衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的應(yīng)用探討

林惠鴻

（廣西南寧林業(yè)勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

人類對(duì)森林的干擾頻繁，在干旱條件下容易引發(fā)森林火災(zāi)，對(duì)社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命安全構(gòu)成巨大威脅[1]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，生態(tài)環(huán)境建設(shè)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位越來(lái)越重要，森林作為城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要組成部分正在迅速發(fā)展。作為一個(gè)大城市，森林資源豐富，森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高。森林防火工作需要全面加強(qiáng)。基于以上原因，本研究分析了森林火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)特征和防范體系建設(shè)，為森林火災(zāi)防控提供科學(xué)依據(jù)。

1 遙感測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用范圍

隨著遙感測(cè)繪技術(shù)的成熟，越來(lái)越多的行業(yè)將其投入實(shí)際生產(chǎn)工作中，借用先進(jìn)的技術(shù)手段有效提高工作效率和質(zhì)量，同時(shí)也在一定程度上降低了成本。目前，遙感測(cè)繪技術(shù)主要應(yīng)用于以下領(lǐng)域。

1.1 收集圖像信息

遙感技術(shù)可以應(yīng)用于施工圖的繪制。在進(jìn)行野外遙感測(cè)繪工作之前，相關(guān)工作人員需要結(jié)合工程要求、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、外部環(huán)境因素和天氣因素等諸多條件，對(duì)遙感測(cè)繪工作路線、飛行參數(shù)等指標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，并進(jìn)行一定的試飛，將指標(biāo)調(diào)整到合適的狀態(tài)。當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，盡管設(shè)備本身配備了有效的控制系統(tǒng)，但仍需要相關(guān)工作人員對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控，以確保衛(wèi)星的正常運(yùn)行。在森林火災(zāi)工作中，遙感技術(shù)可以為測(cè)繪區(qū)域中識(shí)別的地面對(duì)象生成矢量數(shù)據(jù)，以確保位置信息的準(zhǔn)確性[2]。此外，遙感測(cè)繪技術(shù)還可以生成3D 模型。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)用于直接計(jì)算和處理輸入數(shù)據(jù)，并高精度地導(dǎo)出三維模型，為工程領(lǐng)域的后續(xù)工作步驟提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1.2 低空作業(yè)

衛(wèi)星技術(shù)在低空作戰(zhàn)中的應(yīng)用，主要是由于某些地區(qū)的自然環(huán)境復(fù)雜，人類難以到達(dá)，或者通過(guò)人工手段完成任務(wù)的高風(fēng)險(xiǎn)因素。此外，由于一些山區(qū)的空氣流動(dòng)性強(qiáng)，高空作業(yè)會(huì)降低衛(wèi)星工作的穩(wěn)定性，密集的云層不利于衛(wèi)星的高空數(shù)據(jù)采集。在這些情況下，衛(wèi)星可用于執(zhí)行低空作戰(zhàn)。通過(guò)設(shè)置參數(shù)和飛行路線，衛(wèi)星可以以更放松的姿態(tài)在安全的環(huán)境中更好地完成任務(wù)。

2 森林火災(zāi)要素風(fēng)險(xiǎn)分析

森林火災(zāi)的3 個(gè)要素是火源、可燃物和氣象環(huán)境。森林火災(zāi)的成因比較復(fù)雜，主要涉及自然和社會(huì)因素，相關(guān)因素直接或間接影響火災(zāi)的3 個(gè)要素引發(fā)火災(zāi)[3]。

2.1 可燃風(fēng)險(xiǎn)分析

可燃物質(zhì)是森林生態(tài)系統(tǒng)的基本組成部分，是森林火災(zāi)發(fā)生和燃燒的物質(zhì)基礎(chǔ)。與一般森林資源相比，城市森林可燃物較少。主要有兩個(gè)原因：城市的森林資源是人工造林，發(fā)展較晚，林區(qū)可燃物較少。這是因?yàn)槌鞘械纳仲Y源稀缺，林業(yè)基礎(chǔ)薄弱。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，市政府投入大量資金，推進(jìn)大型公園、市級(jí)重點(diǎn)生態(tài)公益林項(xiàng)目和經(jīng)濟(jì)果林建設(shè)，林業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期。因此，城市的森林資源主要集中在中幼林，森林總蓄積量仍處于較低水平，可燃物總量不高。然而，近年來(lái)，隨著林業(yè)的快速發(fā)展和城市林業(yè)自然管理的逐步實(shí)施，森林燃料的積累逐漸增加，由此產(chǎn)生的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)也逐漸增加。

2.2 氣象環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

氣象環(huán)境是森林火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的環(huán)境條件。有許多氣象要素與森林火災(zāi)的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)，包括溫度、風(fēng)、濕度、降水和各種天氣現(xiàn)象。其中，風(fēng)速是誘發(fā)森林火災(zāi)的關(guān)鍵因素，也是導(dǎo)致森林火災(zāi)蔓延的重要?dú)庀笠蛩?。根?jù)相關(guān)研究，城市發(fā)展和建設(shè)的強(qiáng)度對(duì)氣候有重大影響。就城市空間變化而言，濕度和風(fēng)速通常表現(xiàn)為從市中心區(qū)域向周圍區(qū)域增加[4]?；谏鲜龇治?，與其他地區(qū)相比，森林火災(zāi)及其蔓延的風(fēng)險(xiǎn)較低。

2.3 火源風(fēng)險(xiǎn)分析

火源是森林火災(zāi)發(fā)生的關(guān)鍵因素。在可燃物和氣象環(huán)境條件下，一個(gè)小的點(diǎn)火源會(huì)引發(fā)火災(zāi)。森林的特點(diǎn)是資源斑塊零碎，人與森林的聯(lián)系緊密。由于森林城市化程度高，人口、企業(yè)和經(jīng)濟(jì)高度發(fā)達(dá)和集中，森林資源可及性高，人們?cè)谏謨?nèi)或附近活動(dòng)高度密集，吸煙、垃圾焚燒、電線和住宅火災(zāi)等人類生產(chǎn)活動(dòng)頻繁。森林受到的威脅越來(lái)越嚴(yán)重，已成為森林火災(zāi)的主要風(fēng)險(xiǎn)。

3 實(shí)時(shí)火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警

森林火災(zāi)發(fā)生后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析火災(zāi)動(dòng)態(tài)，有利于縮短響應(yīng)時(shí)間，及時(shí)有效地開展撲救和控制火勢(shì)蔓延，減少森林火災(zāi)造成的損失。衛(wèi)星遙感技術(shù)彌補(bǔ)了地面巡邏、望塔等傳統(tǒng)方法的不足，提高了森林火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的效率。熱異常是森林火災(zāi)發(fā)生和燃燒監(jiān)測(cè)的典型特征。遙感衛(wèi)星搭載的熱紅外傳感器對(duì)地表熱異常非常敏感，可以根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)所代表的熱異常信息，監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的發(fā)生和燃燒狀態(tài)，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)和撲滅森林火災(zāi)提供數(shù)據(jù)支持。目前，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的研究主要集中在火災(zāi)探測(cè)和燃燒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面。

3.1 火點(diǎn)檢測(cè)

根據(jù)維恩位移定律，輻射能量隨黑體溫度的升高而增加，最大輻射值向短波方向移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，森林火災(zāi)輻射的峰值波長(zhǎng)約為3.7μm，而表面溫度變化在11μm 左右更為明顯。因此，配備中紅外波段（波長(zhǎng)3～5μm）和遠(yuǎn)紅外波段（波段10～13μm）傳感器的遙感衛(wèi)星可用于森林火災(zāi)探測(cè)?；谛l(wèi)星遙感光譜特征構(gòu)建點(diǎn)火檢測(cè)算法是點(diǎn)火檢測(cè)的主要方法。根據(jù)檢測(cè)特性的不同，分為亮度-溫度特性檢測(cè)方法和反射特性檢測(cè)方法。亮度溫度特性檢測(cè)方法基于中紅外和遠(yuǎn)紅外波段中燃燒像素和非燃燒像素之間的亮度溫度差，并結(jié)合它們?cè)诳梢?jiàn)光和近紅外波段中的反射特性來(lái)確定燃點(diǎn)，適用于MODIS、Himawari-8 和其他中紅外和遠(yuǎn)紅外波段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。反射特性檢測(cè)方法主要基于短波紅外中燃燒像素和非燃燒像素之間的反射率差，并結(jié)合可見(jiàn)光和近紅外波段之間的反射率差異，適用于LandsatTM/ETM+、LandsatOLI/TIRS 等具有短波紅外波段數(shù)據(jù)的衛(wèi)星。基于近紅外和短波紅外波段中高溫燃點(diǎn)的光譜特征，利用Landsat8 數(shù)據(jù)，結(jié)合改進(jìn)的歸一化燃燒指數(shù)和短波紅外高溫燃點(diǎn)峰值關(guān)系。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)算法相比，亮度-溫度檢測(cè)方法在火災(zāi)提取精度上有很大提高。

3.2 燃燒動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

森林火災(zāi)的發(fā)生和蔓延具有很強(qiáng)的時(shí)效性，受氣象、地形等因素的影響，很難判斷火災(zāi)的發(fā)展。遙感衛(wèi)星搭載的傳感器對(duì)地表熱環(huán)境非常敏感，能夠快速捕捉森林火災(zāi)燃燒的動(dòng)態(tài)變化，有助于在短時(shí)間內(nèi)確定森林火災(zāi)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。一方面，利用衛(wèi)星圖像提取火線輪廓及其具體參數(shù)，以達(dá)到監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)燃燒動(dòng)態(tài)的目的。在低空間分辨率的熱紅外通道中，森林火災(zāi)只表現(xiàn)出點(diǎn)的特征，而在中高空間分辨率的衛(wèi)星圖像中，火線的特征很好。另一方面，利用數(shù)學(xué)方法和遙感數(shù)據(jù)，根據(jù)森林火災(zāi)蔓延形式，結(jié)合氣象、地形、可燃物等影響因素，選擇合適的森林火災(zāi)蔓延模型。地表火災(zāi)描述了可燃物質(zhì)在森林表面的燃燒，約占所有森林火災(zāi)的94%。因此，地面火災(zāi)蔓延模型是研究最廣泛的模型。地表火蔓延模型有多種類型，包括基于能量守恒定律的物理機(jī)制模型Rothermel 模型，以及由多點(diǎn)燃燒試驗(yàn)得出的半機(jī)制和半統(tǒng)計(jì)模型，如澳大利亞的McArthur 模型、加拿大的森林火蔓延模型和王正飛模型。然而，每種模型在參數(shù)和適用可燃物的選擇上都有局限性，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要適當(dāng)調(diào)整參數(shù)。中國(guó)學(xué)者主要改進(jìn)了Rothermel 模型和王正非模型，并將其應(yīng)用于中國(guó)森林火災(zāi)蔓延的研究。通過(guò)比較傳統(tǒng)的Rothermel 模型、具有重新估計(jì)參數(shù)的Rothermal 模型和自建的Rothermel 模型，結(jié)果表明，重新估計(jì)參數(shù)的Rothermel模型和自建Rothermel 模型的預(yù)測(cè)精度與Rothermell模型相似，但自建Rothermel 模型可能更簡(jiǎn)單、更易于使用，并且可以預(yù)測(cè)地面無(wú)風(fēng)條件下可燃性地表火災(zāi)的蔓延速度。

4 衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

4.1 定點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)

工業(yè)化程度高，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，基礎(chǔ)設(shè)施完善，可以利用現(xiàn)有的氣象、廣播電視、塔臺(tái)公司和其他基礎(chǔ)設(shè)施，如林區(qū)和周邊地區(qū)的塔臺(tái)，建設(shè)高密度視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)視頻監(jiān)控和AI 分析相結(jié)合，可以對(duì)森林資源進(jìn)行全覆蓋監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)有效的自動(dòng)檢測(cè)和預(yù)警。為了對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能等動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)和研究，建設(shè)了12 個(gè)長(zhǎng)期定位觀測(cè)站（點(diǎn)）。森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)站（點(diǎn)）可用于設(shè)置視頻監(jiān)控，通過(guò)AI 分析技術(shù)自動(dòng)開展重點(diǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警、森林資源和重要源頭點(diǎn)的智能識(shí)別，及時(shí)收集預(yù)警信息。

4.2 機(jī)載預(yù)警和監(jiān)測(cè)

通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)，高分辨率衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因素、火源因素和可燃因素的監(jiān)測(cè)和預(yù)警，并結(jié)合數(shù)學(xué)建模、大數(shù)據(jù)技術(shù)、氣象數(shù)據(jù)、地表植被、森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)、森林火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)預(yù)測(cè)、歷史火災(zāi)信息和其他地表參數(shù)數(shù)據(jù)。森林火災(zāi)現(xiàn)象可以通過(guò)疊加樹種結(jié)構(gòu)、地形、森林自然性、地表可燃水含量等因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)小規(guī)模森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)。已建成大數(shù)據(jù)中心，可以有效收集、傳輸和處理數(shù)據(jù)。可以在大數(shù)據(jù)平臺(tái)的基礎(chǔ)上構(gòu)建森林防火子系統(tǒng)，通過(guò)空中和空中監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)傳輸，引入熱紅外、近紅外和高分辨率遙感等森林監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)合氣象衛(wèi)星的大規(guī)模遙感數(shù)據(jù)，可以對(duì)森林資源、火源和人員活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的宏觀和微觀綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警。

4.3 地面機(jī)動(dòng)巡邏

森林資源主要由各級(jí)造林、生態(tài)廊道造林、水土保持公益林等組成，在造林作業(yè)的同時(shí)，分別配備管護(hù)隊(duì)伍。因此，通過(guò)向森林和造林巡邏隊(duì)分配防火巡邏和監(jiān)測(cè)職責(zé)，可以建立一支科學(xué)合理的地面巡邏隊(duì)。通過(guò)科學(xué)設(shè)置固定巡邏路線、臨時(shí)巡邏路線和時(shí)鐘點(diǎn)，結(jié)合手持監(jiān)控設(shè)備和移動(dòng)APP，科學(xué)分配護(hù)林巡邏任務(wù)，開展森林防火系統(tǒng)巡邏，將防火巡查責(zé)任落實(shí)到具體管護(hù)區(qū)域和管護(hù)人員，加強(qiáng)對(duì)森林火災(zāi)高發(fā)期和高發(fā)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，做好疑似火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)、早期救援。

4.4 衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用建議

衛(wèi)星遙感為森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持，在森林火災(zāi)預(yù)測(cè)、撲救和災(zāi)后評(píng)估中發(fā)揮著重要作用。中國(guó)學(xué)者對(duì)利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的研究越來(lái)越深入。結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)、航空遙感技術(shù)以及地面和近地面監(jiān)測(cè)技術(shù)，在森林火災(zāi)發(fā)生之前、期間和之后的3 個(gè)階段進(jìn)行了大量的研究和探索。然而，衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用仍存在一些問(wèn)題。用于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)量在增加，但很少有衛(wèi)星能夠同時(shí)集成高時(shí)間分辨率、高空間分辨率和高光譜；衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法多種多樣，但每種方法的數(shù)據(jù)處理質(zhì)量難以衡量；地形、植被和氣象因素對(duì)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的影響仍然很大[5]。因此，針對(duì)目前衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的不足，對(duì)其未來(lái)在森林火災(zāi)監(jiān)控中的研究提出以下建議。

（1）提高遙感衛(wèi)星的時(shí)空分辨率。增加用于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的高分辨率氣象衛(wèi)星數(shù)量，增加高分辨率衛(wèi)星在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用和研究，豐富火災(zāi)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，計(jì)算各種植被指數(shù)和模型參數(shù)，為準(zhǔn)確快速預(yù)測(cè)森林火災(zāi)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，分析和戰(zhàn)斗。

（2）結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能和遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)。將人工智能和衛(wèi)星遙感技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)一種新的監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，可以分擔(dān)人工壓力。深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)結(jié)合衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)已經(jīng)開始發(fā)展，這也是未來(lái)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的一個(gè)新方向。

（3）建立成熟的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。林業(yè)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺乏海量遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計(jì)算資源的支持，高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在林業(yè)調(diào)查和監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用受到限制，這嚴(yán)重影響了應(yīng)用系統(tǒng)的規(guī)范運(yùn)行。因此，盡快建立一套完整的森林火災(zāi)衛(wèi)星遙感評(píng)價(jià)體系，對(duì)今后森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)和研究具有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，衛(wèi)星遙感測(cè)繪技術(shù)在森林火災(zāi)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛和成熟，是當(dāng)下森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警工作中的首選技術(shù)手段之一，因其具有高效率、高準(zhǔn)確度及成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在森林火災(zāi)領(lǐng)域廣受好評(píng)。但同時(shí)，衛(wèi)星遙感測(cè)繪技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些亟待解決的問(wèn)題，還需要相關(guān)工作單位加大研究力度，充分挖掘衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，解決當(dāng)前暴露出的應(yīng)用問(wèn)題，讓衛(wèi)星遙感測(cè)繪技術(shù)在今后為森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中提供更多的幫助。