遙感技術(shù)在火情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

楊園園

摘 要：隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)逐漸向遠(yuǎn)距離、智能化、信息化方向發(fā)展。本文主要介紹了遙感技術(shù)在林火預(yù)報(bào)預(yù)警、林火識(shí)別、林火行為特征監(jiān)測(cè)及森林火災(zāi)災(zāi)后評(píng)估四個(gè)方面的應(yīng)用，指出了當(dāng)前衛(wèi)星監(jiān)測(cè)林火中存在的問題，并對(duì)今后火情監(jiān)測(cè)方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：遙感技術(shù);林火預(yù)報(bào);火點(diǎn)識(shí)別

中圖分類號(hào)：P237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）28-0040-02

Application of Remote Sensing Technology in Fire Monitoring

YANG Yuanyuan

（School of Earth Science and Resources， Chang'an Universit，Xi'an Shaanxi 710054）

Abstract： With the rapid development of remote sensing technology， satellite monitoring of forest fires has gradually developed toward long distance， intelligence， and information. This paper mainly introduced the application of remote sensing technology in the four aspects of forest fire forecasting， forest fire identification， forest fire behavior characteristic monitoring and forest fire post-disaster assessment， pointed out the problems in the current satellite monitoring forest fire， and the future fire monitoring was prospected.

Keywords： remote sensing technology;forest fire prediction;fire point identification

1 研究背景

森林火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、危險(xiǎn)性高，是全球發(fā)生最頻繁、處置最困難、危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，是生態(tài)文明建設(shè)成果和森林資源安全的最大威脅，甚至引發(fā)生態(tài)災(zāi)難和社會(huì)危機(jī)。而我國總體上是一個(gè)缺林少綠、生態(tài)脆弱的國家，是一個(gè)受氣候影響顯著、森林火災(zāi)多發(fā)的國家。目前，我國已形成了地面巡護(hù)、近地面監(jiān)測(cè)、航空巡護(hù)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)4級(jí)立體林火監(jiān)測(cè)層次，但森林火災(zāi)仍是造成中國森林資源損失、森林生態(tài)環(huán)境安全和人身傷害的主要林業(yè)災(zāi)害[1]。

傳統(tǒng)的地面瞭望和航空護(hù)林，不但費(fèi)用高，工作繁雜，不能全方位、全天時(shí)、全天候進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且存在很多盲區(qū)，而利用當(dāng)前快速發(fā)展的衛(wèi)星遙感技術(shù)可以克服這些不足。遙感技術(shù)自20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用以來，因具有宏觀性、綜合性、可重復(fù)性和成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，已成為全國火情日常業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)的一種重要技術(shù)手段。

2 遙感技術(shù)在火情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

遙感技術(shù)在森林防火中主要應(yīng)用于林火預(yù)報(bào)預(yù)警、林火識(shí)別、林火行為特征監(jiān)測(cè)和災(zāi)后的評(píng)估。

2.1 在林火預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用

森林火災(zāi)的發(fā)生往往具有隨機(jī)性與突發(fā)性特點(diǎn)，但同時(shí)還有一定的規(guī)律性，當(dāng)滿足一定的天氣、森林植被和地形地理等多個(gè)條件時(shí)，森林火災(zāi)才會(huì)發(fā)生。林火預(yù)報(bào)預(yù)警通過對(duì)天氣變化、可燃物含水率變化、可燃物類型以及火源出現(xiàn)的危險(xiǎn)等因子進(jìn)行綜合考慮，對(duì)火災(zāi)發(fā)生的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。目前綜合法是林火預(yù)測(cè)中使用最多的方法。利用該方法時(shí)，通常要收集與火災(zāi)發(fā)生有關(guān)的各種因素的相關(guān)數(shù)據(jù)，如氣象因素、可燃物狀態(tài)因素、地形因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素、人為因素、歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)及一些基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等。然后，對(duì)這些因子構(gòu)建相應(yīng)的指數(shù)來評(píng)價(jià)火災(zāi)發(fā)生的概率，或利用統(tǒng)計(jì)分析、人工智能的方法進(jìn)行火險(xiǎn)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。在這一過程中，遙感數(shù)據(jù)主要用來反演或獲得模型中所需的相關(guān)因子，如可燃物的含水率、植被長(zhǎng)勢(shì)、植被類型等。例如，郭廣猛等使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法從MODIS熱紅外波段獲取了地表溫度（LST），使用MODIS短波紅外波段來估算可燃物含水率（FMC），使用MODIS短波紅外波段和近紅外波段的組合來計(jì)算植被指數(shù)（VI），最后將以上三個(gè)變量組合構(gòu)建了一種新的火險(xiǎn)指數(shù)（Fire Danger Index，F(xiàn)DI）來進(jìn)行火險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[2]。FDI使用的是從遙感數(shù)據(jù)獲取的地表溫度、可燃物濕度和植被指數(shù)來評(píng)價(jià)火險(xiǎn)，沒有使用氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。在林火預(yù)測(cè)中，可燃物含水率是森林火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的重要因子，其直接影響著火的難易程度，間接影響林火強(qiáng)度及林火蔓延速度。因此，對(duì)可燃物含水率的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是做好森林火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)和火行為預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。

2.2 在林火識(shí)別中的應(yīng)用

由遙感探火的原理可知，高溫火點(diǎn)的輻射能在傳感器的中紅外通道被強(qiáng)吸收，由此來識(shí)別火點(diǎn)和非火點(diǎn)[3]。由黑體輻射和斯蒂芬玻爾茲曼定律可知，林火、地表火等高溫?zé)嵩茨繕?biāo)會(huì)引起輻射地急劇變化，這種變化將十分有利于高溫?zé)嵩吹淖R(shí)別。應(yīng)用遙感技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火點(diǎn)的出現(xiàn)，監(jiān)測(cè)中心的工作人員結(jié)合信息下發(fā)正確指令，可將火源及時(shí)撲滅，減小經(jīng)濟(jì)損失。當(dāng)前用于火點(diǎn)識(shí)別的衛(wèi)星遙感平臺(tái)主要有兩類，即同步衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星。其中，同步衛(wèi)星具有實(shí)時(shí)性、探測(cè)位置穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時(shí)連續(xù)地對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并獲取火場(chǎng)的信息。這對(duì)于提早發(fā)現(xiàn)火情、及時(shí)撲救森林火災(zāi)、減輕災(zāi)害具有十分深遠(yuǎn)的意義。當(dāng)前，世界上最先進(jìn)的地球同步靜止氣象衛(wèi)星時(shí)間分辨率達(dá)10 min，可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率的火點(diǎn)密集監(jiān)測(cè)。但目前的火點(diǎn)探測(cè)算法大部分只是獨(dú)立地利用極軌衛(wèi)星的空間信息或同步衛(wèi)星的時(shí)間信息，未綜合利用這兩種信息。

2.3 在林火行為特征監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

林火行為特征是指森林可燃物從起火開始，發(fā)展、蔓延、減弱到熄滅的整個(gè)過程中表現(xiàn)出來的特征。林火行為特征是進(jìn)行及時(shí)有效的林火預(yù)防和撲救的重要技術(shù)參考，其中蔓延對(duì)林火預(yù)防和撲救的意義最大。美國的Rothermel模型、加拿大的國家林火蔓延模型、澳大利亞的McArthur模型是當(dāng)前較為主流的地表火模型[4]，此外我國的王正非模型也是其中之一。遙感技術(shù)可以直接從地面獲取信息，并提供獨(dú)特的、具有低成本效益的信息來源，其可以在空間和時(shí)間上實(shí)現(xiàn)對(duì)林火行為非常直觀的監(jiān)測(cè)。目前，MODIS全球野火火點(diǎn)產(chǎn)品（MCD14ML）和野火火燒跡地（MCD64A1和 MCD45A1）產(chǎn)品已被廣泛用于提取林火火蔓延速率。隨著地球同步靜止軌道衛(wèi)星的快速發(fā)展，此類數(shù)據(jù)產(chǎn)品在空間分辨率與時(shí)間分辨率上都有較大的改善，使得提取近實(shí)時(shí)野火蔓延速率成為可能。但近年來，林火蔓延預(yù)報(bào)仍然存在許多問題，最突出的問題是預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際情況的誤差在許多情況下仍然較大。

2.4 在森林火災(zāi)災(zāi)后評(píng)估的應(yīng)用

利用傳統(tǒng)的地面人工調(diào)查方式進(jìn)行林火災(zāi)后評(píng)估，雖然可以精確地測(cè)量燃燒過火面積，但需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力，并且局限于區(qū)域尺度范圍，也無法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的多光譜、多時(shí)相、大尺度等特點(diǎn)，為露天生物質(zhì)燃燒提供了更為方便、及時(shí)的監(jiān)測(cè)手段，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地面測(cè)量方式的不足。遙感技術(shù)根據(jù)地面目標(biāo)對(duì)象在光譜波段內(nèi)引起的異常與周圍地物或先前狀態(tài)的明顯反差來構(gòu)建算法模型。很多研究表明，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行火區(qū)識(shí)別和火災(zāi)損失評(píng)估是一種非常有效的方法，可以實(shí)現(xiàn)火區(qū)面積統(tǒng)計(jì)，表征地面燃燒的真實(shí)面積，準(zhǔn)確提取火災(zāi)區(qū)域。同時(shí)，利用遙感技術(shù)還可以對(duì)災(zāi)后林火烈度進(jìn)行評(píng)價(jià)，監(jiān)測(cè)植被恢復(fù)，估算氣溶膠與痕量氣體。

3 當(dāng)前存在的問題及展望

森林防火是一項(xiàng)綜合性協(xié)同業(yè)務(wù)，匯聚了來自不同行業(yè)、不同部門、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，如何將這些具有不同功能和層次的數(shù)據(jù)統(tǒng)一在一起，有效整合多源異構(gòu)的海量森林防火數(shù)據(jù)[5]，實(shí)現(xiàn)信息資源的無縫集成共享，滿足森林防火工作統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)同作戰(zhàn)的需求是目前面臨的主要問題。當(dāng)前，我國學(xué)者已經(jīng)在林火監(jiān)測(cè)中取得了一定的成果，但研究成果與實(shí)際應(yīng)用還有一定的差距，研究成果有待進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，以解決當(dāng)前林火日常監(jiān)測(cè)主要采用人工目視的方式的問題，實(shí)現(xiàn)遙感火情監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)化。

衛(wèi)星遙感技術(shù)在林火監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著重要的作用，隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展，今后構(gòu)建天、空、地一體化的林火預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)體系是主要的目標(biāo)。同時(shí)，還要利用這些先進(jìn)技術(shù)提升林火衛(wèi)星遙感預(yù)警監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的性能，以生產(chǎn)具有高效、高精度的火情預(yù)報(bào)、火點(diǎn)識(shí)別等專題產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)森林防火的科學(xué)預(yù)防撲救。

參考文獻(xiàn)：

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