FY3/VIRR數(shù)據(jù)火情遙感監(jiān)測(cè)研究

呂明佳

摘要：本文從宏觀上論述了衛(wèi)星資料對(duì)火情監(jiān)測(cè)的重要作用。同時(shí)以黑龍江為例，比對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外利用衛(wèi)星資料的林火監(jiān)測(cè)模型，以VIRR數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行深入分析 。建立FY3/VIRR的火情遙感監(jiān)測(cè)模型，結(jié)合地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，快速掌握林火發(fā)生和發(fā)展的動(dòng)態(tài)，為林火發(fā)生時(shí)提供最佳方案，同時(shí)為估算林火災(zāi)情損失提供理論支持。

關(guān)鍵詞：火情； FY3/VIRR； 遙感監(jiān)測(cè)

引言

由于受氣候異常、高溫和干旱以及人類活動(dòng)的影響，尤其是環(huán)境破壞導(dǎo)致溫室效應(yīng)、臭氧空洞，使得近年來我國(guó)乃至全世界范圍內(nèi)森林火災(zāi)頻發(fā)，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境破壞，由于林火常常發(fā)生在地理分散，位置偏僻的地方，發(fā)生之初往往很難發(fā)現(xiàn)，如何及時(shí)快速的監(jiān)測(cè)其發(fā)生，對(duì)于救火隊(duì)員及時(shí)撲救具有重要意義，同時(shí)也可大大降低其產(chǎn)生的破壞和損失。 遙感以其時(shí)間分辨率高、覆蓋范圍廣、成本低而深受廣大科研人員和專業(yè)人員的青睞。

風(fēng)云三號(hào)（FY-3）衛(wèi)星是我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星，可以對(duì)全球天氣和環(huán)境實(shí)現(xiàn)全天候、三維、定量、多光譜遙感，為災(zāi)害和環(huán)境的遙感監(jiān)測(cè)提供了更為有效的手段。黑龍江作為我國(guó)的主要林區(qū)，對(duì)林火的監(jiān)測(cè)有著迫切的要求。本文正是利用現(xiàn)有的FY3遙感資料，對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，低成本，高效率，直觀準(zhǔn)確的對(duì)火情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)災(zāi)害發(fā)生后形成分析與評(píng)估。為防災(zāi)減災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù)，具有十分重要的意義。

1 VIRR 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

VIRR為可見光掃描輻射計(jì)，是我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星-FY-3所攜帶的探測(cè)儀器，掃描范圍±55.4o， 地面分辨率1.1km。主要用于云監(jiān)測(cè)全球云量、判識(shí)云的高度類型和相態(tài)、探測(cè)海洋表面溫度、監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)狀況和類型、監(jiān)測(cè)高溫火點(diǎn)、判識(shí)地表積雪覆蓋、探測(cè)海洋水色等領(lǐng)域。10個(gè)光譜通道，其中包括4個(gè)可見光通道、3個(gè)熱紅外通道、2個(gè)短波紅外和1個(gè)近紅外通道。

2 研究區(qū)域

黑龍江省是林業(yè)大省， 有林地面積為2007萬hm2， 森林覆蓋率為43.6%左右， 是我國(guó)主要的林業(yè)基地之一。森林是寶貴的經(jīng)濟(jì)資源， 也是構(gòu)成生態(tài)環(huán)境的重要因子。林火監(jiān)測(cè)在森林保護(hù)工作中占有重要地位。過去的森林火情監(jiān)測(cè)手段觀測(cè)范圍和頻次有限， 它們的作用就顯得單薄[1]。多年來，由于氣象條件多變和人類活動(dòng)影響，森林火災(zāi)時(shí)常發(fā)生，著名的87.5.6大火、2003年黑河大火、2005年呼瑪大火都使寶貴的林業(yè)資源付之一炬[2]。我國(guó)新一代的極軌氣象衛(wèi)星FY3上所攜帶的VIRR探測(cè)器能夠獲取地球探測(cè)環(huán)境的三維，全球，全天候，定量，高精度資料，并有多時(shí)次、大視野、費(fèi)用少和定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)， 使其在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用越來越廣泛， 特別是與新興的地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)相結(jié)合， 可為撲火工作提供及時(shí)、準(zhǔn)確的決策服務(wù)。

3 主要研究?jī)?nèi)容與方法

3.1火情監(jiān)測(cè)的理論依據(jù)

可見光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）的第 3，4，5 通道的波長(zhǎng)范圍分別在 3.55 -3.95μm，10.3-11.3μm，11.5-12.5μm，依據(jù)維恩位移定律：T*λmax =2897.8（K，μm），溫度 T 和輻射峰值波長(zhǎng) λ m成反比，即溫度越高，輻射峰值波長(zhǎng)越小。針對(duì)可見光掃描輻射計(jì)VIRR的3、4、5通道進(jìn)行分析，常溫（約 300K）地表輻射峰值波長(zhǎng)在通道 4的波長(zhǎng)范圍左右，林火燃燒溫度一般在 550K 以上，根據(jù)公式，其熱輻射峰值波長(zhǎng)靠近通道 3 的波長(zhǎng)范圍。圖 1 為利用普朗克公式計(jì)算的中紅外和遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍的黑體輻射率隨溫度的變化曲線。輻射率的增量在通道 3增長(zhǎng)高于通道 4，所以，用通道 3 數(shù)據(jù)進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)具有理論可行性。

3.2 遙感火點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法

3.2.1 目視判別方法

針對(duì)白天的遙感影像數(shù)據(jù)，對(duì)VIRR的3、2、1通道進(jìn)行彩色合成，分別賦予其為紅色、綠色和藍(lán)色，則在圖像上明火區(qū)表現(xiàn)為鮮紅色，過火區(qū)表現(xiàn)為暗紅色，植被為綠色，水體為深藍(lán)色，云或煙霧則為灰色。夜間的軌道數(shù)據(jù)對(duì)3、4、4通道進(jìn)行RGB假彩色合成，明火區(qū)為鮮紅色，灰色的為云，其他難以識(shí)別[3]。通過SMART軟件疊加經(jīng)緯度和行政邊界，對(duì)1、2通道進(jìn)行曲線增強(qiáng)，3通道進(jìn)行指數(shù)拉伸，均可以幫助我們迅速準(zhǔn)確的掌握火情的發(fā)生發(fā)展情況。

3.2.2 計(jì)算機(jī)自動(dòng)判識(shí)

人機(jī)交互判識(shí)依賴于經(jīng)驗(yàn)及圖像的清晰度，雖然精度較高，但在大范圍火點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，則效率不高。計(jì)算機(jī)自動(dòng)判識(shí)在某種程度上改善了人機(jī)交互在業(yè)務(wù)中的效率問題。

根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)效果和理論計(jì)算，判識(shí)火點(diǎn)條件主要根據(jù)中紅外通道的亮溫增量以及中紅外通道與遠(yuǎn)紅外通道（CH4）亮溫差異的增量：

T3-T3bg> T3TH且T34-T34bg>T34TH

這里 T3、T3bg 、T3TH 分別為被判識(shí)像元中紅外通道亮溫、中紅外通道背景亮溫、中紅外通道火點(diǎn)判識(shí)閾值。背景溫度計(jì)算對(duì)判識(shí)精度有直接影響。對(duì)于下墊面單一的植被覆蓋稠密區(qū)，由鄰近像元取平均對(duì)被判識(shí)像元有較好的代表性。而在植被與荒漠交錯(cuò)地帶，由于各像元的植被覆蓋度可能有較大差異，由此計(jì)算的鄰近像元平均亮溫有可能與被判識(shí)像元有較大差異，因而判識(shí)閾值需要隨之調(diào)整。通過建立不同季節(jié)，不同觀測(cè)時(shí)次的亮溫閾值數(shù)據(jù)集，將會(huì)使計(jì)算機(jī)的自動(dòng)判識(shí)精度效率更高[4]，利于快速掌握林火發(fā)生和發(fā)展的動(dòng)態(tài)，為林火發(fā)生時(shí)提供最佳方案。

4.結(jié)論

在本文中，對(duì)我國(guó)自主研究發(fā)射的風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星 VIRR 資料數(shù)據(jù)進(jìn)行了火情監(jiān)測(cè)研究，通過對(duì)FY3/VIRR波段特性的深入分析，確定基于FY3/VIRR的火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以期在火情發(fā)生時(shí)能夠精準(zhǔn)快定位火點(diǎn)信息，同時(shí)對(duì)火情的發(fā)展蔓延進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)。氣象衛(wèi)星遙感應(yīng)用于森林火情監(jiān)測(cè)，是氣象衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)的一個(gè)重要方面，將衛(wèi)星數(shù)據(jù)用于災(zāi)情監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)為相關(guān)部門提出較為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的實(shí)施方案和技術(shù)措施，減少國(guó)民生產(chǎn)損失。

參考文獻(xiàn)

[1]王麗娜.GIS和遙感技術(shù)在黑龍江省森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、輔助決策中的應(yīng)用 林火監(jiān)測(cè)2006（2）：23

[2]季生太.衛(wèi)星遙感技術(shù)在黑龍江省森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

[3]徐擁軍 基于FY-3A/VIRR數(shù)據(jù)火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2002，5：24-26

[4]李進(jìn)文，鐘儒祥，吳小雅，羅祖紅 利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)森林火情的方法探討 廣東林業(yè)科技 2005，21（3）：19