HJ 1008-2018 卫星遥感秸秆焚烧监测技术规范.pdf

中华人民共和国国家环境保护标准 HJ 10082018 卫星遥感秸秆焚烧监测技术规范 Technical specification for straw burning monitoring based on satellite remote sensing 2018-12-26 发布 2019-06-01 实施 生 态 环 境 部 发 布 HJ 10082018 i 中华人民共和国生态环境部 公 告 2018 年 第 71 号 为贯彻中华人民共和国环境保护法，保护生态环境，保障人体健康，规范生态环境监测工作，现批准环境空气 降水中有机酸（乙酸、甲酸和草酸）的测定 离子色谱法等五项标准为国家环境保护标准，并予发布。标准名称、编号如下。一、环境空气 降水中有机酸（乙酸、甲酸和草酸）的测定 离子色谱法（HJ 10042018）；二、环境空气 降水中阳离子（Na+、NH4+、K+、Mg2+、Ca2+）的测定 离子色谱法（HJ 1005 2018）；三、固定污染源废气 挥发性卤代烃的测定 气袋采样-气相色谱法（HJ 10062018）；四、固定污染源废气 碱雾的测定 电感耦合等离子体发射光谱法（HJ 10072018）；五、卫星遥感秸秆焚烧监测技术规范（HJ 10082018）。以上标准自 2019 年 6 月 1 日起实施，由中国环境出版集团出版，标准内容可在生态环境部网站（ 2018 年 12 月 26 日 HJ 10082018 iii 目 次 前 言.iv 1 适用范围.1 2 规范性引用文件.1 3 术语和定义.1 4 总则.1 5 监测方法.2 6 监测产品制作.7 7 质量控制.8 附录 A（资料性附录）卫星秸秆监测常见数据源.9 HJ 10082018 iv 前 言 为贯彻中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国大气污染防治法，规范和指导秸秆焚烧卫星遥感监测工作，防治大气污染，改善空气质量，制定本标准。本标准规定了秸秆焚烧卫星遥感监测的方法、产品制作、质量控制等内容。本标准的附录 A 为资料性附录。本标准为首次发布。本标准由生态环境部生态环境监测司、法规与标准司组织制订。本标准起草单位：环境保护部卫星环境应用中心。本标准验证单位：江苏省环境监测中心、北京市环境监测中心、黑龙江省环境科学研究院。本标准生态环境部 2018 年 12 月 26 日批准。本标准自 2019 年 6 月 1 日起实施。本标准由生态环境部解释。HJ 10082018 1 卫星遥感秸秆焚烧监测技术规范 1 适用范围 本标准规定了利用极轨卫星开展秸秆焚烧遥感监测的方法、产品制作、质量控制等内容。本标准适用于秸秆焚烧卫星遥感监测工作。2 规范性引用文件 本标准引用了下列文件或其中的条款。凡是注明日期的引用文件，其所注日期的版本适用于本标准。GB/T 324532015 卫星对地观测数据产品分类分级规则。3 术语和定义 下列术语和定义适用于本标准。3.1 亮度温度 brightness temperature 与观测物体辐射出射度相等的黑体温度，其在数值上等同辐射温度。引自 GB/T 324532015。3.2 表观反射率 apparent reflectance 指大气层顶反射能量与太阳入射能量的比值。3.3 秸秆焚烧疑似火点 suspected fire point of straw burning 指由本标准技术方法反演的待实地核查的秸秆焚烧火点。3.4 秸秆焚烧疑似火点信度 suspected fire point confidence of straw burning 指由本标准技术方法监测的秸秆焚烧疑似火点为真实火点的概率。4 总则 4.1 监测原理 基于秸秆焚烧疑似火点像元与背景常温像元在中红外和热红外波段亮度温度的差异识别热异常点，结合土地分类数据，提取秸秆焚烧疑似火点。4.2 监测手段 利用极轨卫星的光学及红外传感器开展秸秆焚烧监测工作。传感器应具有 0.65m 附近的可见光红波段、0.8m 附近的近红外波段、4m 附近的中红外波段、11m 及 12m 附近的热红外波段，波段设置参考见附录 A。HJ 10082018 2 4.3 监测内容 秸秆焚烧疑似火点的位置、数量、信度。4.4 监测流程 秸秆焚烧卫星遥感监测流程如图 1 所示。卫星遥感数据遥感数据预处理秸秆焚烧疑似火点提取秸秆焚烧疑似火点信度估算土地利用数据监测产品制作地理信息数据热异常点提取 图 1 秸秆焚烧卫星遥感监测流程 5 监测方法 5.1 遥感数据预处理 首先对卫星遥感数据进行质量检查、辐射校正及几何校正，然后计算可见光、近红外波段的表观反射率及中红外、热红外波段的亮度温度。表观反射率计算式如式（1）：2ESUNcosLD=（1）式中：表观反射率；常量，sr；L 辐射亮度，W/（m2srm）；D 日地之间距离，天文单位；ESUN 大气层顶的平均太阳光谱辐照度，W/（m2m）；太阳天顶角，（）。亮度温度计算式如式（2）：2512ln1hcTkhcL=+（2）式中：T 表观亮度温度，K；c 光速，m/s；HJ 10082018 3 中心波长，m；L 辐射亮度，W/（m2srm）；h 普朗克常数，取 6.6261034Js；k 玻尔兹曼常数，取 1.381023J/K。5.2 云、水体像元识别与剔除 识别并剔除满足下列条件的云像元和水体像元。云像元的判别条件为：rn112t1212t212t1rn()()()ThTThThTThTTh+昼间 夜间 （3）水体像元的判别条件为：n3()(NDVI0)Th 昼间夜间 （5）式中：T4像元在中红外波段（4m 附近）的亮度温度，K；T像元在中红外波段（4m 附近）与热红外波段（11m 附近）的亮度温度的差值，K；4Th判别阈值，参考值可取 0.3；t3Th 判别阈值，参考值可取 300K；t4Th 判别阈值，参考值可取 305K；t1Th判别阈值，参考值可取 10K。5.3.3 初定火点绝对阈值测试 若初定火点在昼间情况下，满足式（6）即可判定为暂定火点。在夜间情况下，满足式（7）即可标识为热异常点。其他不满足条件的初定火点需通过背景阈值测试过程，进一步加以判别。T4Tht5 （6）T4Tht6 （7）式中：Tht5判别阈值，参考值可取 360K；Tht6判别阈值，参考值可取 320K。5.3.4 初定火点背景阈值测试 以初定火点为中心，建立大小为 NN 的背景窗口，对窗口中的背景像元进行分类并统计其亮度温度特征。背景像元包括背景火点像元和有效背景像元两种类型。其中，背景火点像元在昼间和夜间分别满足以下条件：昼间：（T4Tht7）（TTht2）（8）夜间：（T4Tht8）（TTht3）（9）式中：Tht7判别阈值，参考值可取 325K；Tht2判别阈值，参考值可取 20K；Tht8判别阈值，参考值可取 310K；Tht3判别阈值，参考值可取 10K。窗口中背景火点像元之外的无云陆地背景像元为有效背景像元。如果有效背景像元数量满足窗口内总像元数的 25%，且多于 8 个，则统计窗口的背景像元温度特性，窗口起始大小为 33。若有效背景像元不够，则增大窗口（如：55，77，2121），并继续进行上述分类和统计，直到窗口中有足够的有效背景像元。如果当 N21 时仍未选出足够有效背景像元，则该初定火点被标识为非火点。如果上述背景火点像元和有效背景像元温度特性被成功提取，则将其与初定火点的温度特性（T4、T11及T）进行多个阈值条件的判别，如下所示：e1TTTTh+（10）t4TTTh+（11）44e24TTTh+（12）HJ 10082018 5 111111t9TTTh+（13）4t10Th （14）式中：T有效背景像元在中红外波段（4m 附近）与热红外波段（11m 附近）的亮度温度差值的均值，K；4T有效背景像元在中红外波段（4m 附近）亮度温度的均值，K；11T 像元在热红外波段（11m 附近）的亮度温度，K；11T 有效背景像元在热红外波段（11m 附近）亮度温度的均值，K；4有效背景像元在中红外波段（4m 附近）亮度温度的平均绝对偏差；11有效背景像元在热红外波段（11m 附近）亮度温度的平均绝对偏差；T有效背景像元在中红外波段（4m 附近）与热红外波段（11m 附近）的亮度温度差值的平均绝对偏差；4背景火点像元在中红外波段（4m 附近）亮度温度的平均绝对偏差；e1Th 判别阈值，参考值取 3.5；t4Th判别阈值，参考值取 6K；e2Th 判别阈值，参考值取 3；t9Th 判别阈值，参考值取 4K；t10Th判别阈值，参考值取 5K。如果初定火点在昼间满足式（10）式（12）中所有条件，同时满足式（13）或式（14）中条件之一，则初定火点被标识为暂定火点；在夜间满足式（10）式（12）中的所有条件时，则初定火点被标识为热异常点，否则被标识为非火点。将昼间标识为暂定火点进行虚假火点去除，得到热异常点。5.3.5 虚假火点去除 5.3.5.1 太阳耀光引起的虚假火点去除 计算火点像元的耀光角：gvsvscoscoscossinsincos=（15）式中：g火点像元的耀光角，（）；v观测天顶角，（）；s太阳天顶角，（）；相对方位角，（）。判别太阳耀光的阈值条件为：ga1Th （16）ga2r5n6()()()ThThTh （17）ga3w()0ThN（）（18）式中：a1Th 判别阈值，参考值取2；a2Th 判别阈值，参考值取8；HJ 10082018 6 a3Th 判别阈值，参考值取12；5Th 判别阈值，参考值取0.1；6Th 判别阈值，参考值取0.2；wN 统计窗口中水体像元的个数。如果暂定火点像元满足式（16）式（18）中条件之一，则判定为太阳耀光引起的虚假火点。5.3.5.2 沙漠边缘的虚假火点去除 针对沙漠边缘的辐射特点设置识别虚假火点的阈值条件：fe3vfn1n74t114t1244e44NTh NNThThTThThTTTh+?（19）式中：fN 统计窗口中背景火点的个数；vN统计窗口中有效背景像元个数；4T 背景火点像元 4m 附近波段亮度温度的均值，K；e3Th 判别阈值，参考值取 0.1；n1Th 判别阈值，参考值取 4；7Th 判别阈值，参考值取 0.15；t11Th判别阈值，参考值取 345 K；t12Th判别阈值，参考值取 3 K；e4Th 判别阈值，参考值取 6。如果暂定像元满足式（19）中的全部条件，则被判定为沙漠边缘的虚假火点。5.4 秸秆焚烧疑似火点提取 结合土地分类数据，把位于农田范围内的热异常点提取出来作为秸秆焚烧疑似火点。5.5 秸秆焚烧疑似火点信度估算 统计分析秸秆焚烧疑似火点像元的亮度温度特征，估算其火点信度，评判的依据是：火点像元的T4及（T4T11）越大，火点信度越高；火点像元 T4及（T4T11）与周围常温背景的差别越大，火点信度越高；在昼间的情况下，火点像元邻近的云或水体像元越少，火点信度越高。具体步骤如下：a）计算火点与有效背景像元温度特性的差异统计参数 Z4和 ZT：4444TTZ=（20）TTTTZ=（21）b）基于信度判别斜坡函数(,)S x 计算单项信度指数 C1，C2，C5：14t13t14(,)CS T ThTh=（22）HJ 10082018 7 24e5e7(,)CS Z ThTh=（23）3e6e7(,)TCS ZThTh=（24）4ace71(,0,)CS NTh=（25）5awe71(,0,)CS NTh=（26）其中斜坡函数定义为：0;(,)()/();1;xS xxxx =?（27）c）总体信度指数定义为单项信度指数的几何平均数，如下所示：5125CC CC=?（昼间）或3123CC C C=（夜间）（28）式中：t13Th判别阈值，参考值昼间取 300 K，夜间取 305 K；t14Th判别阈值，参考值昼间取 340 K，夜间取 320 K；e5Th 判别阈值，参考值取 2.5；e6Th 判别阈值，参考值取 3；e7Th 判别阈值，参考值取