Sachverhalt: A. Das Amtsgericht Willisau bestrafte X._ am 21. Oktober 2010 wegen Inbetriebnahme eines Zwischenlagers für Altholz ohne Bewilligung gestützt auf Art. 61 Abs. 1 lit. k USG mit einer Busse von Fr. 1'000.--. Von den Vorwürfen des Betreibens einer Altholzfeuerung ohne die vorgeschriebenen gesetzlichen Kontrollen über die Einhaltung der Emissionsgrenzwerte sowie ohne die vorgeschriebene Umweltverträglichkeitsprüfung sprach es ihn frei. Das Amtsgericht auferlegte ihm die Anwalts-, die Untersuchungs- sowie die Hälfte der Gerichtskosten. Die verbleibenden Verfahrenskosten gingen zu Lasten des Staates. Das Obergericht des Kantons Luzern trat am 31. Januar 2011 auf die Kassationsbeschwerde von X._ aus formellen Gründen nicht ein. In einer Alternativbegründung wies es das Rechtsmittel materiell ab. B. Mit Beschwerde in Strafsachen beantragt X._, der Entscheid vom 31. Januar 2011 sei aufzuheben, die Kassationsbeschwerde vom 12. November 2010 sei gutzuheissen, und er sei von Schuld und Strafe freizusprechen. Eventualiter sei die Sache zur neuen Entscheidung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Die Kosten des erst- und zweitinstanzlichen sowie des bundesgerichtlichen Verfahrens seien dem Staat aufzuerlegen. C. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.