葵花8號靜止氣象衛(wèi)星在廣東省林火監(jiān)測工作中的應用

曾慶峰，陳斌鋒，曾 臻

（廣東省航空護林站/廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測中心，廣東 廣州 510173）

森林是陸地生態(tài)的主體，是人類賴以生存和發(fā)展的寶貴資源，它具有涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養(yǎng)物質、凈化大氣環(huán)境、森林防護、生物多樣性保護和森林游憩等生態(tài)服務功能，是地球生態(tài)平衡的保護者。林火作為一種自然現(xiàn)象，是森林生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因素之一，全球每年約有1%的森林經歷火的干擾，林火直接影響和改變區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的過程和格局[1]。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，近年來利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測林火已經在全國各地形成業(yè)務，發(fā)揮了巨大的社會、經濟和生態(tài)效益[2]。

1 我國衛(wèi)星林火監(jiān)測現(xiàn)狀

我國衛(wèi)星林火監(jiān)測研究應用始于20世紀80年代，衛(wèi)星監(jiān)測思想啟蒙于蘇聯(lián)護林防火工作。到90年代初，從國外的NOAA/AVHHR、EOS/MO?DIS衛(wèi)星到國內的FY、CBERS、HJ系列衛(wèi)星，我國進入了快速的林火監(jiān)測研究和應用階段。目前，以國家林業(yè)和草原局為中心，已建立了覆蓋全國的北京、東北、西南、西北林區(qū)及各市縣衛(wèi)星監(jiān)測網(wǎng)絡[3]。衛(wèi)星林火監(jiān)測業(yè)務以其覆蓋范圍廣、監(jiān)測時次多和監(jiān)測成本低、受人為因素影響小等特點，被譽為森林防火工作的千里眼。多年來，衛(wèi)星林火監(jiān)測已成為國家和廣東省發(fā)現(xiàn)森林火災最重要的技術手段，取得很好的應用效益。當前，衛(wèi)星林火監(jiān)測工作在廣東省森林防火工作中主要發(fā)揮3方面的作用：一是實時監(jiān)控全省火情動態(tài)，宏觀掌握全省火險形勢；二是全面監(jiān)測林內用火情況，及時發(fā)現(xiàn)初發(fā)火災，為實現(xiàn)“打早、打小、打了”提供技術支持；三是在較大火災發(fā)生后，對火災實行動態(tài)連續(xù)跟蹤監(jiān)測，及時了解火災的發(fā)展、蔓延情況、火頭分布、復燃煙點等實況信息，為撲火指揮決策提供依據(jù)。

目前，國家林業(yè)和草原局森林火災監(jiān)測所用衛(wèi)星主要是我國FY3系列實驗星（A星、B星）、美國NOAA系列和EOS-MODIS系列的極軌衛(wèi)星。極軌氣象衛(wèi)星雖然在林火監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用，但由于其軌道運行特點，在實際應用中仍有如下不足。

1）極軌氣象衛(wèi)星的時間分辨率低。即便目前林火監(jiān)測已有多顆運行的極軌氣象衛(wèi)星，但過境時間相對集中，平均時間間隔高達4～5小時，且每天仍有若干時段無觀測數(shù)據(jù)。

2）極軌衛(wèi)星的掃描寬度相對較窄，邊緣部分畸變較大，分辨率降低。

3）極軌衛(wèi)星雖然有多顆星，但每顆衛(wèi)星的觀測角度不同，對地面的覆蓋范圍和位置也不同，對突發(fā)性事件的連續(xù)觀測能力不足。由于觀測角度和遙感儀器特性不同，對同一地物，不同衛(wèi)星獲取的輻射信息不同，即便進行了校正，不同校正將存在不同程度誤差，因此無法進行較高要求的分析比較。

2 新一代靜止衛(wèi)星在林火監(jiān)測工作中的優(yōu)勢

靜止衛(wèi)星又稱地球同步軌道衛(wèi)星。由于靜止衛(wèi)星運行和地球自轉同步，因此，靜止衛(wèi)星每天對所覆蓋的固定區(qū)域可以進行高頻次的觀測，目前的觀測頻次可達到分鐘級。

隨著我國風云四號（FY-4）以及日本葵花8號（Himawari 8）等靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)射使用，為衛(wèi)星林火監(jiān)測工作提供了更多、更好、更穩(wěn)定的衛(wèi)星資源。靜止衛(wèi)星具有覆蓋范圍寬廣、資料獲取時間同步、觀測位置固定、觀測時次密集連續(xù)等特點，可極大地提高衛(wèi)星林火監(jiān)測技術和服務水平，緩解當前森林火災監(jiān)測工作中星源不足及極軌衛(wèi)星監(jiān)測存在空白時段的問題。

3 廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

3.1 總體設計

廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)首先接收廣東省氣象局推送的葵花8號圖像，通過對接收的數(shù)據(jù)進行預處理、檢測、統(tǒng)計、異常熱點處理、存儲等，實現(xiàn)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收情況的實時監(jiān)控。系統(tǒng)采用單景圖像和多時次多景圖像的多模式提取森林火情信息，制作森林火情監(jiān)測報告，并自動提交至廣東省森林防火綜合管理系統(tǒng)，向廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測中心推送森林火情信息；同時，按市級行政區(qū)劃進行數(shù)據(jù)切分，推送至廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)共享云平臺，以短信方式告知各市級森林防火部門下載本區(qū)域火情監(jiān)測數(shù)據(jù)，并實時推送至疑似火情所在區(qū)域的護林員進行第一時間實地核查，實現(xiàn)向全省各級森林防火部門提供高頻次、高精度、高準確性的森林火情衛(wèi)星監(jiān)測信息，為廣東省森林火情監(jiān)測工作提供有力的高科技手段。靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)基本運行方式見圖1。

圖1 廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)總體結構

3.2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收控制、葵花8號數(shù)據(jù)林火監(jiān)測、數(shù)據(jù)分發(fā)與成果發(fā)布等3個模塊，見圖2。

圖2 廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)功能架構

1）數(shù)據(jù)接收控制模塊。負責接收廣東省氣象局推送的葵花8號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，支持斷點續(xù)傳、速度限制、權限限制、目錄權限訪問限制等。系統(tǒng)后臺程序對接收到的數(shù)據(jù)進行解壓縮、檢測，包括對解壓后的衛(wèi)星數(shù)據(jù)文件夾名稱與文件名是否一致進行檢查、每景影像數(shù)據(jù)量大小檢查、每景影像波段及文件完整性檢查、每景影像坐標信息是否與實地位置相對應檢查、每景影像投影信息是否與元數(shù)據(jù)信息匹配檢查等。

2）葵花8號數(shù)據(jù)林火監(jiān)測模塊。采用適用于葵花8號衛(wèi)星數(shù)據(jù)的林火提取算法，按單景模式和多時次多景模式進行林火監(jiān)測提取，制作林火監(jiān)測報告。系統(tǒng)支持自動火點判識，也支持通過人機交互調整系數(shù)調整、閾值調整方式判識火點。根據(jù)前期測試，采用人機交互判識可以提高火點判識準確度。同時，系統(tǒng)支持對過火面積進行自動評估，對火勢發(fā)展方向、火情強度增強/減弱等信息的評估。

林火監(jiān)測成果制作支持自動（手動）定位幾何精校正。林火監(jiān)測報告包括火點的經緯度信息、火點的像元信息、是否有煙、是否連續(xù)、火點的背景地類（包括林地、農田等）及其比例等。由于葵花8號衛(wèi)星每15 min可提供一次數(shù)據(jù)，當火災發(fā)生時，模塊支持林火監(jiān)測結果時間序列統(tǒng)計分析、對比以及動態(tài)展示。

3）數(shù)據(jù)分發(fā)與成果發(fā)布模塊。該模塊首先對葵花8號數(shù)據(jù)做影像拼接處理，然后根據(jù)市級區(qū)劃數(shù)據(jù)進行切割分幅，把分幅數(shù)據(jù)推送到廣東省森林防火綜合管理系統(tǒng)和廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)共享云平臺，各市級部門通過系統(tǒng)查看各自轄區(qū)的火情信息數(shù)據(jù)并組織護林員及有關力量進行實地核查和撲救。開發(fā)的成果發(fā)布界面見圖3。

3.3 廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)共享云平臺設計

廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)共享云接收來自靜止衛(wèi)星系統(tǒng)推送的葵花8號衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及林火監(jiān)測結果。該系統(tǒng)支持各級森林防火部門用戶在線查詢、顯示、下載衛(wèi)星數(shù)據(jù)和林火監(jiān)測成果的功能。

廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)共享云平臺按功能可以劃分為靜止衛(wèi)星顯示、林火監(jiān)測成果發(fā)布、林火監(jiān)測成果推送與下載等3個模塊。

圖3 廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測成果發(fā)布及熱點反饋軟件界面

1）靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示模塊。該模塊支持已上傳至衛(wèi)星林火監(jiān)測數(shù)據(jù)共享平臺上的葵花8號數(shù)據(jù)影像動態(tài)顯示。

2）林火監(jiān)測成果發(fā)布模塊。支持在線查詢和顯示靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)獲取的林火監(jiān)測成果。

3）林火監(jiān)測成果推送與下載模塊。負責從靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)獲取的林火監(jiān)測成果推送到廣東省森林防火綜合管理系統(tǒng)，支持各市級森林防火部門在線查看和下載。

目前，系統(tǒng)支持7X24小時衛(wèi)星火情監(jiān)測信息報送，時間頻度為每30 min至1 h一次。對于重點地區(qū)和防火緊要時期，時間頻度可達每15 min一次。監(jiān)測熱點可與廣東省森林防火地理信息系統(tǒng)自動疊加，實現(xiàn)對監(jiān)測熱點的在線實時反饋。系統(tǒng)疊加界面見圖4。

圖4 靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測熱點與地理信息系統(tǒng)疊加界面

4 結論和展望

2018年清明節(jié)期間，廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)上線試運行，利用葵花8號衛(wèi)星共監(jiān)測到全省38宗森林火情。由于監(jiān)測及時準確，有關部門迅速組織撲救力量，采取行之有效措施，第一時間有效處置火情，基本達到有火不成災，實現(xiàn)森林火災“打早，打小，打了”。未來將通過加大林火視頻監(jiān)控、巡山護林和實地現(xiàn)場校驗等方式，來進一步提高算法，從而提高葵花8號衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)的精度和準確性，更好地服務于森林防火工作。

我國頒布的《全國森林防火規(guī)劃（2016—2025年）》和《全國林業(yè)信息化建設綱要》，對于新時期我國森林防火信息化工作具有重要的指導意義。我國的森林防火工作應打防結合、預防與監(jiān)測撲救并重[4]。在現(xiàn)有通過衛(wèi)星監(jiān)測全國范圍、重點林區(qū)航空護林和視頻監(jiān)控以及地面巡護的基礎上，利用葵花8號靜止氣象衛(wèi)星遙感技術，結合地理信息系統(tǒng)、GPS定位以及數(shù)據(jù)庫、視頻及通信傳輸?shù)雀咝录夹g，對現(xiàn)有的林火監(jiān)測手段進行完善、補充和提升，開展整合葵花8號靜止氣象衛(wèi)星與廣東省森林防火綜合業(yè)務系統(tǒng)的研究和應用，對于我省深入和高質量推進綠化廣東大行動，實現(xiàn)“四個堅持”“三個支撐”和“兩個走在前列”，保護生態(tài)文明建設成果都具有重要的現(xiàn)實意義。