高分一號02/03/04星在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用

文| 中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 劉樹超 覃先林 李曉彤 劉倩

本文介紹了高分一號衛(wèi)星的概況和利用高分一號 02/03/04星在我國森林火災(zāi)監(jiān)測中開展的應(yīng)用實例，表明這三顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)可在我國森林火災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，并對利用空間技術(shù)實現(xiàn)我國“十三五”森林防火二期規(guī)劃目標(biāo)的發(fā)展方向進行了展望。

本文介紹了高分一號衛(wèi)星的概況和利用高分一號 02/03/04星在我國森林火災(zāi)監(jiān)測中開展的應(yīng)用實例，表明這三顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)可在我國森林火災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，并對利用空間技術(shù)實現(xiàn)我國“十三五”森林防火二期規(guī)劃目標(biāo)的發(fā)展方向進行了展望。

一、高分一號衛(wèi)星

高分一號衛(wèi)星是我國高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項天基系統(tǒng)中的第一顆衛(wèi)星，于2013年4月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。其搭載了兩臺2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機（PMS），四臺16 m分辨率多光譜相機（WFV），位于太陽同步軌道。高分一號衛(wèi)星突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結(jié)合的光學(xué)遙感等關(guān)鍵技術(shù)，在分辨率和幅寬的綜合指標(biāo)上達到了目前國內(nèi)外民用光學(xué)遙感衛(wèi)星的領(lǐng)先水平。

高分一號 02/03/04星是我國國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的首批業(yè)務(wù)化應(yīng)用衛(wèi)星星座，也是我國首顆民用高分辨率光學(xué)業(yè)務(wù)星座，于2018年3月31日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心以“一箭三星”的方式發(fā)射成功，2018年10月交付使用。三顆衛(wèi)星均搭載了兩臺全色多光譜相機，全色波段影像的空間分辨率均為2 m，多光譜波段影像的空間分辨率均優(yōu)于8 m，單顆衛(wèi)星成像幅寬大于60 km。與2013年發(fā)射的高分衛(wèi)星相比，高分一號 02/03/04星量化位數(shù)提高20%，同時提高了低輻亮度條件下的信噪比，降低了噪聲等效反射率差，圖像質(zhì)量顯著提高。三顆衛(wèi)星組成的應(yīng)用衛(wèi)星星座，對同一地區(qū)可以實現(xiàn)2天的重訪周期觀測，15天實現(xiàn)對全球地區(qū)的覆蓋觀測；同時具有多種星座運行模式，可采用立體成像模式實現(xiàn)立體成像，也可采用圖像拼接模式實現(xiàn)大幅寬成像；也可以與2013年發(fā)射的高分一號衛(wèi)星及2018年發(fā)射的高分六號衛(wèi)星組網(wǎng)運行，共同構(gòu)建陸地資源調(diào)查監(jiān)測業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座，在此狀態(tài)下，重訪周期為1天，可以實現(xiàn)11天對全球地區(qū)的覆蓋觀測。高分一號 02/03/04星可以為國家自然資源資產(chǎn)管理和自然生態(tài)監(jiān)管提供精準(zhǔn)信息保障，并廣泛應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護、城鄉(xiāng)建設(shè)、交通運輸、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、應(yīng)急管理等領(lǐng)域[1]。

二、森林火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用

森林火災(zāi)，是指失去人為控制，在林地內(nèi)自由蔓延和擴展，對森林、森林生態(tài)系統(tǒng)和人類帶來一定危害和損失的林火行為。森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。森林火災(zāi)的發(fā)生既具有隨機性、突發(fā)性的特點，又具有一定的規(guī)律性，當(dāng)具有一定的氣象、森林植被和地形地理等條件時，才能發(fā)生森林火災(zāi)。森林火災(zāi)不只是燒毀成片的森林，傷害林內(nèi)的動物，而且還降低森林的更新能力，導(dǎo)致土壤的貧瘠，破壞了森林結(jié)構(gòu)，進而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境失去平衡[2]。及時準(zhǔn)確掌握森林火災(zāi)的地理位置、火場面積、蔓延情勢以及火燒強度等信息，對森林火災(zāi)撲救力量部署、應(yīng)急決策實施以及林火管理和預(yù)防尤為重要。然而，林火多發(fā)生于邊遠(yuǎn)、道路稀少、可進入性極差的林區(qū)。歷史上許多森林大火都是由于在森林火災(zāi)發(fā)生初期發(fā)現(xiàn)不及時從而釀成森林大火，給林火撲救帶來極大挑戰(zhàn)。長期以來，國內(nèi)外的專家學(xué)者結(jié)合出現(xiàn)的新型監(jiān)測技術(shù)手段特性，開展了大量的森林火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用方法研究。近年來，衛(wèi)星遙感技術(shù)在林火監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越成熟，衛(wèi)星遙感能夠監(jiān)測和記錄全球地表信息，尤其適用于地表異變現(xiàn)象特別明顯的火災(zāi)事件，已經(jīng)在林火預(yù)警、火點識別、火情評價和火燒跡地恢復(fù)監(jiān)測等領(lǐng)域中發(fā)揮了出色的作用[3]。

1.森林火災(zāi)監(jiān)測實例

選取兩處森林火災(zāi)探究高分一號 02/03/04星在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用能力。2018年6月1日19時，內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局汗馬國家級自然保護區(qū)因雷電擊中樹木發(fā)生森林火災(zāi)，火場過火面積約5100公頃（其中，內(nèi)蒙古境內(nèi)約4500公頃，黑龍江境內(nèi)約600公頃）。2018年6月2日10時，內(nèi)蒙古大興安嶺北部原始林區(qū)奇乾林業(yè)局阿巴河林場同樣因雷電擊中樹木發(fā)生森林火災(zāi)，過火面積約1000公頃。森林火災(zāi)發(fā)生后，中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心調(diào)用高分一號 02/03/04星對兩處火燒跡地進行了拍攝成像，獲取了火燒跡地的高分辨率衛(wèi)星影像，為火燒跡地的森林火災(zāi)受害程度評價和災(zāi)后植被恢復(fù)等提供數(shù)據(jù)支持。

（1）過火區(qū)邊界提取

將高分一號 02/03/04星的衛(wèi)星影像的全色波段數(shù)據(jù)與多光譜數(shù)據(jù)進行融合，得到空間分辨率為2 m的多光譜合成影像，利用融合后的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對兩處森林火災(zāi)的過火區(qū)邊界進行目視解譯。其中，高分一號02星影像覆蓋了阿巴河林場火燒跡地，高分一號03星和04星覆蓋了汗馬國家級自然保護區(qū)火燒跡地。在ArcGIS軟件中目視解譯并勾繪火燒跡地的范圍邊界，解譯結(jié)果如圖1所示。

a.阿巴河林場（高分一號02星）

圖1 過火區(qū)邊界解譯結(jié)果圖

從圖1可以看出，融合后的高分一號 02/03/04星衛(wèi)星影像，兼具高空間分辨率和多光譜的優(yōu)勢，可以清晰地辨別出過火區(qū)域的邊界，及火燒跡地內(nèi)不同區(qū)域的受災(zāi)程度的情況；紅色區(qū)域是目視解譯勾繪得到的火燒跡地范圍邊界，通過計算可以分別得到兩次森林火災(zāi)形成的過火區(qū)域的面積。

（2）火燒跡地識別

通過對三景融合后的高分一號 02/03/04星影像的森林火燒跡地及典型地物的識別，來評價高分一號 02/03/04星影像識別森林火燒跡地的能力。在經(jīng)正射校正和融合等處理后的高分一號 02/03/04星影像中，分別選取植被、裸地、火燒跡地、水體、云陰影區(qū)、農(nóng)田、云和建筑用地等八種地類作為分類和驗證樣本，進行最大似然法監(jiān)督分類，分類結(jié)果如圖2所示。

圖2 火燒跡地識別結(jié)果圖

圖2中紅色區(qū)域為識別的火燒跡地，識別結(jié)果經(jīng)精度驗證得出：高分一號02星影像得到的結(jié)果精度為84.46%，Kappa系數(shù)（一般介于0～1之間，越接近1精度越高）為0.71；高分一號03星影像得到的結(jié)果精度為89.75%，Kappa系數(shù)為0.88；高分一號04星影像得到的結(jié)果精度為91.57%，Kappa系數(shù)為0.89。三景影像的識別精度均優(yōu)于80%，表明三顆衛(wèi)星影像的光譜信息質(zhì)量較好，監(jiān)督分類結(jié)果符合實際火燒跡地的情況，有效地提取了森林火災(zāi)的災(zāi)害信息，通過該信息可以為災(zāi)后受災(zāi)程度評價和火燒跡地的植被恢復(fù)提供決策支持。

2.應(yīng)用總結(jié)

利用選取的高分一號 02/03/04星衛(wèi)星影像，對內(nèi)蒙古大興安嶺地區(qū)的火燒跡地識別進行了應(yīng)用評價，結(jié)果表明：高分一號 02/03/04星衛(wèi)星影像能夠清晰地表現(xiàn)森林火燒跡地的細(xì)節(jié)，得到火燒跡地的邊界，提取森林火災(zāi)的災(zāi)害信息，其空間分辨率和輻射分辨率能夠滿足森林火災(zāi)災(zāi)情信息評價中對衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的需求。通過三星組網(wǎng)的方式，衛(wèi)星影像可以覆蓋更大的區(qū)域，彌補了單景影像不能覆蓋目標(biāo)區(qū)域的不足，且有利于為森林火災(zāi)災(zāi)后恢復(fù)評價等工作提供更精細(xì)的數(shù)據(jù)資料。由于高分一號02/03/04星位于太陽同步軌道，具有嚴(yán)格的運轉(zhuǎn)周期，雖然森林火災(zāi)發(fā)生時往往不能立即響應(yīng)，但可在森林火災(zāi)發(fā)生后通過多星對目標(biāo)區(qū)域進行成像，獲取森林火燒跡地的衛(wèi)星影像，及時為森林火災(zāi)的受災(zāi)程度評價和植被恢復(fù)提供數(shù)據(jù)決策支持。

三、發(fā)展展望

《全國森林防火規(guī)劃（2016－2025年）》提出了二期規(guī)劃的總目標(biāo)，其中充分利用空間技術(shù)，提高森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測能力、健全全國森林火險分級預(yù)警模式和預(yù)警模型、提高預(yù)警時效和精度、提高衛(wèi)星監(jiān)測林火時效性和識別能力；重點區(qū)域火情瞭望覆蓋率近期達到85%，規(guī)劃期末達到95%以上等建設(shè)工作是主要的目標(biāo)。為全面落實提升我國森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測能力的目標(biāo)，需要將多源遙感監(jiān)測技術(shù)和多平臺監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合。應(yīng)用多源衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)，可以顯著提高衛(wèi)星監(jiān)測森林火災(zāi)的時效性和識別能力。我國每年接收處理風(fēng)云三號、EOS－MODIS、NOAA等氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可以在全國范圍內(nèi)實時監(jiān)測森林火災(zāi)，特別在我國高分系列衛(wèi)星成功發(fā)射并投入使用，尤其是高分四號搭載的衛(wèi)星傳感器具有分鐘級對地觀測能力，可實現(xiàn)對森林火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的實時快速成像；同時利用高分一號、高分二號、高分六號、Landsat－8等極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)提高森林火災(zāi)監(jiān)測的識別精度，共同為服務(wù)全國森林防火監(jiān)測提供可靠的技術(shù)和資料保障[4]。同時，還需要將不同空間平臺的監(jiān)測技術(shù)相結(jié)合，包括衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)、航空監(jiān)測技術(shù)（飛機、小型無人機等）和地面監(jiān)測技術(shù)（視頻監(jiān)控、人工巡護等），構(gòu)建天－空－地一體化森林火災(zāi)監(jiān)測體系，提高我國森林火災(zāi)的預(yù)警監(jiān)測能力。隨著我國高分系列衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射，高分一號 02/03/04星可以與其他衛(wèi)星進行組網(wǎng)觀測，憑借其高空間分辨率、大覆蓋范圍和高時間分辨率的優(yōu)勢，在時間和空間上為我國森林火災(zāi)監(jiān)測提供有效的數(shù)據(jù)支持，指導(dǎo)我國森林防火的工作，為我國森林防火應(yīng)急監(jiān)測提供更好的應(yīng)用服務(wù)。