衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林火災(zāi)撲救中的應(yīng)用

劉明 賈丹

劉明，博士，應(yīng)急管理部國家減災(zāi)中心衛(wèi)星遙感部助理研究員。2007年獲中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息管理與信息系統(tǒng)專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2013年獲北京師范大學(xué)自然災(zāi)害學(xué)專業(yè)博士學(xué)位。長期從事災(zāi)害遙感監(jiān)測與損失評估工作。主持或參與國家自然科學(xué)基金、科技部國家重點研發(fā)計劃、高分專項等科研項目多項，先后參與2014年云南魯?shù)榈卣馂?zāi)害、2015年尼泊爾地震西藏災(zāi)區(qū)、2016年江蘇鹽城龍卷風(fēng)災(zāi)害、2018年大興安嶺森林火災(zāi)等自然災(zāi)害應(yīng)急遙感監(jiān)測與損失評估工作，先后發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇。

森林火災(zāi)是影響森林生態(tài)系統(tǒng)最為嚴重的災(zāi)害類型之一。全球年均發(fā)生森林火災(zāi)數(shù)十萬次，森林受災(zāi)面積數(shù)百公頃，約占全球森林覆蓋面積的0.1%。森林火災(zāi)不僅對林業(yè)資源造成巨大經(jīng)濟損失，還改變整個生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程和碳分布格局，破壞全球生態(tài)系統(tǒng)平衡。同時，林火燃燒釋放大量有害物質(zhì)，不僅加劇氣候變化及部分地區(qū)的空氣污染，還對周邊居民的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成了極大威脅。隨著氣候變化的不斷加劇，受高溫、少雨、大風(fēng)等不利天氣影響，森林火災(zāi)發(fā)生頻率和強度不斷增大，開展有效的森林火災(zāi)監(jiān)測刻不容緩。

衛(wèi)星遙感技術(shù)具有觀測范圍廣、采集信息豐富、重復(fù)觀測能力強等特點，可及時發(fā)現(xiàn)火點位置及變化，準確評估火災(zāi)損失及影響，對于分布范圍廣且發(fā)災(zāi)地區(qū)不宜接近的森林火災(zāi)，衛(wèi)星遙感具有獨特且重要的優(yōu)勢。通過近半個世紀的應(yīng)用實踐，森林火災(zāi)遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)日漸成熟，由早期主要基于植被覆蓋的差異，通過分類、植被指數(shù)等方法實現(xiàn)森林火災(zāi)火燒跡地監(jiān)測，發(fā)展成為基于地表輻射異常提取等方法開展森林火災(zāi)火點監(jiān)測（圖1、圖2）。近年來，隨著衛(wèi)星種類和數(shù)量逐漸增多，光學(xué)、雷達等各類遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)日漸豐富，數(shù)據(jù)空間分辨率逐漸升高，數(shù)據(jù)獲取周期逐漸縮短，多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)相互協(xié)作，為森林火災(zāi)監(jiān)測和損失評估提供更加有力的數(shù)據(jù)支撐。

森林火災(zāi)監(jiān)測衛(wèi)星種類

圖1 美國加州大火遙感圖

圖2 2018年11月16日天堂鎮(zhèn)災(zāi)區(qū)太空鳥瞰（左側(cè)紅框區(qū)域面積78×77千米，右側(cè)白色框內(nèi)是天堂鎮(zhèn)近景）

現(xiàn)階段，運行在地球同步軌道、極地軌道等不同軌道的國內(nèi)外遙感衛(wèi)星，提供了不同重訪周期、空間分辨率、覆蓋范圍及光譜特性的對地觀測數(shù)據(jù)，在森林火災(zāi)監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。各類遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)揮各自優(yōu)勢，相互協(xié)作，彌補不足，共同構(gòu)建了森林火災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測體系，實現(xiàn)了針對森林火點、火燒跡地等主要森林火災(zāi)要素的監(jiān)測任務(wù)，有效支撐了森林火災(zāi)應(yīng)急撲救工作。

靜止軌道衛(wèi)星，如中國風(fēng)云二號、風(fēng)云四號、日本葵花八號等衛(wèi)星，運行在距地36000千米的地球同步衛(wèi)星軌道，可提供分鐘級觀測數(shù)據(jù)，有助于及時發(fā)現(xiàn)火點并跟蹤，為森林火災(zāi)監(jiān)測提供最及時的信息支撐。但是，常規(guī)靜止軌道衛(wèi)星主要以氣象衛(wèi)星為主，空間分辨率較粗，幾何定位精度偏低，難以做到對森林火點的精確定位。

極軌低空間分辨率光學(xué)衛(wèi)星，如中國風(fēng)云三號、美國NOAA/AVHRR、Terra/Aqua MODIS等，可獲取每天對地觀測數(shù)據(jù)，并通過多星組網(wǎng)的方式，縮短數(shù)據(jù)的獲取間隔。此類衛(wèi)星搭載的傳感器一般包含可見光、近紅外、中紅外和熱紅外數(shù)據(jù)。其中，可見光—近紅外數(shù)據(jù)通過提取煙霧、植被覆蓋等信息服務(wù)于火點及過火面積估算，中紅外、遠紅外數(shù)據(jù)可以通過提取地表輻射值開展火點監(jiān)測。但是，由于此類衛(wèi)星的空間分辨率一般在250～1000米，對過火面積的估算能力仍然較弱。并且，森林火災(zāi)變化速度快，此類衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取周期仍難以全方位支撐森林火災(zāi)監(jiān)測工作。

極軌高空間分辨率光學(xué)衛(wèi)星，如中國環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星、高分系列衛(wèi)星、美國Landsat衛(wèi)星、歐洲SPOT等衛(wèi)星，與極軌低空間分辨率衛(wèi)星相似，主要通過熱異常、煙霧、植被變化等信息提取火點信息，但可提供米級、十米級光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，清晰、精細地反映火點，支撐森林火災(zāi)損失的精細評估（圖3）。但是，此類衛(wèi)星的觀測周期往往較長，重訪周期在數(shù)天至數(shù)十天，在森林火災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測中需要花費大量時間協(xié)調(diào)同類衛(wèi)星，以達到縮短觀測周期的目標(biāo)。

面對包括森林火災(zāi)在內(nèi)的自然災(zāi)害形勢愈發(fā)嚴峻的現(xiàn)狀，為滿足自然災(zāi)害監(jiān)測時效性要求高且中高空間分辨率的任務(wù)需求，中國高分對地觀測系統(tǒng)中設(shè)計了高分四號衛(wèi)星，并于2015年年底發(fā)射。高分四號衛(wèi)星是地球同步軌道中高空間分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，可提供分鐘級50米空間分辨率可見光—近紅外數(shù)據(jù)及400米空間分辨率中紅外數(shù)據(jù)，影像幅寬達400千米，具有機動反應(yīng)速度快、重復(fù)觀測能力強、觀測幅寬大等優(yōu)勢，為森林火災(zāi)監(jiān)測提供了有力支撐。

此外，上述衛(wèi)星多為光學(xué)數(shù)據(jù)，在云層覆蓋區(qū)域難以發(fā)揮對地觀測能力，合成孔徑雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)在此則可發(fā)揮重要作用，通過分析不同植被覆蓋條件下的散射特征差異來提取過火面積，從而支撐森林火災(zāi)監(jiān)測工作。

圖3 綜合火點、煙霧、火燒跡地信息的森林火點監(jiān)測（基于環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星）

森林火災(zāi)火點監(jiān)測

森林火災(zāi)火點監(jiān)測是森林火災(zāi)撲救的重點工作，也是衛(wèi)星遙感森林火災(zāi)應(yīng)用的重要方面。溫度的急劇升高是森林火災(zāi)火點監(jiān)測的主要依據(jù)特征。根據(jù)玻爾茲曼定律，絕對黑體表面單位面積的總輻射能量與絕對溫度的4次方成正比。森林火災(zāi)造成火點區(qū)域溫度升高，從而引起輻射量發(fā)生明顯變化，與周邊地物形成鮮明對比，通過監(jiān)測輻射能量的變化可以實現(xiàn)火點監(jiān)測。此外，根據(jù)維恩位移定律，黑體溫度與輻射能量最大處波長的乘積是一個常數(shù)，常溫條件下（300K）地表輻射峰值波長在11μm左右，森林火災(zāi)發(fā)生時，火點及周邊溫度可以達到750K以上，輻射峰值波長位于4μm左右，利用4μm、11μm周邊波段通道輻射值，可以實現(xiàn)火點的準確識別。以MODIS數(shù)據(jù)為例，MODIS數(shù)據(jù)中波紅外（4μm周邊）通道的飽和溫度為500K，等效噪聲溫度為0.3K，熱紅外（11μm左右）通道的飽和溫度是400K，等效噪聲溫度為0.1K，在森林火災(zāi)監(jiān)測中廣泛使用這兩個通道。

一般而言，中波紅外通道亮溫、熱紅外通道亮溫以及兩個通道的差值被用來開展火點監(jiān)測。森林火點周邊溫度的升高，增加了中波紅外、熱紅外通道亮溫。但是，由于中波紅外通道亮溫受太陽能量地物反射和地物輻射共同作用，一些高反射地物（如厚云），在中波紅外同樣具有較高亮溫，而云自身輻射值較低，在熱紅外通道亮溫較低。因此，基于上述特征，通過設(shè)置中波紅外亮溫閾值確定判定點有足夠的輻射能量，熱紅外通道亮溫用于排除中紅外通道飽和的云，中波紅外通道與熱紅外通道亮溫的差值來進一步提供約束條件，消除高反射低輻射地物影像，提高判定點的可信度。

亮溫閾值法、背景關(guān)聯(lián)法是開展森林火點監(jiān)測的主要方法。亮溫閾值法多以經(jīng)驗閾值來區(qū)分森林火點與背景地物，方法簡單、方便，但是由于閾值的設(shè)定多依靠當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗判斷，針對在不同區(qū)域、不同時間獲取的影像閾值設(shè)置有所差異，難以在較大范圍內(nèi)推廣使用。背景關(guān)聯(lián)法則利用中心像元與周邊像元的相對輻射差異，來自動選擇閾值，有效避免了亮溫閾值法的閾值適用性問題，增大了方法的適用性。目前，基于MODIS的火點監(jiān)測產(chǎn)品正是以此方法開展全球火點監(jiān)測。背景窗口的選擇是背景關(guān)聯(lián)法成功的關(guān)鍵之一，一般而言，將窗口設(shè)置為3×3開始滑動，此外，背景窗口還需要考慮周邊地物覆蓋類型，需要考慮中心像元溫度與周邊相同地類溫度差異來開展火點的識別。

目前，美國國家航空航天局搭建了全球火情信息系統(tǒng)（FIRMS），基于MODIS、VIIRS數(shù)據(jù)，利用背景關(guān)聯(lián)法發(fā)布全球準實時火點位置。同時，歐盟哥白尼計劃（Copernicus）與全球?qū)Φ赜^測組織（GEO）聯(lián)合搭建了全球火災(zāi)信息系統(tǒng)，不僅提供過去72小時全球火點監(jiān)測，還基于氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，開展全球火災(zāi)風(fēng)險監(jiān)測。

圖4 基于高分四號衛(wèi)星中波紅外通道數(shù)據(jù)的森林火災(zāi)火點監(jiān)測

火燒跡地監(jiān)測

火燒跡地是指森林火災(zāi)發(fā)生后，被火燒蝕尚未恢復(fù)至原始林地狀態(tài)的區(qū)域?；馃E地的識別是森林火災(zāi)損失評估的基礎(chǔ)性工作，一般通過多光譜指數(shù)閾值、監(jiān)督分類、決策樹以及面向?qū)ο蟮膱D像分類方法，準確提取火燒跡地的范圍。

由于森林火災(zāi)造成了地表植被覆蓋及類型的急劇變化，火燒跡地指數(shù)提取方法主要通過對比火災(zāi)前后植被光譜反射特征以及光譜指數(shù)特征的變化來識別火燒跡地。大量修正植被指數(shù)以及火燒跡地指數(shù)廣泛應(yīng)用于火燒跡地的提取之中。通過對比火災(zāi)前后標(biāo)準化差異植被指數(shù)（NDVI）、全球環(huán)境監(jiān)測指數(shù)（GEMI）、土壤調(diào)整植被指數(shù)（SAVI）、修改型植被指數(shù)（MSAVI）等植被指數(shù)，基于植被光譜差異來提取火燒跡地范圍。此外，燃燒面積指數(shù)（BAI）、歸一化燃燒率指數(shù)（NBR）、碳土壤指數(shù)（CSI）也是常用的火燒跡地監(jiān)測方法。BAI采用紅光、近紅外光譜區(qū)間表現(xiàn)木炭特征，基于實際像元值與參考光譜值的差值，一般而言，將紅光、近紅外譜段反射率參考設(shè)為0.1和0.06。此外，森林火災(zāi)后，由于植被覆蓋率降低，將出現(xiàn)短波紅外光譜區(qū)間反射率增加，同時，近紅外光譜區(qū)間反射率減少的特征，從而有效提取火燒跡地范圍。鑒于不同指數(shù)的適用性及主要反映的特征，綜合利用多種指數(shù)，消除地形、陰影、裸土等不同因素影響，構(gòu)建決策樹監(jiān)測方法。

典型應(yīng)用案例

2018年6月2日，大興安嶺汗馬國家級自然保護區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)奇乾林業(yè)局阿巴河林場相繼發(fā)生森林火災(zāi)?；馂?zāi)發(fā)生后，及時啟動衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取機制，利用氣象衛(wèi)星、高分四號衛(wèi)星及多個極軌光學(xué)、SAR衛(wèi)星數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮各類衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)優(yōu)勢，開展森林火災(zāi)火點實施監(jiān)測及火燒跡地監(jiān)測，為火災(zāi)應(yīng)急撲救提供數(shù)據(jù)支撐（圖4）。

由于林火燃燒造成輻射量升高及輻射峰值波長變短，中波紅外譜段輻射量明顯增強，通過分析高分四號衛(wèi)星中波紅外譜段影像像元點與周邊同類地物輻射能量差異，開展森林火災(zāi)火點監(jiān)測。6月3日，火災(zāi)發(fā)生后，充分發(fā)揮高分四號衛(wèi)星靜止軌道中高空間分辨率數(shù)據(jù)優(yōu)勢，迅速獲取火點位置。6月4日，相繼獲取高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，持續(xù)跟蹤火點位置，發(fā)現(xiàn)汗馬自然保護區(qū)森林火災(zāi)火點逐步向東移動。但由于受云層覆蓋影響，兩天周邊地物輻射能量仍存在差異，4日影像中云層較厚，其散射能量對火點的識別構(gòu)成了干擾，由于高分四號衛(wèi)星缺少熱紅外譜段，為較大范圍開展火點提取帶來不便。

圖5 森林火災(zāi)火燒跡地監(jiān)測圖

利用MODIS、VIIRS等中低空間分辨率極軌衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)，通過每天數(shù)次過境拍攝，統(tǒng)合利用中波紅外、熱紅外譜段亮溫信息，通過背景關(guān)聯(lián)法，實現(xiàn)更大范圍森林火點跟蹤。在此次森林火災(zāi)持續(xù)監(jiān)測中，MODIS、VIIRS完成森林火災(zāi)區(qū)域新火點的識別。

火點撲滅后，利用高分一號、中巴資源04星等極軌中高空間分辨率衛(wèi)星，在獲取晴空遙感影像基礎(chǔ)上，利用災(zāi)前、災(zāi)后影像數(shù)據(jù)，通過植被指數(shù)差異提取火燒跡地（圖5）。此外，在天氣不利條件下，利用高分三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展火燒跡地提?。▓D5a）?；诟叻秩柸珮O化SAR數(shù)據(jù)在極化分解基礎(chǔ)上，開展地表不同地物散射特征變化分析，災(zāi)前植被覆蓋區(qū)，尤其是森林覆蓋區(qū)，散射特征以體散射為主，災(zāi)后由于林木被燒毀，散射特征逐漸呈現(xiàn)以平面散射為主，進而提取森林喬木過火區(qū)域（圖5b）。

結(jié)論與展望

森林火災(zāi)已成為影響森林生態(tài)系統(tǒng)的主要災(zāi)害之一，衛(wèi)星遙感技術(shù)以其觀測范圍廣、重復(fù)觀測能力強等優(yōu)勢，在森林火災(zāi)監(jiān)測中發(fā)揮了越來越重要的作用，但仍有一些工作尚需加強：

一是監(jiān)測關(guān)口前移，有效降低風(fēng)險。減輕災(zāi)害風(fēng)險已成為國內(nèi)外開展災(zāi)害管理的主要目標(biāo)，第三次世界減災(zāi)大會通過的 《仙臺框架》 中明確提出了7項全球性減輕災(zāi)害風(fēng)險的具體目標(biāo)。我國政府高度重視災(zāi)害管理工作，中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《深化防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)體制機制改革的若干意見》中明確指出，“堅持以防為主、防抗救相結(jié)合，堅持常態(tài)減災(zāi)與非常態(tài)救災(zāi)相統(tǒng)一，努力實現(xiàn)從注重災(zāi)后救助向注重災(zāi)前預(yù)防轉(zhuǎn)變，從應(yīng)對單一災(zāi)種向綜合減災(zāi)轉(zhuǎn)變，從減少災(zāi)害損失向減輕災(zāi)害風(fēng)險轉(zhuǎn)變”。對于森林火災(zāi)，防火重于救火，加強森林火災(zāi)監(jiān)測工作需充分發(fā)揮衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)優(yōu)勢，及時獲取森林可燃物、地表溫度數(shù)據(jù)，為森林火災(zāi)風(fēng)險監(jiān)測提供有力支撐。

二是完善合作機制，提高產(chǎn)品時效。根據(jù)重特大森林火災(zāi)火點及火燒跡地監(jiān)測特點，完善與相關(guān)數(shù)據(jù)提供方的應(yīng)急數(shù)據(jù)獲取機制，梳理計劃申請、觀測、數(shù)據(jù)推送等各階段存在的問題。根據(jù)火災(zāi)形勢及氣象條件，充分發(fā)揮多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)優(yōu)勢，縮短有效數(shù)據(jù)獲取間隔，有針對性地開展森林火點持續(xù)跟蹤監(jiān)測，提升產(chǎn)品時效性。

三是加強方法驗證，提高產(chǎn)品精度。森林火災(zāi)要盡量“早”滅火、滅“小”火。但是，受交通、天氣等不利因素影響，森林火災(zāi)衛(wèi)星監(jiān)測重點針對重特大火災(zāi)開展驗證，產(chǎn)品精度驗證多通過重特大火災(zāi)來實現(xiàn)，針對“早”火、“小”火點驗證存在一定困難，“早”火、“小”火誤差相對較高?？沙浞职l(fā)揮各類遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)優(yōu)勢，不僅實現(xiàn)重特大災(zāi)害應(yīng)急期間的互補協(xié)作，更需針對平時“小”火開展相互驗證，實現(xiàn)多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在特征層、決策層的有機融合，逐漸完善監(jiān)測與驗證方法體系，提升火災(zāi)監(jiān)測精度。