新一代靜止氣象衛(wèi)星林火監(jiān)測研究

石艷軍 ，單海濱，張?jiān)戮S ，胡民達(dá)

（1.廣州氣象衛(wèi)星地面站，廣東 廣州 510640；2.中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

新一代靜止氣象衛(wèi)星林火監(jiān)測研究

石艷軍1，2，單海濱1，張?jiān)戮S1，胡民達(dá)1

（1.廣州氣象衛(wèi)星地面站，廣東 廣州 510640；2.中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

新一代靜止氣象衛(wèi)星具有高頻次、全覆蓋優(yōu)勢，對林火有著非常好的監(jiān)測能力。從林火遙感原理出發(fā)，首先分析了AHI/葵花8號和AGRI/風(fēng)云四號儀器的特點(diǎn)，介紹了可用于林火探測的通道特性。然后，從火點(diǎn)判識算法、林火監(jiān)測流程和林火反查系統(tǒng)3個方面，研究了林火監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建，包括應(yīng)用中要注意的細(xì)節(jié)和應(yīng)用的嘗試。其中林火反查系統(tǒng)是首次提出，對改進(jìn)系統(tǒng)的算法和提高監(jiān)測的準(zhǔn)確率有重要作用。目前，AHI/葵花8號林火產(chǎn)品已投入本站業(yè)務(wù)使用，對防災(zāi)減災(zāi)提供了重要保障。

新一代靜止氣象衛(wèi)星；林火監(jiān)測；AHI/葵花8號；AGRI/風(fēng)云四號

衛(wèi)星遙感林火監(jiān)測因其全天候、廣區(qū)域的優(yōu)勢，已成為目前森林火災(zāi)最主要的監(jiān)測方式。用于林火監(jiān)測的氣象衛(wèi)星遙感儀器主要有AVHRR/NOAA、MODIS/EOS、VIRR/FY3和VIIRS/NPP等。Kaufman，趙文化，周小成，周利霞等[1-5]對MODIS/EOS數(shù)據(jù)和算法進(jìn)行了一系列研究。AVHRR/NOAA具有中紅外、熱紅外波段的通道，Nakaya?ma，劉誠，覃先林，趙彬等[6-9]等對AVHRR/NOAA開展了一系列研究和應(yīng)用探索。隨著FY3、NPP、METOP等新一代極軌氣象衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射和應(yīng)用，徐擁軍，張?jiān)戮S，郭捷，羅曉霞等[10-13]對新一代極軌氣象衛(wèi)星探測器VIRR和VIIRS等作了較深入的研究和應(yīng)用探討。國家衛(wèi)星氣象中心從1986年開始開展利用氣象衛(wèi)星資料監(jiān)測林火的研究和服務(wù)，近年來利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測林火已經(jīng)在全國各地形成業(yè)務(wù)，發(fā)揮了巨大的社會、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。但是極軌衛(wèi)星是繞兩極呈帶狀掃描，以廣州為例，全天只有4次經(jīng)過廣州上空，無法實(shí)現(xiàn)全時段、全區(qū)域的覆蓋。

靜止氣象衛(wèi)星在這塊具有天然的優(yōu)勢，受星地距離及探測器分辨率的限制，早先的靜止氣象衛(wèi)星無法用于林火監(jiān)測，然而新一代高時空分辨率的靜止氣象衛(wèi)星在天氣、氣候、環(huán)境、地表等方面都具有較好的監(jiān)測能力，如2014年10月7日發(fā)射的日本葵花8號以及2016年12月11日發(fā)射的中國FY-4A[14-15]?？?號攜帶的AHI和風(fēng)云四號AGRI成像儀均具有觀測頻次高、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，波段范圍覆蓋可見光至遠(yuǎn)紅外，在林火觀測上具有巨大的優(yōu)勢。本文利用廣州氣象衛(wèi)星地面站多年來在林火監(jiān)測業(yè)務(wù)上的科研基礎(chǔ)，根據(jù)AHI/葵花8號和AGRI/FY-4A探測通道的特點(diǎn)，展開新一代靜止氣象衛(wèi)星的林火監(jiān)測研究。

1 遙感林火監(jiān)測原理

高于絕對溫度的物體都在不斷向外輻射電磁波，溫度升高會導(dǎo)致熱輻射增強(qiáng)[16]。斯蒂芬-波爾茲曼定律

式中，M為單位時間內(nèi)全波長黑體輻射出的總能量密度，ε為輻射系數(shù)，δ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，T為物體絕對溫度。輻射能量密度與該物體絕對溫度的4次方成正比，當(dāng)物體溫度略微升高時，輻射能量密度就會極大地增長。

普朗克黑體輻射定理描述了黑體輻射出的能量與波長和絕對溫度之間的關(guān)系，即

式中，M為單位立體角內(nèi)特定波長黑體輻射功率，λ為波長，T為絕對溫度，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，c為光速，黑體輻射出的能量僅與波長和絕對溫度相關(guān)。

另外，根據(jù)維恩位移定律，常溫地表輻射峰值波長在11 μm左右；當(dāng)物質(zhì)著火時，溫度可達(dá)750 K以上，輻射峰值波長就位于4 μm左右。該波長正好對應(yīng)衛(wèi)星探測器的紅外通道，遙感林火監(jiān)測正是利用了上述原理，利用不同波長熱輻射的差異性判定火點(diǎn)[17]。圖1為利用普朗克黑體輻射定理計(jì)算獲得的3.7 μm和11 μm通道黑體輻射功率。

圖1 3.7 μm和11 μm通道黑體輻射功率

2 AAHHII和AAGGRRII儀器介紹

葵花8號成像儀AHI具有全盤和區(qū)域掃描能力，能夠在10分鐘內(nèi)完成全盤掃描，共有16個通道，波段從0.46 μm到13.3 μm，其空間分辨率有0.5 km、1 km和2 km三種。它有3個可見光通道，13個近紅外和紅外通道。我們可以根據(jù)上述衛(wèi)星監(jiān)測原理，選取與林火監(jiān)測相關(guān)通道，即4 μm和11 μm附近通道。表1列出了相關(guān)通道的特性。FY-4A成像儀AGRI特性與AHI類似，受制于探測器和制冷器研制水平，部分通道特性較AHI低，AGRI能夠在15分鐘內(nèi)完成全盤掃描，共有14個通道，波段從0.45 μm到13.8 μm，其空間分辨率有0.5 km、1 km、2 km和4 km四種。它有3個可見光通道，12個近紅外和紅外通道。表2列出了AGRI與林火監(jiān)測相關(guān)通道的特性。

表1 AHI林火監(jiān)測相關(guān)通道特性

表2 AGRI林火監(jiān)測相關(guān)通道特性

3 林火監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 火點(diǎn)判識算法

衛(wèi)星林火監(jiān)測算法一般將火點(diǎn)按亮溫大小分為絕對火點(diǎn)與相對火點(diǎn)。絕對火點(diǎn)的識別是依據(jù)火點(diǎn)本身中紅外輻射特征，而相對火點(diǎn)的識別則是依據(jù)火點(diǎn)輻射與背景輻射之間的差異。廣州氣象衛(wèi)星地面站對此已有很多研究，算法及改進(jìn)算法詳見廣州氣象衛(wèi)星地面站所進(jìn)行的相關(guān)研究[2、5、11、12]。

3.2 林火監(jiān)測流程

林火監(jiān)測流程主要分為數(shù)據(jù)獲取、提取通道信息和經(jīng)緯度、區(qū)域投影、快速大氣校正、云檢測、水體判識、耀斑濾除以及火點(diǎn)判識等。圖2為本站林火監(jiān)測流程示意圖。在低緯度地區(qū)遙感林火監(jiān)測應(yīng)用中，尤其夏季經(jīng)常會受到太陽耀斑的嚴(yán)重影響，即使在太陽耀斑8度區(qū)外側(cè)背景亮溫亦有波及。利用FOV、衛(wèi)星與太陽之間的相對幾何關(guān)系計(jì)算耀斑角，然后使用一個耀斑角經(jīng)驗(yàn)閾值確定耀斑區(qū)域。具體為下面計(jì)算公式中l(wèi)t 8調(diào)整為lt 12。

圖2 林火監(jiān)測流程

3.3 林火反查系統(tǒng)

受儀器、算法等多種因素的限制，盡管林火監(jiān)測系統(tǒng)已有很高的精度和準(zhǔn)確率，但依然存在漏報和誤報的情況。本研究設(shè)計(jì)了一個基于GUI的林火漏報反查系統(tǒng)。通過與相關(guān)林火主管部門的合作，根據(jù)實(shí)際情況，提取漏報林火的經(jīng)緯度、時間等信息，反查相應(yīng)通道的信息，通過調(diào)整算法等相關(guān)措施，重新判識。通過彌補(bǔ)過往常規(guī)的林火監(jiān)測系統(tǒng)缺少這樣一個模塊的缺陷，可以反過來提高算法，從而提高林火監(jiān)測的準(zhǔn)確率。圖3為林火反查系統(tǒng)流程。

圖3 林火反查系統(tǒng)流程

葵花8號衛(wèi)星自2015年7月7日已開始向全球?qū)崟r廣播葵花8號數(shù)據(jù)，中國氣象局國家氣象衛(wèi)星中心可以近實(shí)時地接收葵花8號全部通道原始分辨率的數(shù)據(jù)，并向全國各省下發(fā)。圖4為使用葵花8號通過上述林火監(jiān)測系統(tǒng)在森林火災(zāi)中的一次應(yīng)用嘗試。中國風(fēng)云四號衛(wèi)星目前尚未正式下發(fā)衛(wèi)星資料，工作有待進(jìn)一步開展。

圖4 葵花8號林火監(jiān)測應(yīng)用嘗試

4 結(jié)論

新一代靜止氣象衛(wèi)星高頻次、全覆蓋的優(yōu)勢，對林火、臺風(fēng)以及天氣氣候等方面都具有較好的監(jiān)測能力。隨著衛(wèi)星遙感資料陸續(xù)投入使用，將為全球提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)，提高防災(zāi)減災(zāi)能力。本文借助本站長期在林火研究和服務(wù)工作中的優(yōu)勢，開展了對新一代靜止氣象衛(wèi)星的林火監(jiān)測研究。目前AHI/葵花8號林火產(chǎn)品已投入使用，AGRI/風(fēng)云四號林火監(jiān)測還在研究之中，應(yīng)用效果有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)。利用反查系統(tǒng)可以反過來優(yōu)化算法。未來還可以利用極軌衛(wèi)星與靜止衛(wèi)星對比研究，進(jìn)一步提高系統(tǒng)識別精度，為服務(wù)全球林火監(jiān)測提供可靠的保障。

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S762.3

A

2017-10-18

廣東省社會發(fā)展氣象領(lǐng)域計(jì)劃項(xiàng)目（12）；廣東省氣象局課題（2016B08）資助。

陳小華）