HJ 1008-2018 卫星遥感秸秆焚烧监测技术规范

中华人民共和国国家环境保护标准HJ1008-2018卫星遥感秸秆焚烧监测技术规范TechnicalTechnicalTechnicalTechnicalspecificationspecificationspecificationspecificationforforforforstrawstrawstrawstrawburningburningburningburningmonitoringmonitoringmonitoringmonitoringbasedbasedbasedbasedononononsatellitesatellitesatellitesatelliteremoteremoteremoteremotesensingsensingsensingsensing（发布稿）本电子版为发布稿。请以中国环境出版集团出版的正式标准文本为准。2018-12-26发布2019-06-01实施生态环境部发布i目次前言..........................................................................................................................................ii1适用范围...................................................................................................................................12规范性引用文件.......................................................................................................................13术语和定义...............................................................................................................................14总则...........................................................................................................................................15监测方法...................................................................................................................................26监测产品制作...........................................................................................................................87质量控制...................................................................................................................................8附录A（资料性附录）卫星秸秆监测常见数据源.......................................................................9ii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。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内容引用了下列文件中的条款。GB/T32453-2015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brightnesstemperature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/T32453-2015。3.2表观反射率apparentreflectance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suspectedfirepointofstrawburning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suspectedfirepointconfidenceofstrawburning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。4444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0.65μm附近2的可见光红波段、0.8μm附近的近红外波段、4μm附近的中红外波段、11μm及12μm附近的热红外波段，波段设置参考见附录A。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5555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。表观反射率计算公式如下：2cosLDESUNπρθ=（1）式中：ρ——表观反射率；π——常量，sr；L——辐射亮度，W/(m2·sr·μm)；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/(m2·μm)；θ——太阳天顶角，°。亮度温度计算公式如下：2512ln1hcTkhcLλλ=⎛⎞+⎜⎟⎝⎠（2）式中：3T——表观亮度温度，K；c——光速，m/s；λ——中心波长，μm；L——辐射亮度，W/(m2·sr·μm)；h——普朗克常数，取6.626×10-34J·s；k——玻尔兹曼常数，取1.38×10-23J/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：ρ112t1ρ212t212t1rn()rnThTThThTThTThρρρρ+)∨()∨((+)∧⎧⎪⎨⎪⎩昼间夜间（3）水体像元的判别条件为：nρ3()(0)ThNDVIρ∧其中，()nrnrNDVIρρρρ=−)/(+（4）式中：rρ——像元在红波段的表观反射率；nρ——像元在近红外波段的表观反射率；12T——像元在热红外波段（12μm附近）的亮度温度，K；ρ1Th——判别阈值，参考值可取0.9；ρ2Th——判别阈值，参考值可取0.7；t1Th——判别阈值，参考值可取265K；t2Th——判别阈值，参考值可取285K；ρ3Th——判别阈值，参考值可取0.15；NDVI——归一化植被指数；昼间——太阳天顶角小于85°（下文同）；夜间——太阳天顶角大于等于85°（下文同）。5.3热异常点提取5.3.1提取流程热异常点提取流程如下：4初定火点绝对阈值判定初定火点背景阈值判定初定火点判别是否是昼间虚假火点去除非火点夜间无云陆地像元暂定火点否是热异常点否图2热异常点提取流程5.3.2初定火点判别首先要对遥感像元进行初步分类，以区分初定火点像元与非火点像元。初定火点判定条件为：4t3t1ρ44t4t1()()(()()nTThTThThTThTThρ∆∆∧∆∧)⎧⎪⎨⎪∧∆⎩昼间夜间（5）式中：4T——像元在中红外波段（4μm附近）的亮度温度，K；T∆——像元在中红外波段（4μm附近）与热红外波段（11μm附近）的亮度温度的差值，K；ρ4Th——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，满足公式（6）即可判定为暂定火点。在夜间情况下，满足公式（7）即可标识为热异常点。其他不满足条件的初定火点需进入背景阈值测试过程，进一步加以判别。4t5TTh（6）4t6TTh（7）式中：t5Th——判别阈值，参考值可取360K；t6Th——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N×N的背景窗口，对窗口中的背景像元进行分类并统计5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：4t7t2()()TThTTh∆∧∆（8）夜间：4t8t3()()TThTTh∆∧∆（9）式中：t7Th——判别阈值，参考值可取325K；t2Th∆——判别阈值，参考值可取20K；t8Th——判别阈值，参考值可取310K；t3Th∆——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3×3。若有效背景像元不够，则增大窗口（如：5×5、7×7……21×21），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N＝21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（4T、11T及T∆）进行多个阈值条件的判别，如下所示：e1TTTThδ∆∆∆+×（10）t4TTTh∆∆∆+（11）44e24TTThδ+×（12）111111t9TTThδ+−（13）4t10Thδ′（14）式中：T∆——有效背景像元在中红外波段（4μm附近）与热红外波段（11μm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（4μm附近）亮度温度的均值，K；11T——像元在热红外波段（11μm附近）的亮度温度，K；11T——有效背景像元在热红外波段（11μm附近）亮度温度的均值，K；4δ——有效背景像元在中红外波段（4μm附近）亮度温度的平均绝对偏差；11δ——有效背景像元在热红外波段（11μm附近）亮度温度的平均绝对偏差；Tδ∆——有效背景像元在中红外波段（4μm附近）与热红外波段（11μm附近）的亮度温度差值的平均绝对偏差；4δ′——背景火点像元在中红外波段（4μm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公式（10）~（12）中所有条件，同时满足公式（13）或（14）6中条件之一，则初定火点被标识为暂定火点；在夜间满足公式（10）~（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