MODIS數(shù)據(jù)在森林火點(diǎn)識(shí)別中的應(yīng)用研究

段衛(wèi)虎等

摘要以昆明市安寧縣和玉溪市易門(mén)縣為研究區(qū)，選用MODIS數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，ARCGIS和ENVI軟件作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，采用絕對(duì)亮溫、相對(duì)亮溫和植被指數(shù)3個(gè)因子作為林火判斷條件，提高林火判別的精度，為森林火災(zāi)的早期探測(cè)與發(fā)現(xiàn)、火災(zāi)撲救和損失評(píng)估業(yè)務(wù)在云南省的運(yùn)用奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞MODIS；森林火災(zāi) ；亮溫；NDVI

中圖分類號(hào)S762.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）28-09800-04

Study on Application of MODIS Data in Forest Fire Recognition

DUAN Weihu， HUANG Cheng， WANG Hao， ZHOU Ruliang*

（Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224）

AbstractTaking Anning County of Kunming City， Yimen County of Yuxi City as study area， selecting MODIS data as source， ARCGIS and ENVI as data processing platform， 3 factors including absolute light temperature， relative light temperature and vegetation index were determined as conditions for forest fire detection. The method can improve the accuracy of identification of forest fires， lay the foundation for early detection and discovery of forest fires， fire fighting and damage assessment services in Yunnan Province.

Key wordsMODIS； Forest fire； Light temperature； NDVI

20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，受高溫、干旱等因素的影響，世界各國(guó)范圍內(nèi)森林火災(zāi)更為頻繁[1]。

目前，MODIS（中分辨率成像光譜儀），衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在可見(jiàn)光波段上的分辨率已經(jīng)達(dá)到250 m，在近紅外波段上的分辨率已達(dá)500 m，火災(zāi)監(jiān)測(cè)的遙感數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率已經(jīng)提高為1～2 h/次，在日新月異的遙感與GIS的技術(shù)水平下，挖掘遙感數(shù)據(jù)的潛在信息，充分利用GIS數(shù)據(jù)及空間分析功能，能進(jìn)一步解決新的林火監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的難題。

西南林區(qū)熱點(diǎn)多，熱點(diǎn)處理工作量大。在2003年全國(guó)森林防火工作會(huì)議上，國(guó)家林業(yè)局曾要求“有條件的重點(diǎn)森林防火省區(qū)要逐步建設(shè)省級(jí)衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)”，研發(fā)基于GIS的衛(wèi)星熱點(diǎn)分析處理業(yè)務(wù)平臺(tái)，可推動(dòng)衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)在重點(diǎn)省區(qū)建設(shè)和發(fā)展[2]。筆者采用MODIS遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行云南地區(qū)林火識(shí)別研究，為MODIS數(shù)據(jù)在林火監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中的廣泛應(yīng)用提供理論支撐。

1數(shù)據(jù)源

MODIS是當(dāng)前世界上新一代“圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器，共有490個(gè)探測(cè)器，36個(gè)光譜波段，從0.4～14.4 μm全光譜覆蓋。 36個(gè)離散光譜波段，有2個(gè)波段分辨率是250 m，5個(gè)波段分辨率是500 m，其余29個(gè)波段分辨率是1 000 m。對(duì)于接收MODIS數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，每次最少可以得到4次（2次白天和2次黑夜），更新數(shù)據(jù)。這樣的數(shù)據(jù)更新頻率對(duì)實(shí)時(shí)地球觀測(cè)和應(yīng)急處理有較高的應(yīng)用價(jià)值[3]。

該研究以2012年3月19日云南省昆明市安寧縣和玉溪市易門(mén)縣的MODIS 1B數(shù)據(jù)為源數(shù)據(jù)。同時(shí)，收集云南省行政區(qū)劃圖。

2識(shí)別原理

普朗克定律是德國(guó)物理學(xué)家普朗克于1990年所創(chuàng)造的。該定律被公認(rèn)為物體間熱力傳導(dǎo)的基本法則。普朗克定律給出了黑體輻射的具體定量化分布，在一定的溫度下，單位面積、單位立體角和單位波長(zhǎng)間隔輻射出的能量為

Mλ（λ，T）=2πhc2λ5·1ehc/λkT-1Ⅰ

公式中 c—光速，值為3×108（m/s）；

h—普朗克常數(shù)，值為6.626×10-34J·s；

K—玻爾茲曼常數(shù)，值為1.38×10-23 J/K；

λ—波長(zhǎng)（m）；

M—為輻射出射度[W/（m2·K4）][4]。

利用普朗克公式還可以導(dǎo)出維恩位移公式，即黑體輻射光譜中輻射強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)λmax與黑體絕對(duì)溫度T成反比，其公式為：

λmax·T = bⅡ

T—黑體的溫度（K）；

λmax—黑體在T溫度下，輻射峰對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)（μm）；

b—為常數(shù)，值為2.898×10-3m·K[4]。

由維恩位移公式可知，黑體溫度越高，輻射峰值的波長(zhǎng)越小。溫度大約在300 K時(shí)，地表輻射的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在9.66 μm左右，這時(shí)地球上主要是紅外的熱輻射；當(dāng)物體的溫度上升到500 K時(shí)，物體輻射的峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)在5.80 μm左右。

MODIS的火災(zāi)檢測(cè)算法主要是基于中、遠(yuǎn)紅外通道光譜特性。當(dāng)MODIS的4 μm通道的飽和溫度為500 K時(shí)，等效噪聲溫度為0.3 K。這個(gè)通道不受水蒸氣吸收的影響，其他氣體對(duì)它的影響也很微弱；當(dāng)MODIS的11 μm通道達(dá)到400 K的飽和溫度時(shí)，等效噪聲溫度為0.1 K。因此，一般采用這2個(gè)通道作為火災(zāi)監(jiān)測(cè)的通道。在夜間還可以用分辨率為250 m的0.86 μm通道的數(shù)據(jù)，以及分辨率為500 m的2.13 μm和1.65 μm 2個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行火災(zāi)的監(jiān)測(cè)[5]。

3數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1幾何校正

將該研究主要用到的MODIS 1B數(shù)據(jù)加載ENVI 5.0軟件中，首先，利用ENVI自帶的Georeference MODIS模塊對(duì)1，2，6，7，21，22，31波段進(jìn)行幾何糾正，包括將影像轉(zhuǎn)換到經(jīng)緯度坐標(biāo)，并且對(duì)影像的“雙眼皮效應(yīng)”通過(guò)Perform Bow Tie Correction進(jìn)行消除處理 [6-8]。

3.2MODIS影像的定標(biāo)和亮溫轉(zhuǎn)換

按定標(biāo)公式Ⅲ，對(duì)可見(jiàn)光波段7、2、1進(jìn)行反射率定標(biāo)（圖1）；按公式Ⅳ對(duì)紅外波段21、22、31進(jìn)行輻射率定標(biāo)，然后按普朗克公式將熱紅外波段的輻射率轉(zhuǎn)換為亮度溫度（公式Ⅰ）[9]。

R = reflectance_scales*（ SI-reflectance_offsets）Ⅲ

式中：reflectance_scales為縮放系數(shù)，reflectance_offsets為偏移量。這2個(gè)參數(shù)僅與波段有關(guān)，可以從MODIS 1B數(shù)據(jù)集中獲取。SI為圖像像元的有效計(jì)數(shù)值，R為定標(biāo)后的反射率。

L= radiance_scales*（ SI -radiance_offsets）Ⅳ

式中：radiance_scales為縮放系數(shù)，radiance _offsets為偏移量。這2個(gè)參數(shù)僅與波段有關(guān)，可以從MODIS 1B數(shù)據(jù)集中獲取。SI為圖像像元的有效計(jì)數(shù)值，L為定標(biāo)后的輻射率。

將定標(biāo)后的可見(jiàn)光7、2、1波段RGB合成顯示，可以更加清晰地發(fā)現(xiàn)林火熱點(diǎn)特征（圖1）。

圖17、2、1波段RGB合成顯示

3.3云檢測(cè)

根據(jù)MODIS不同波段對(duì)云的敏感特性以及各通道的波譜特性，結(jié)合大氣窗口和云的輻射傳輸特點(diǎn)，確定云檢測(cè)算法。如果厚云在0.66 μm通道的反射率大于0.2，那么就認(rèn)為不會(huì)有火點(diǎn)信號(hào)穿過(guò)這些云，同時(shí)將掃描角限制在45°之內(nèi)。由以上條件建立云檢測(cè)掩膜，濾除非火點(diǎn)區(qū)域[9]。

3.4大氣訂正

應(yīng)用T4和T11的組合來(lái)訂正氣體的吸收，小云塊會(huì)減少11 μm通道火點(diǎn)的溫度，且會(huì)影響這一通道的水汽訂正。

4火點(diǎn)識(shí)別

4.1火點(diǎn)提取的背景信息

建立監(jiān)測(cè)火點(diǎn)與周圍像素的溫度間的定量關(guān)系。火點(diǎn)像元的周圍像素用于背景溫度估算。此火點(diǎn)識(shí)別方法是建立在火點(diǎn)像素背景溫度與周圍像素的溫度間的相關(guān)性隨著像元間的距離增大而減小的假設(shè)上。