焚烧秸秆，而且愈演愈烈。农作物秸秆焚 烧不仅消耗大量资源，释放大量的烟尘和温室气体对大气环境造成影响，还会 污染周围的水资源和土壤，直接或间接地危害人们的生产和生活。秸秆焚烧日 益成为一个严重的环境和社会问题，相关部门也大力的进行研究、监测及治理。 传统监测手段无法及时地获取整个区域全部焚烧秸秆的火点信息，卫星遥 感技术以其覆盖范围广、反应迅速、信息量大等特点广泛应用于环境监测等领 域，开始被用于秸秆焚烧的监测。秸秆焚烧火点监测的关键技术是地表温度的 反演和热异常点的提取，国内外已经有很多对火点卫星遥感监测的研究，技术 也日趋成熟和完善，特别是对

2、森林火和草原火的遥感监测，但对秸秆焚烧的遥 感监测的研究较少。环境一号卫星，是中国首次专用于环境与灾害监测预报的 卫星，在其 B 星上搭载的红外相机设置了中红外和热红外通道，具备对热源的 探测能力，可用于秸秆焚烧火点监测。 本文在充分研究了 NOAA/AVHRR 和 EOS/MODIS 的火点监测算法的基础 上，根据环境一号卫星红外相机特点，建立环境卫星火点监测固定阈值算法， 并根据多时相卫星数据得出云检测阈值。 根据 MODIS 火点监测结果， 分析对应 的环境卫星的火点像元特性，建立环境卫星火点监测环境对比算法。根据长时 间秸秆焚烧火点监测结果，建立固定火点数据库，提高了秸秆焚烧火点监测准

3、 确度。通过实验验证了环境卫星秸秆焚烧火点监测算法的可行性，发现环境卫 星红外数据对火点的探测灵敏度较高，能够较好地监测到秸秆焚烧火点，将其 监测火点和 MODIS 基于上下文算法的结果的相对比发现，两者空间分布一致， 但火点的具体数量、位置有一定差别，这与两种数据的空间分辨率的差异、空 间几何校正的精度的差异等因素有关，还需做进一步的深入研究。 关键词：关键词：秸秆焚烧;热异常;遥感监测;环境卫星 2 Abstract Since 21. century, more and more straw has been burned in large areas in China. Straw b

4、urning will not only consume a large number of resources, but also affect the atmospheric environment with sending a lot of harmful smoke and greenhouse gases into the air and pollute surrounding water and soil, endanger peoples productive activities and life directly or indirectly. Straw burning is

5、 becoming a serious environmental and social issue. Research, monitoring and treatment are carrying on in relevant departments. Its impossible to acquire information of all straw burning fire spots by traditional monitoring tools. Satellite remote sensing technology which has advantages in such as e

6、xtensive coverage, responsive, informative and widely used in environmental monitoring begins to be used for the monitoring of straw burning. The key technology of straw burning monitoring with satellite remote sensing is land surface temperature retrieval and detecting of the thermal anomaly points

7、. Many studies have been made on fire monitoring with remote sensing and approach is increasingly mature at home and abroad, especially to forest fire and grassland fire. But there is less research on the monitoring of straw burning. HJ-1 Microsatellite Constellation is the first specified satellite

8、 for environment monitoring in China. As an infrared sensor, HJ-1/IRS is carried on one of HJ-1B which has mid-infrared band and thermal infrared band, has the capability of detecting hot abnormal points. In this paper, fixed threshold straw fire detection algorithm using simulated fire spots data f

9、or HJ-1B-IRS is proposed, based on the features of HJ-1B-IRS sensor and monitoring algorithm of NOAA/AVHRR and EOS/MODIS. The threshold for cloud detection was proposed by statistic of the cloud pixels of HJ-1B-IRS. According to the fire products of MODIS, I analyzed the property of the correspondin

10、g fire pixels of HJ-1B-IRS and built a contextual algorithm for HJ-1B-IRS fire detection. Based on the long term straw fire monitoring results, the database of fixed fire spots is 3 established which could improve the results of HJ-based straw fire monitoring. The monitoring algorithm is proved by e

11、xperiment. HJ-1B-infrared data has high detection sensitivity to fire spots and can monitor straw burning fire spots preferably. After comparison and analysis of the result of HJ-1B/IRS and EOS/MODIS, we got the conclusion that they have the same spatial distribution but subtle difference in the con

12、crete location and number of fire spots. That is relevant to the differences existing in spatial resolution and geometric correction of two data which is needed further study. Key Words： Straw burning; thermal anomaly; remote sensing monitoring; HJ-1 4 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 选题依据和意义 1 1.2 红外遥感应用概述 3 1.3

13、国内外热红外遥感研究进展 4 1.3.1 热红外遥感地表温度反演研究进展 4 1.3.2 热异常点及火点遥感监测研究进展 5 1.4 主要研究内容 8 1.4.1 研究内容 8 1.4.2 技术路线 9 第二章 热异常点遥感监测原理 10 2.1 热辐射原理 . 10 2.1.1 热辐射的基本定律 . 10 2.1.2 基尔霍夫（Kirchhoff）定律 11 2.1.3 普朗克（Planck）定律 . 11 2.1.4 斯特藩玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 . 12 2.1.5 维恩位移定律 . 12 2.2 火点遥感监测原理 13 第三章 常用火点监测传感器及搭载卫星 1

14、5 3.1 NOAA/AVHRR . 15 3.2 EOS/MODIS 17 3.2.1 EOS 计划 17 3.2.2 MODIS 17 3.3 HJ-1B/IRS 19 5 第四章 热异常点遥感监测算法研究 22 4.1 NOAA/AVHRR 火点监测算法 22 4.2 EOS/MODIS 火点监测算法 . 25 4.3 环境卫星红外数据秸秆焚烧火点监测算法研究 . 28 4.3.1 云识别算法 . 28 4.3.2 固定阈值算法 . 29 4.3.3 环境对比算法 . 32 4.3.4 亮目标滤除 . 33 4.3.5 火点区域综合 . 34 4.3.6 秸秆焚烧火点判定 . 34 4.

15、3.7 固定火点的统计及滤除 . 35 第五章 实验及分析 36 5.1 研究区秸秆处理调查 . 36 5.2 数据与数据处理 . 37 5.3 分析与比较 . 48 5.3.1 与 MODIS 结果比对 . 48 5.3.2 实地验证 . 50 第六章 结论及展望 59 6.1 结论 . 59 6.2 存在的问题与展望 . 59 参考文献 . 60 致 谢 . 65 6 图表目录 图 1.1 秸秆焚烧遥感监测技术路线 . 9 图 2.1 辐射峰值随温度的变化 13 图 3.1 NOAA-15 16 图 3.2 环境一号卫星示意图 (a) HJ- 1A ; (b) HJ-1B 19 图 4.1

16、 环境卫星红外相机第三四亮温通道模拟图 30 图 5.1 2009 年 6 月 4 日 HJ-1B-IRS 数据假彩色合成图 38 图 5.2 2009 年 6 月 5 日 HJ-1B-IRS 数据假彩色合成图 38 图 5.3 潜在热异常点提取数据流程 40 图 5.4 热异常点阈值自动判别数据流程 42 图 5.5 虚假火点判别与去除功能数据流程 . 43 图 5.6 秸秆焚烧火点提取数据流程 44 图 5.7 剔除固定噪声点数据流程 46 图 5.8 2009 年 6 月 4 日 HJ-1B 红外数据监测结果 47 图 5.9 2009 年 6 月 5 日 HJ-1B 红外数据监测结果

17、48 图 5.10 2009 年 6 月 4 日 HJ-1B 数据监测结果与 MODIS 结果对比 . 49 图 5.11 2009 年 6 月 5 日 HJ-1B 数据监测结果与 MODIS 结果对比 . 50 图 5.12 2008 年 10 月 22 日广东肇庆市秸秆焚烧火点 . 51 图 5.13 环境卫星红外相机第三通道遥感影像图 . 52 图 5.14 环境卫星红外相机第三通道 113.13E， 23.43N 遥感影像图53 图 5.15 2010 年 5 月 9 日 HJ-1B 红外数据监测结果分布图 54 图 5.16 框 1 内燃烧点 55 图 5.17 框 2 内燃烧点 5

18、5 图 5.18 框 3 内燃烧点 56 图 5.19 框 4 内燃烧点 56 图 5.20 框 5 内燃烧点 57 图 5.21 框 6 内燃烧点 57 7 图 5.22 框 7 内燃烧点 58 表 3.1 AVHRR 各通道的波长范围及地面分辨率 16 表 3.2 环境卫星 CCD 相机主要技术指标 34 20 表 3.3 环境卫星红外相机主要技术指标 34 21 表 4.1 NOAA/AVHRR 卫星用于火点监测的通道特性 23 表 4.2 NOAA/AVHRR 双通道阈值算法检测步骤 24 表 4.3 火点探测算法所需的 MODIS 通道及用途 26 表 4.4 秸秆焚烧火点环境卫星第

19、三通道与第四通道亮度温度差统计结果 . 31 表 4.5 秸秆焚烧火点与背景像元亮温差统计表 33 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 1 第一章 绪论 1.1 选题依据和意义 秸秆是指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗等农作物在收获籽 实之后剩余的部分。秸秆焚烧是指农作物秸秆被当作废弃物焚烧。中国是一个 农业大国，秸秆资源丰富，约占世界秸秆总产量的 20%30%，其数量大约相当 于我国北方草原产草总量的 50 余倍1。2004 年，我国秸秆产量为 6.6 亿吨，预 计到 2010 年将达到 7.26 亿吨，相当于 5 亿吨标煤2。上世纪 70 年代以前，农 作物秸秆主要用作生活燃料和大牲畜

20、的饲料，由于作物单产水平较低，秸秆数 量也极为有限， 秸秆总量供应紧缺。 上世纪 80 年代以来， 随着农作物单产提高， 秸秆总量迅速增加，而直接作为生活燃料和饲料的比例大幅度减少，农民为赶 农时，多数地区就开始出现秸秆焚烧现象，并越来越严重3。目前，尽管我国 秸秆利用有多种途径，但整体利用率较低，仅为百分之十几，秸秆开发利用较 好的河北、山东及辽宁等省也不足 30%4。当前，每年的秸秆中约有 3 亿吨被 当作废弃物直接焚烧或扔掉1。秸秆焚烧给大气质量、生态环境、交通安全和 火灾防护造成了极大的危害5。 秸秆焚烧的危害具体表现为： 1. 造成大气污染。焚烧秸秆产生大量的二氧化碳、一氧化碳、氮氧

21、化物、 二氧化硫等有害气体，改变了正常的大气成分。其中，二氧化碳是一种温室气 体，能吸收地球发出的热波，使地球的温度升高，从而导致冰川融化，海平面 升高；二氧化硫和氮氧化物是酸性氧化物，遇水蒸气后会形成酸雨；同时在焚 烧秸秆的过程中排放的烟尘和炭黑，会对人体的呼吸道产生刺激，容易引起呼 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 2 吸道疾病和心脏疾病，严重影响人们的生活和健康，循环到大气中加剧了温室 效应，还造成了臭氧层的破坏。2007 年 5 月，华北和江淮流域的粮食主产区出 现大规模秸秆焚烧现象，使得北京周边城市的空气质量明显下降6。 2. 对安全构成威胁。 秸秆焚烧极易引发火灾， 给人民的生命财产

22、造成损失， 有的甚至引起森林火灾，焚烧秸秆产生的烟雾对机场飞机的起降构成极大的安 全隐患，直接影响公路和水路运输的能见度，增加事故的发生率7。 3. 破坏了土壤的生态平衡。秸秆在焚烧的过程中要放出大量的热，经过秸 秆烧过的土地，表层变成了焦土，经测定表层土壤中微生物锐减，一般下降 70 以上， 严重的破坏了土壤中的分解者， 不利于作物对土壤中营养物质的吸收， 土壤中有机物在高温的作用下，部分产生汽化，降低了土壤中有机物的含量， 同时使土壤中的氮、磷、钾等不同程度的损失8 。 4. 对资源的巨大浪费。 我国每年农作物秸秆产量 6.5 亿多吨， 其中含氮 300 多万吨，含磷 70 多万吨，含钾近

23、 700 万吨，相当于我国目前化肥施用量的四分 之一以上。秸秆中含有大量的纤维素、半纤维素、木质素、粗蛋白等有机物质， 适当处理后是很好的农业资源和工业原料，若将其焚烧，实际上使秸秆中有用 物质丧失殆尽，仅存的少量碳酸钾还会随风随水流失，污染环境。从这可以看 出焚烧秸秆是有百害而无一利。 由此可见，秸秆焚烧不仅消耗大量资源，释放大量的烟尘和温室气体对大 气环境造成影响，还会污染周围的水资源和土壤，直接或间接地危害人们的生 产和生活。农作物秸秆焚烧日益成为一个严重的环境和社会问题，近年来已引 起政府部门和社会公众的广泛关注。因此，如何针对秸秆焚烧的自身特征，及 时准确地获得秸秆焚烧的火点位置、地

24、域分布以及动态变化，进行秸秆焚烧火 点的动态监测、管理和治理，对秸秆禁烧工作至关重要，对于我国的农业生产、 环境保护、交通运输、医疗卫生等部门都具有重要的意义。 近年来，人们围绕着秸秆焚烧引发的环境灾害和经济影响等问题已经做了 大量的研究工作，并取得了许多值得借鉴的成果。环保部早在 1999 年就发布了 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 3 秸秆禁烧和综合利用管理办法 ，各地环保局也出台了相应的禁烧管理办法， 对禁烧工作也非常重视9。每年夏秋季收获时节，环保部、农业部及各地政府 都要投入大量的人力监控焚烧秸秆的情况。 随着秸秆焚烧管理与治理工作的深入，对探测与监管技术精度、深度、方 法等要求日益

25、提高。传统地面监测技术可以获取秸秆焚烧的强度，并得出其对 空气质量的影响10。然而，由于我国国土辽阔、农田分布广泛，禁烧防控工作 具有地域范围大、时效性强、监测频率和空间定位精度要求高等特点。采用人 工监测的常规手段，但通常只在城区附近布设有限站点，难以迅速获取整个区 域全部焚烧秸秆的信息，无法确定秸秆焚烧污染的分布和来源。卫星遥感技术 具有覆盖范围广、反应迅速、信息量大、成本低等特点，被广泛应用于资源、 灾害和环境监测，在秸秆焚烧火点的监测中越发显示出其优越性。通过热红外 遥感可以获得地面上的热异常点，进而提取出秸秆焚烧火点，是目前广泛使用 的监测秸秆焚烧的主要方法之一。 1.2 红外遥感应

26、用概述 红外遥感成像是通过红外遥感器收集地物辐射出来的人眼所不能看到的红 外辐射通量，经过能量转换而变成人眼可以看到的图像。由于地物任何时间都 不断向外辐射红外能量，因此红外遥感不受光照条件的限制，在白天或黑夜都 可以成像，是一种全天时的遥感手段。在现代红外遥感图像上，不但可以显现 地物的外貌，还能够测定出地物各点的温度，并能够迅速地绘制出地物的温度 分布图，这是其他遥感手段难以实现的。由于红外遥感具备以上特点，所以在 很多应用领域能起到不可替代的作用。 近红外谱段主要反映植物、一些土壤和矿物岩石等内部结构信息，不同构 造会形成不同反射，因此可有效地研究植被、土壤、岩石等的特性，提高对植 物健

27、康状况和水情的监测效果。短波红外谱段对植物和土壤水分含量敏感，适 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 4 于进行植物水分状况研究和作物长势监测分析等，对岩性及土壤特性的研究也 起到一定的作用。此外，在该谱段雪比云反射率低、色调暗，因而两者反差较 大，所以易于区分，特别是对那些可见光、近红外、热红外谱段难以区分的小 而薄的云。中红外谱段对火灾、活火山等高温目标敏感，常用于捕捉高温信息， 进行各类火灾、火山喷发、火箭发射等高温目标的识别、监测。特别是对于森 林火灾和秸秆焚烧，它不仅可以清楚地显示火点、火线的形状、大小、位置， 而且对较小的隐火、残火也有很强的识别能力。热红外谱段常用于调查一般地 物的热

28、辐射特性，探测常温下的温度分布、物体的温度场分布，进行热制图， 如地热调查、水资源考察、城市热岛效应监测、地质找矿、海洋鱼群、海洋油 污染探测和水体热污染监测等。红外遥感数据（包括亮度温度/地表温度、长波 辐射及潜热通量） ，还可用于地震前兆的异常信息提取与判别，从而进行地震综 合判定。中红外谱段和热红外谱段可在夜间成像，具备夜间监测的能力11。 综上所述，红外遥感的应用主要包括以下几个领域：地表温度反演，森林 资源监测，草原资源监测，森林火灾、草原火灾、秸秆焚烧监测，地热资源勘 察，浅层地下水勘察等。 1.3 国内外热红外遥感研究进展 1.3.1 热红外遥感地表温度反演研究进展 早期带有热红

29、外波段的传感器多为气象卫星。1960 年，美国发射了第一颗 气象卫星，遥感技术发展到应用热红外波段来探测云和地表的温度信息；20 世 纪 60 年代初至 1978 年为气象卫星实验阶段，这时的技术还很不成熟；1978 年 至 20 世纪 90 年代中期建立由 5 颗静止气象卫星和两颗极轨气象卫星组成的全 球观测网； 20 世纪 90 年代中期到 2000 年前后气象卫星进入较成熟的应用阶段。 利用卫星的热红外波段对地球进行观测，可以用于寻找水源、监视森林火灾、 估测大面积农作物的长势和收成，天气预报、预报沙尘暴、风暴和寒潮等，甚 至地震预报等。 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 5 早期对单波段

30、热红外数据，多基于辐射亮温，根据大气的辐射传输方程， 采用简单回归方法反演地表温度。后来出现了借助于卫星遥感提供的大气垂直 廓线数据，结合大气辐射方程计算大气辐射和大气透过率等参数修正大气对比 辐射率的影响，进而反演地表温度的单通道算法12。Qin 等人(2001)在单通道算 法基础上发展了单窗算法，把大气透射率表示成大气水汽量的分段线性函数， 把等效大气平均温度表示成近地表气象观测气温的线性函数，该模型的反演误 差对地表比辐射率不敏感13。Weng 等人(2004)仅对亮温数据进行了比辐射率的 校正，基于分类的方法确定地表比辐射率，使用单窗口算法反演了地表温度14。 随着传感器辐射精度的提高

31、和高光谱遥感的出现，提出了多窗算法来反演地表 温度。多窗算法是两个或多个通道辐射亮温的线性组合，对辐射传输方程简化， 得到地表的辐射温度， 这大幅提高了温度反演的精度， 其典型为 “劈窗” (或 “分 裂窗”)算法15。在解决陆面温度反演问题方面，国内外学者提出多种不同的多 通道、多角度方法和温度反演策略。有的考虑增加波段，引入 3.54.5 m 的 中红外，并考虑应用昼夜多时相数据等。如 Becker 等（1990）在地表温度反演 中加入了 NOAA/AVHRR 的第 3 通道（3.553.93m）和中红外信息，并应用 昼夜数据提出一个与温度无关的独立因子16；万正明、李召良（1997）利用

32、 MODIS7 个热红外通道（其中 814 m 窗口内的 4 个远红外通道，3.54.5 m 窗口内的 3 个中红外通道）的昼夜数据，建立方程组，同时反演地表温度、 通道平均比辐射率和大气参数17。有的从热辐射方向性入手，运用地物辐射的 多角度信息，进行热辐射特性和比辐射率方向性研究，来反演地表温度18-20， 如李召良等提出了一个可依赖于单一参数的多角度和劈窗算法结合的温度反演 模型，该单一参数就是冠层间隙率 p()。还有的运用先验知识和相应的反演技 巧或策略，以提高地表温度遥感反演精度20，如柳钦火等用双通道法对大气进 行非线性纠正，并用“双温度相邻像元”的技巧进行比辐射率和地表温度的同

33、步反演22。 1.3.2 热异常点及火点遥感监测研究进展 遥感在热异常监测中的应用研究很多，但大部分是使用气象卫星数据和 EOS Terra/Aqua 卫星 MODIS 数据在森林、草原火情监测等方面的研究，针对秸 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 6 秆焚烧火点的监测研究较少。在国际上，美国 NASA 以 Kaufman（1998）为首 的研究小组对 MODIS 数据的火灾监测算法进行了模拟研究， 并分别对巴西、 非 洲的森林火灾的监测进行了野外实验验证23-24；2001 年，Lim 等成功地利用 MODIS 数据对东南亚火灾进行了监测25； 以美国米苏拉林火实验室郝魏民为首 的研究小组则利

34、用 MODIS 数据研究火灾对大气及环境的影响。 国内一些科研单 位和院校也在进行 MODIS 数据应用的研究工作。如梁芸（2002）利用 MODIS 红外通道及三通道合成的方法， 成功地探测到 2002 年发生在我国大兴安岭及境 外的多起火情26；覃先林（2004）采用亮温植被指数法，建立了基于 MODIS 数据的林火识别模型27；刘良明（2004）利用 MODIS 数据针对大兴安岭的一 起火灾， 研究了其监测效果， 认为 MODIS 数据在森林火灾监测中具有很好的应 用前景28；张树誉（2005）利用 MODIS 数据对关中地区秸秆焚烧状况进行了 监测研究29；邹春辉等（2005）探讨利用

35、卫星遥感技术开展秸秆焚烧监测业务 的流程、相关业务服务系统的组成及服务方式30；周小成等（2006）利用中国 境内 9 起森林火灾对 MODIS 数据火点识别的理论算法进行验证分析， 并对算法 进行了改进，增强了其在中国不同地域和季节中使用时的有效性和通用性31； 方萌等（2006）介绍了“3S”技术在农作物秸秆焚烧监测中应用的一般原理和 方法，包括利用 RS 技术监测焚烧农作物秸秆火点，判定农作物进入收割期；利 用 GIS 技术确定卫星遥感监测焚烧农作物秸秆火点的性质和对火点信息进行分 析管理；利用 GPS 技术指导查找验证火点的具体位置等。同时，还介绍了国家 卫星气象中心近年来采用“3S”

36、技术监测农作物秸秆焚烧的概况32。何立明等 （2007）利用 20022005 四年的 MODIS 火点数据，通过相关处理和分析，得 出了全国秸秆焚烧状况的时空分布规律。结果表明，秸秆焚烧最严重的区域一 直分布在淮河流域和陕西关中平原，这是秸秆禁烧工作监控的重点。秸秆焚烧 的时空分布在最近几年基本无大的变化， 秸秆焚烧面积在 2002 年2005 年期间 逐年上升1。 国际上利用遥感技术对火点进行监测开始于 20 世纪 70 年代，我国始于 90 年代。最早利用的卫星平台为 GOES（Geostationary Orbiting Environmental Satellite）系列卫星和 NO

37、AA（National Oceanographic and Atmospheric ）系列卫 星，这两个系列的卫星在火点监测中的应用几乎是同步的。GOES VAS（Visible 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 7 Atmosphere Sounder）传感器每小时一次的可见光序列资料，在火灾事件的追踪 检测中具有明显优势，但空间分辨率较低（7/14KM） 。1999 年美国航空航天总 署（NASA）发射的地球观测系统（EOS）的极地轨道环境遥感卫星 Terra 搭载 了中分辨率成像光谱仪 （MODIS） ， 是第一个在仪器参数设计上考虑了火灾监测 需求的卫星。MODIS 的火情监测算法模型是

38、从 NOAA/AVHRR 算法改进而来， 相比之下 MODIS 火情监测推荐算法监测精度的更高， 能够提供更多的火情监测 内容例如明火、闷烧、辐射能量和火情等级划分33。 小结：小结： 由上述内容可见，国内外对火点卫星遥感监测的研究十分丰富，技术已经 日趋成熟和完善，特别是对森林火和草原火的遥感监测，但对秸秆焚烧的遥感 监测的研究较少，不能满足社会的需要。如基于 AVHRR 和 MODIS 的火点监测 算法虽然已经非常成熟，并且应用广泛，但由于其传感器特性，仍然存在不足 之处：一是 NOAA/AVHRR 中红外通道在亮温 320K-331K 时饱和；二是 NOAA/AVHRR 红外通道空间分辨

39、率为 1.1km， 在火点准确定位及火点面积估算 方面存在不足；三是 EOS/MODIS 红外通道空间分辨率 1km，在火点准确定位 及火点面积估算方面存在不足。环境卫星是我国继气象、海洋、国土资源卫星 之后的一个全新的民用卫星。环境与灾害监测预报小卫星星座由多颗小卫星组 成，是一个配备了宽覆盖 CCD 相机、红外相机、高光谱成像仪、合成孔径雷达 （SAR）等多种类型传感器的先进对地观测系统，是目前国内民用卫星中技术 最复杂、指标最先进的系统34。目前在轨运行的环境卫星分别是 HJ-1A 和 HJ-1B 卫星，其中 HJ-1B 卫星搭载的红外相机可以用于秸秆焚烧监测。环境卫 星红外相机空间分辨

40、率为 150m， 因此它在火点定位及火点面积计算方面要优于 NOAA/AVHRR 及 EOS/MODIS。 因此使用 HJ-1B 卫星红外相机数据建立环境卫 星火点监测算法具有重要意义。 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 8 1.4 主要研究内容 1.4.1 研究内容 本文共分六章，其研究内容简介如下： 第一章是绪论，主要介绍了选题依据和研究意义，红外遥感应用概述，热 红外遥感研究现状以及研究方法。 第二章介绍了热异常点的遥感监测原理，主要包括红外遥感定量反演的物 理基础与理论依据，简述当前热红外反演的主要研究方法和研究思路，以及用 近红外反演的研究思路与方法。 第三章主要介绍了常用于火点监测的

41、卫星及其搭载的传感器，包括 NOAA/AVHRR，EOS/MODIS，以及对 HJ-1B 卫星和 IRS 数据进行了介绍。 第四章研究了 NOAA/AVHRR 和 EOS/MODIS 的火点监测算法，并在借鉴 固定阈值算法的基础上，根据环境卫星红外相机数据的特点构建了 HJ-1B-IRS 火点监测算法以及建立了完整的秸秆焚烧火点监测的技术流程。 第五章为研究区秸秆处理情况调查和 HJ-1B-IRS 火点监测算法的实验和分 析。 第六章是研究的结论、不足和对进一步研究的展望。 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 9 1.4.2 技术路线 图 1.1 秸秆焚烧遥感监测技术路线 如图 1.1 所示， 秸

42、秆焚烧遥感监测的流程主要分为数据预处理， 潜在热异常 的提取，火点的阈值判别，亮目标去除，结合地面信息进行秸秆焚烧火点提取。 卫星遥感数据 云检测 潜在热异常提取 阈值判别热异 常点像元 火点位置确定 地理定位 数据 地面信息 土地利用 数据整理 固定火点数 据库建立 秸秆焚烧火点 亮目标去除 火点判定 历史火点 统计 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 10 第二章 热异常点遥感监测原理 热异常点遥感监测的原理基于维恩位移定律，常温地物红外辐射光谱峰值 位于长波波段，随着温度升高，峰值向短波波段移动，因此火点的特征就是中 红外波段能量高于常温地物。利用这个特征，便可通过遥感图像的 DN 值计算

43、物体亮度温度，然后根据阈值判别火点。 2.1 热辐射原理 提取热信息，首先必须了解热辐射的本质。从理论上讲，自然界任何温度 高于热力学温度(0K 或-273oC)的物体都在不断向外发射电磁波，即向外辐射具 有一定能量和波谱分布位置的电磁波。其辐射能量的强度和波谱分布位置与物 质表面状态有关，是物质内部组成和温度的函数。因为这种辐射依赖于温度， 因而称之为“热辐射” 。同光一样，热辐射也是一种电磁波振动，遵循光的所有 规律，以光速传播35。 2.1.1 热辐射的基本定律 空间所有的物体都通过辐射方式交换着能量，如果没有其他方式的能量交 换，则一个物体热状态的变化就决定于放射与吸收辐射能量的差值。

44、当物体的 辐射能量等于吸收的外来辐射能量，这时该物体处于热平衡状态，因而我们可 以用一个整函数温度 T 来描述它。热学定律用于研究平衡辐射的吸收与放射的 定律。 一般来说，物体的辐射能量收支并不相等，物体处于非辐射平衡状态。但 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 11 是如果辐射热交换过程相当地慢，以致物体中的内能分布来得及变化均匀，并 继续处于热平衡状态，则此时的辐射可视为具有准平衡性质。此时，物体的温 度是在变化的，但每一给定的瞬时，物体的状态都可以看作是平衡的，仍可用 一定的温度来描述它。 2.1.2 基尔霍夫（Kirchhoff）定律 在一定温度下， 任何物体的辐射出射度 F，T与其吸收率

45、 A，T的比值是一个 与温度和波长有关的普适函数 M(T)，与物体的性质无关。即 F，T/A，T = M(T) （2.1） 它表明： 任何物体的辐射出射度 F，T和其吸收率 A，T之比都等于同一温度 下的黑体辐射出射度 M(T)。 对于实际物体， 其辐射出射度与同温度下黑体的辐 射出射度之比，称之为物体的发射率或比辐射率： ，T = F，T/ M(T) （2.2） 可见，T=A，T，即物体的比辐射率等于物体的吸收率。 2.1.3 普朗克（Planck）定律 对于黑体辐射源，普朗克于 1900 年成功给出了其辐射出射度 M(T)与温度 T、波长的关系，Planck 定律表示为： M(T) = 2

46、hc2-5exp(hc/kT)-1-1 （2.3） 式中 h 为普朗克常数(JS)，k 为波尔兹曼常数(JK-1)，c 为光速(ms-1)， 为波长(m)，T 为热力学温度(K)。 遥感图像经辐射定标以后，得到的是物体的辐射强度。辐射出射度是黑体 表面单位面积向各个方向辐射出的电磁波功率： （2.4） 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 12 对于朗伯体，B(T)与无关，即： （2.5） 于是：B(T)=2hc2-5exp(hc/kT)-1-1 2.1.4 斯特藩玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 斯玻定律表达了黑体总辐射出射度与温度的定量关系： M(T) =T4 （2.6） 式中，

47、M(T)为黑体表面发射的总能量，即总辐射出射度(Wm2)；为斯- 玻常数， =5.669710-8(Wm-2 K-4)； T 为发射体的热力学温度(K)， 该式表明， 物体发射的总能量与物体绝对温度的四次方成正比。 2.1.5 维恩位移定律 维恩位移定律，描述了物体辐射峰值波长与温度的定量关系： maxT = A （2.7） 式中，max 为辐射强度的峰值波长(m)；A=2898mK，为比例常数， 称为维恩位移常数，A=2898mK；T 为热力学温度(K)。维恩位移定律表明， 黑体最大辐射强度所对应的波长max 与黑体绝对温度 T 成反比，温度越高， 其辐射谱的波长越短。根据维恩位移定律，物体

48、辐射峰值波长随温度升高向短 波方向移动。 图 2-1 就显示了辐射峰值随温度的变化情况。 对于 T=300K 的黑体， max=9.7m；对于 T=600K 的黑体，max=4.8m；对于 T=1000K 的黑体， max=2.9m。 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 13 图 2.1 辐射峰值随温度的变化 35 2.2 火点遥感监测原理 一般秸秆燃烧温度介于 500K-1000K 之间，因此其辐射能量应主要集中在 2.8m-5.7m 之间。高温燃烧火的辐射主要集中在两个离散的区域，强带在 4-5m 之间，弱带在 2-3m 之间，而其他谱段的辐射则相对小的多，由此可见， 高温燃烧属于选择性辐射体

49、，设辐射率为 R，比辐射率为 ()。普朗克黑体定律 函数为 B，则燃烧辐射可表示为： ),()(),(TBTR (2.8) mMAX 54 )()( 秸秆燃烧时，在中红外波段的辐射值要远远高于其周围背景像元，其辐亮 度特征非常明显。对比而言，火点给其观测通道所带来的辐射增量则相对较小， 观测通道则几乎没有感知到任何变化。火点辐射呈现出明显的非均匀性分布， 农作物秸秆焚烧遥感监测方法研究 14 许多相关研究表明，虽然火点辐射非均匀性分布包含大气非均匀吸收对观测结 果的影响，但是其主要原因在于火点本身的选择性辐射特性36。因此，利用火 点的选择性辐射特性可以建立一个基于辐射观测数据的火情监测模型。 在常用的火点监测算法中，常采用将火点辐亮度转化为亮度温度