衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用前瞻

周汝良，舒立福，徐盛基，楊 林，趙春梅

（1.西南林業(yè)大學(xué)，生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650224；2.中國(guó)林科院森環(huán)森保所，北京 10091；2.國(guó)家林業(yè)局南方航空護(hù)林總站，云南 昆明 650021）

衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用前瞻

周汝良1，舒立福2，徐盛基3，楊 林3，趙春梅3

（1.西南林業(yè)大學(xué)，生態(tài)旅游學(xué)院，云南 昆明 650224；2.中國(guó)林科院森環(huán)森保所，北京 10091；2.國(guó)家林業(yè)局南方航空護(hù)林總站，云南 昆明 650021）

衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)主要使用1000 m分辨率的熱紅外通道數(shù)據(jù)，由于受空間分辨率的制約，遙感圖像上所能表達(dá)的火點(diǎn)及火環(huán)境的信息有限，制約了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用深度和廣度。針對(duì)以上難題，開(kāi)展衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像信息增強(qiáng)和提取、可視化超分圖像處理、林火自動(dòng)化識(shí)別等研究。初步研究表明：利用計(jì)算機(jī)模擬傳感過(guò)程并再成像，可以將1000 m分辨率的遙感圖像重構(gòu)為90 m分辨率的圖像，與原圖像相比，取得了火點(diǎn)、火環(huán)境的超分顯示。我們認(rèn)為，該關(guān)鍵技術(shù)突破后，衛(wèi)星遙感技術(shù)將在林火探測(cè)、火場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)、火險(xiǎn)測(cè)報(bào)預(yù)警、火蔓延預(yù)報(bào)、撲救輔助決策支持、航空消防輔助管理中取得應(yīng)用拓展，衛(wèi)星遙感技術(shù)將逐漸成為森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和火險(xiǎn)預(yù)報(bào)中的主導(dǎo)技術(shù)；人、財(cái)、物力消耗巨大的地面視頻監(jiān)控，基于野外人海戰(zhàn)術(shù)的巡護(hù)瞭望，將被高效和經(jīng)濟(jì)可靠的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)技術(shù)所替代。

衛(wèi)星圖像；林火監(jiān)測(cè)；圖像重構(gòu)；圖像增強(qiáng)和識(shí)別；圖像可視化

0 引言

衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)在我國(guó)已有30多年的行業(yè)化應(yīng)用歷史，其具有空間覆蓋面廣、數(shù)據(jù)客觀真實(shí)、解譯應(yīng)用高效和經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。例如南方衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)分中心僅有4個(gè)工作人員，就可承擔(dān)南方10個(gè)省（區(qū)）的火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)。這與動(dòng)輒投資幾十萬(wàn)元一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的野外視頻監(jiān)測(cè)，與投入千軍萬(wàn)馬的以人海戰(zhàn)術(shù)為主的地面巡護(hù)瞭望監(jiān)測(cè)相比，具有極高的投入產(chǎn)出比和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國(guó)高分4號(hào)及美國(guó)的Nposess衛(wèi)星數(shù)據(jù)在林火中應(yīng)用，熱紅外波段的空間分辨率將從1000 m提高到400 m，可見(jiàn)光分辨率將提高為50 m左右，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)還有巨大的應(yīng)用潛力。

實(shí)踐證明，空間分辨率，火場(chǎng)、植被、地形地貌的影像表達(dá)能力，是制約衛(wèi)星圖像在行業(yè)部門深入應(yīng)用、拓展應(yīng)用的最大技術(shù)難題。在1000 m尺度的監(jiān)測(cè)圖像上，林火與非林火難以區(qū)別，小火（低溫火）和初發(fā)火信息表達(dá)不突出，植被、土地利用和地形地貌難以辨識(shí)。經(jīng)過(guò)幾十年的科技發(fā)展，雖然熱紅外光譜分辨率已從1000 m提升為400 m，但可以預(yù)見(jiàn)，今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，圖像空間分辨率仍然是制約衛(wèi)星監(jiān)測(cè)應(yīng)用的最大問(wèn)題。

針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)難題，在國(guó)家十二五科技支撐項(xiàng)目和云南科技計(jì)劃項(xiàng)目支持下，項(xiàng)目組開(kāi)展了提高圖像分辨率、增強(qiáng)林火信息表達(dá)能力、提高圖像可視化效果等方面的基礎(chǔ)研究，在衛(wèi)星遙感圖像幾何精糾正、圖像信息增強(qiáng)、超分正立體圖像制作、小火識(shí)別和林火非林火區(qū)別、環(huán)境紋理處理和可視化增強(qiáng)等方面，取得了重要突破，為深化衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)應(yīng)用、全方位拓展其在預(yù)防撲救的應(yīng)用方向奠定了基礎(chǔ)。

1 重構(gòu)9090 m m分辨率圖像的方法

1.1 基于SRTM地性線的中低分辨率圖像幾何精糾正

一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)級(jí)處理的衛(wèi)星圖像往往還有若干個(gè)像元（一般2～5像元，相當(dāng)于2～5 km）的幾何誤差，其將深刻影響衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間可靠性。作者提出了一種美國(guó)SRTM地性線控制糾正衛(wèi)星圖像的方法。首先，用90 m的DEM進(jìn)行地形地貌表達(dá)綜合，并生成與遙感圖像表達(dá)特征一致的新DEM，之后利用地表匯水過(guò)程模型等提取地性線（溝谷、山脊線），以其為坐標(biāo)控制矢量線（見(jiàn)圖1），采集控制點(diǎn)糾正衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像。由于可以辨識(shí)和采集到足夠多的同名地物點(diǎn)，數(shù)據(jù)源有保障，處理和操作簡(jiǎn)單，容易將其開(kāi)發(fā)和集成為衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)圖像處理的標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)模塊。

圖1 云南三江并流區(qū)的地性線控制網(wǎng)絡(luò)

圖2 地性線網(wǎng)絡(luò)與控制糾正的原FY3圖像（上半部分為原始圖像，下半部分為精糾正圖像）

1.2 亞元分解與可視化增強(qiáng)

原始衛(wèi)星監(jiān)測(cè)圖像具有很好的可視性、特別是比例尺放大后，還能識(shí)別出地形地貌和特征地物點(diǎn)，是進(jìn)行衛(wèi)星圖像幾何精糾正的基礎(chǔ)，為了更好地解決該問(wèn)題，我們研究和提出了一種子矩陣恒不變的亞像元分解與圖像可視化增強(qiáng)技術(shù)。其原理是以原圖像為最小初始子矩陣，在其所表達(dá)的地理空間面積不變的條件下，不斷擴(kuò)充矩陣的行列數(shù)，以形成新的亞像元圖像。每次行列擴(kuò)充（一個(gè)像元被分解為若干亞像元）時(shí)，使生成的新圖像能以原圖像為它的一個(gè)子矩陣；擴(kuò)展像元的灰階用內(nèi)插法生成，選用邊緣增強(qiáng)算子進(jìn)行圖像增強(qiáng)。該技術(shù)可消除馬賽克和視覺(jué)虛化，解決圖像模糊等問(wèn)題。算法具有高保真性，像元分解時(shí)幾乎不損失原圖像的信息（圖3、圖4）。

圖3 谷歌算法輸出的地圖（上）與亞像元分解地圖（下）的對(duì)比

圖4 美國(guó)SRTM 30m原圖像（上）與3m亞像元圖像（下）對(duì)比

1.3正立體監(jiān)測(cè)圖像轉(zhuǎn)換

原始的衛(wèi)星圖像都是反立體視覺(jué)影像（又叫負(fù)立體影像），在正常方位的坐標(biāo)系統(tǒng)（上北下南、左西右東）下，人眼視覺(jué)感受到的溝谷，實(shí)際上是山脊，感受到的山脊或隆起，實(shí)際上是溝谷或凹地。利用人眼立體視覺(jué)原理和光照關(guān)系，設(shè)計(jì)了專門算法，將負(fù)立體監(jiān)測(cè)圖像處理為正立體圖像，使普通人能實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)即所得”可視化理解與應(yīng)用，更有利于野外導(dǎo)航、地標(biāo)比對(duì)和圖像的解譯應(yīng)用（圖5）。

圖5 1000 m尺度的FY3負(fù)立體圖像(左)與正立體圖像（右）對(duì)比

1.4 擬成像機(jī)制的超分正立體遙感圖像生成技術(shù)

NOAA、MODIS、FY、Nposess等一天具有多次重返觀測(cè)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)模擬遙感成像參數(shù)和過(guò)程，進(jìn)行圖像重構(gòu)生成90 m圖像。通過(guò)比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，重構(gòu)增加了原圖像的信息量，表達(dá)了原圖像無(wú)法表達(dá)的地物。

圖6 原1000 m的FY3圖像（上）與重構(gòu)的90 m分辨率圖像（下）對(duì)比

對(duì)比圖6，總觀可明顯看出，90 m的重構(gòu)圖像的信息量非常豐富，地形地物覆蓋信息已超過(guò)原始圖像。90 m圖像上，森林植被、農(nóng)用植被區(qū)別明顯，地形環(huán)境、土地覆蓋信息豐富。所以，重構(gòu)圖像增加了圖像信息量和信息表達(dá)能力。

1.5 林火圖像信息增強(qiáng)處理

兩個(gè)人推搡著雪螢進(jìn)了一杭的房間，用一塊破布堵住她的嘴，奪過(guò)手提包，把她推到床上。雪螢待在床上渾身哆嗦。一個(gè)男子站在一邊監(jiān)視她，另一個(gè)把提包里的東西全部抖到地上。記事本和U盤也掉了下來(lái)。那男子拾起來(lái)，將記事本輕輕在手上拍了拍，翻開(kāi)看了一眼。朝他的同伙點(diǎn)點(diǎn)頭，兩人把門反鎖，將鑰匙用力扔掉，下樓揚(yáng)長(zhǎng)而去。

1000 m的林火熱成像，幾乎都是混合像元成像?；鹁€寬度、過(guò)火面積、植被和背景地物，都深刻影響著像元的熱輻射亮溫。特別是對(duì)于森林小火或初發(fā)火，其絕對(duì)熱輻射亮溫可能較低?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)了森林植被熱輻射量溫增強(qiáng)處理算法，以突出小火、林火與其他地物的區(qū)別（圖7）。

圖7 原始圖像（上）與林火增強(qiáng)圖像（下）的可視效果比較

對(duì)比圖8上下兩部分可看出林火與非林火的區(qū)別明顯，被湮滅的小火通過(guò)增強(qiáng)，能夠重新突出和顯示出來(lái)。

圖8 國(guó)家發(fā)布的監(jiān)測(cè)圖像（上）與林火增強(qiáng)識(shí)別圖像（下）的比較

2 應(yīng)用拓展

由于可重構(gòu)90 m級(jí)的衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)圖像，今后衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)應(yīng)用將進(jìn)入圖像發(fā)布和圖像理解應(yīng)用的軌道。同時(shí)，由于信息表達(dá)、信息提取能力強(qiáng)，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將支撐火險(xiǎn)、火蔓延預(yù)報(bào)等工作。智能化自動(dòng)化的火參數(shù)提取、火場(chǎng)反演將得到發(fā)展。

2.1 火點(diǎn)及火參數(shù)自動(dòng)提取和采集

依據(jù)森林火災(zāi)、早期森林火災(zāi)的成像特征，林火熱源在地表過(guò)程中的突變特征，可研發(fā)林火參數(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化、智能化提取采集及入庫(kù)技術(shù)。包括：識(shí)別和計(jì)算山火的坐標(biāo)、過(guò)火區(qū)像素?cái)?shù)、火區(qū)在地表上的連續(xù)性、是否有煙云等，一并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中。該技術(shù)可替代30多年的手工目視解譯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別林火和采集參數(shù)（圖9），解決處理耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、漏判和錯(cuò)判、客觀標(biāo)準(zhǔn)差的問(wèn)題，以提高監(jiān)測(cè)效率。

圖9 計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取的林火及參數(shù)（白線為矢量化的火點(diǎn)）、自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行界面

2.2 可燃物載量的動(dòng)態(tài)評(píng)估

可燃物載量及其空間分布，是火蔓延預(yù)報(bào)的基本參量。隨著季節(jié)、年份變化，地面凋落物和地面可燃物會(huì)不斷變化，基于衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，與地面樣地?cái)?shù)據(jù)融合，動(dòng)態(tài)評(píng)估可燃物載量，是解決林火蔓延燃料估測(cè)的一個(gè)好方法（圖10）。

圖10 經(jīng)過(guò)圖斑劃分和建模估計(jì)的可燃物種類和載量

2.3 火場(chǎng)形狀的亞像元反演與提取技術(shù)

利用熱擴(kuò)散及成像機(jī)制，燃燒火線、過(guò)火區(qū)、植被與背景混合成像原理，構(gòu)建火場(chǎng)亞像元反演模型，以評(píng)估和提取當(dāng)前火場(chǎng)。火場(chǎng)圖像的亞像元分解（圖11），熱擴(kuò)散的擬運(yùn)算（空間收縮運(yùn)算）、火強(qiáng)度反演、火區(qū)圖像提取與矢量圖生成（圖12），為火蔓延預(yù)報(bào)提供初始火場(chǎng)參數(shù)。

圖11 1000 m的熱紅外像元(上)生成90 m亞像元（下）

2.4 地表溫度和濕度場(chǎng)同化反演技術(shù)

利用一天多次覆蓋的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)（將來(lái)可能是地球同步觀測(cè)數(shù)據(jù)），與地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)融合進(jìn)行同化反演（圖13）；采集和集成1年365天、1天多時(shí)間節(jié)點(diǎn)過(guò)程地表連續(xù)的溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)空間大數(shù)據(jù)，以支持火險(xiǎn)預(yù)報(bào)與火行為預(yù)報(bào)（圖14）。

圖12 收縮運(yùn)算與矢量提取示意（原始火1000 m、左）與提取的火場(chǎng)形狀矢量圖（右）

圖13 用衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演地表溫度濕度場(chǎng)

圖14 溫度場(chǎng)濕度場(chǎng)主導(dǎo)的火險(xiǎn)預(yù)報(bào)結(jié)果（右）與傳統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果的區(qū)別（左）

3 結(jié)束語(yǔ)

由于衛(wèi)星觀測(cè)能提供時(shí)間、空間連續(xù)的地表過(guò)程數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)圖像增強(qiáng)和識(shí)別的后處理，有關(guān)火災(zāi)、火環(huán)境信息能得到增強(qiáng)顯示和自動(dòng)提取，將為火災(zāi)監(jiān)測(cè)、火險(xiǎn)測(cè)報(bào)預(yù)警、預(yù)防和撲救提供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可以預(yù)見(jiàn)衛(wèi)星遙感技術(shù)將成為森林防火的主要技術(shù)之一。

（責(zé)任編輯：陳小華）

江西省湖口縣林業(yè)局“四抓”春季森林防火工作

時(shí)值春季森林防火的重要時(shí)期，江西省湖口縣林業(yè)局上下聯(lián)動(dòng)，認(rèn)真落實(shí)各項(xiàng)制度，真抓實(shí)干，切實(shí)做好春季森林防火工作。

一抓防火責(zé)任制，層層落實(shí)。由縣林業(yè)局同公益林場(chǎng)簽訂防火責(zé)任狀，公益林場(chǎng)又同各分場(chǎng)簽訂防火責(zé)任狀，各分場(chǎng)把責(zé)任落實(shí)到個(gè)人。同時(shí)和毗鄰村簽訂聯(lián)防協(xié)議，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)排查，確保火災(zāi)隱患及時(shí)消除。

二抓宣傳，勤巡護(hù)，細(xì)排查。近一段時(shí)間，各分場(chǎng)人員在進(jìn)山路口和重點(diǎn)防火區(qū)域增設(shè)警示牌，刷寫宣傳標(biāo)語(yǔ)，并向附近農(nóng)戶宣傳森林法律法規(guī)、野外用火制度等，并在重要節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)巡查，掀起防火宣傳的高潮。

三抓防火預(yù)案的完善，建立長(zhǎng)效機(jī)制。制定了《湖口縣林業(yè)局森林防火預(yù)案》，嚴(yán)格執(zhí)行24小時(shí)防火值班并做好森林防火日?qǐng)?bào)，確保信息暢通、政令通達(dá)。

四抓湖口縣森林防火應(yīng)急小分隊(duì)的組建，充實(shí)防火力量。一旦發(fā)生火情，保證應(yīng)急防火隊(duì)伍能在第一時(shí)間拉得出，用得上。

摘自《中國(guó)森林防火網(wǎng)》

S762.3

A

2016-12-07