高分六號(hào)寬幅數(shù)據(jù)在森林火燒跡地識(shí)別中的應(yīng)用
——以內(nèi)蒙古大興安嶺汗馬自然保護(hù)區(qū)為例

文|李曉彤 覃先林 劉倩 劉樹(shù)超

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所

一、高分六號(hào)衛(wèi)星

高分六號(hào)衛(wèi)星是國(guó)家高分辨率重大專項(xiàng)衛(wèi)星，又稱“高分陸地應(yīng)急監(jiān)測(cè)衛(wèi)星”，于2018年6月2日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭成功發(fā)射升空[1]。高分六號(hào)衛(wèi)星是一顆低軌光學(xué)遙感衛(wèi)星，具有高分辨率、寬覆蓋、高質(zhì)量成像、高效能成像、國(guó)產(chǎn)化率高等特點(diǎn)。它突破了單投影中心超大視場(chǎng)成像技術(shù)，提高了國(guó)產(chǎn)大視場(chǎng)相機(jī)圖像的精確度[2]。高分六號(hào)衛(wèi)星搭載了一臺(tái)2m全色/8m多光譜高分辨率相機(jī)和一臺(tái)16m多光譜中分辨率寬幅相機(jī)，2m全色/8m多光譜相機(jī)觀測(cè)幅寬為90km，16m多光譜相機(jī)觀測(cè)幅寬為800km，均達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

高分六號(hào)與高分一號(hào)衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，數(shù)據(jù)每2天覆蓋全球1次，可為農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測(cè)、林業(yè)資源調(diào)查、防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域提供遙感數(shù)據(jù)支撐。與高分一號(hào)衛(wèi)星相比，高分六號(hào)衛(wèi)星性能指標(biāo)進(jìn)一步提升，它實(shí)現(xiàn)了8譜段CMOS探測(cè)器的國(guó)產(chǎn)化研制，是我國(guó)首顆設(shè)有反映植被特性的“紅邊”波段的多光譜遙感衛(wèi)星，其“雙紅邊”植被敏感波段可有效提升植被、作物等的識(shí)別精度。

二、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

森林火災(zāi)是指發(fā)生在除城市市區(qū)以外，在開(kāi)放的森林生態(tài)系統(tǒng)中失去人為控制的森林燃燒現(xiàn)象。在我國(guó)，森林火災(zāi)具有隨機(jī)性、突發(fā)性、破壞性，是一種處置救助較為困難的自然災(zāi)害，也是森林生態(tài)系統(tǒng)最主要的干擾因素之一[3]。森林火災(zāi)的發(fā)生往往會(huì)造成森林資源的嚴(yán)重?fù)p失，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)，同時(shí)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)釋放大量的CO2、CH4等溫室氣體，引起地表濕度和溫度等變化，對(duì)全球生態(tài)環(huán)境帶來(lái)影響。對(duì)火燒跡地的準(zhǔn)確識(shí)別是開(kāi)展森林火災(zāi)災(zāi)情監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)工作。準(zhǔn)確的過(guò)火面積信息可以反映森林植被的變化和經(jīng)濟(jì)損失，也可以評(píng)估生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。近年來(lái)，較多研究表明利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行火燒跡地的識(shí)別和火災(zāi)損失評(píng)估是一種非常有效的方法[4]。遙感技術(shù)具有快速、經(jīng)濟(jì)、宏觀的特點(diǎn)，適用于對(duì)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)和過(guò)火面積的估算，尤其是在人員難以到達(dá)的偏遠(yuǎn)林區(qū)。目前，利用遙感數(shù)據(jù)識(shí)別森林火燒跡地的研究已取得顯著進(jìn)展；在全球尺度或長(zhǎng)時(shí)間序列的火燒跡地識(shí)別中，主要采用具有高時(shí)間分辨率、中低空間分辨率特性的AVHRR、MODIS等遙感產(chǎn)品[5-7]；而在小區(qū)域范圍內(nèi)的火燒跡地識(shí)別中多采用中高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，如TM影像[8]、高分一號(hào)影像[9]、CBERS影像[10]等。高分六號(hào)衛(wèi)星增加了能夠有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段?；诟叻至?hào)寬幅數(shù)據(jù)的這一優(yōu)勢(shì)，本文選取2018年6月1日發(fā)生在內(nèi)蒙古大興安嶺重點(diǎn)國(guó)有林管理局汗馬自然保護(hù)區(qū)的森林火災(zāi)形成的火燒跡地為研究區(qū)，分析并評(píng)價(jià)該數(shù)據(jù)在森林火燒跡地識(shí)別中的應(yīng)用能力，以期為我國(guó)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1.森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)實(shí)例

2018年6月1日19時(shí)，內(nèi)蒙古大興安嶺重點(diǎn)國(guó)有林管理局汗馬自然保護(hù)區(qū)發(fā)生的森林火災(zāi)，經(jīng)3620人（其中林業(yè)撲火隊(duì)1940人、森警1680人）的全力撲救，于6日10時(shí)全線合圍，外線明火全部撲滅，過(guò)火總面積約5100公頃（其中，內(nèi)蒙古境內(nèi)約4500公頃，黑龍江境內(nèi)約600公頃）。著火區(qū)域位于大興安嶺北段西坡，呼倫貝爾市北部，屬于溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量400～500mm，平均氣溫-5.5℃，優(yōu)勢(shì)樹(shù)種為興安落葉松、白樺、山楊、樟子松等。本文獲取該區(qū)域2018年7月30日高分六號(hào)寬幅數(shù)據(jù)，作為火燒跡地識(shí)別的數(shù)據(jù)源。

（1）典型地物光譜分析

對(duì)經(jīng)輻射定標(biāo)和正射校正等預(yù)處理后的高分六號(hào)寬幅數(shù)據(jù)，分別選取森林、灌木、裸地、火燒跡地、水體、云和云陰影區(qū)等七種樣本，將選取的典型地物樣本分為分類樣本和評(píng)價(jià)樣本，分別用于七種類型識(shí)別以及精度驗(yàn)證。利用分類樣本對(duì)其在各波段的輻射亮度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，火燒跡地在高分六號(hào)寬幅數(shù)據(jù)的可見(jiàn)光近紅外區(qū)間各通道（1-4波段）的輻射亮度值與水體對(duì)應(yīng)通道值相差較少，而在其兩個(gè)紅邊波段（5波段和6波段）均表現(xiàn)出一定的差異，利用這兩個(gè)紅邊波段數(shù)據(jù)與其他波段數(shù)據(jù)結(jié)合，有利于火燒跡地的識(shí)別和提取。

圖1 典型地物輻射亮度統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

（2）樣本分離性評(píng)價(jià)

利用ENVI5.3.1軟件，對(duì)已選取的分類樣本森林、灌木、裸地、火燒跡地、水體、云和云陰影區(qū)等七類樣本進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算任意類別間的統(tǒng)計(jì)距離，用以確定兩個(gè)類別間的差異性程度，從而衡量所選類型樣本的可分離性，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高分六號(hào)寬幅數(shù)據(jù)分類樣本分離性評(píng)價(jià)結(jié)果

從表1可以看出，云陰影與火燒跡地的可分離度最低，但所有地物間的可分離度均大于1.9，這說(shuō)明所選各類典型地物樣本間的可分離性較好，有利于不同地物類型的識(shí)別。

（3）火燒跡地識(shí)別

采用最大似然法，分別利用高分六號(hào)寬幅數(shù)據(jù)的1-4波段（不包含紅邊波段信息）、1-5波段和1-6波段影像來(lái)識(shí)別森林火燒跡地，并對(duì)識(shí)別結(jié)果的精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 高分六號(hào)寬幅數(shù)據(jù)火燒跡地識(shí)別結(jié)果圖（a為研究區(qū)假彩色合成圖R：3波段、G：4波段、B：2波段 ；b為1-4波段識(shí)別結(jié)果；c為1-5波段識(shí)別結(jié)果；d為1-6波段識(shí)別結(jié)果）

圖2中黑色區(qū)域?yàn)樽R(shí)別的火燒跡地，經(jīng)精度驗(yàn)證得出：精度最高的是采用高分六號(hào)寬幅數(shù)據(jù)1-5波段影像時(shí)生成的結(jié)果，火燒跡地識(shí)別精度為87.25%，總精度為87.71%，Kappa系數(shù)為0.81；而利用其1-6波段影像火燒跡地識(shí)別精度為85.72%，總精度為85.82%，Kappa系數(shù)為0.79；不利用其紅邊波段信息火燒跡地識(shí)別精度為83.80%，總精度為85.66%，Kappa系數(shù)為0.79。三種識(shí)別總精度均優(yōu)于80%，采用紅邊波段信息可使火燒跡地識(shí)別精度有所提高。結(jié)果表明，高分六號(hào)影像的光譜質(zhì)量較好，監(jiān)督分類結(jié)果符合實(shí)際火燒跡地的情況，可較好地表現(xiàn)森林火燒跡地細(xì)節(jié)和識(shí)別火燒跡地等，新增的紅邊信息可提高森林火燒跡地的識(shí)別精度。

2.應(yīng)用總結(jié)

利用選取的高分六號(hào)16m多光譜中分辨率寬幅影像，采用最大似然法，分別利用影像的1-4波段、1-5波段和1-6波段，對(duì)內(nèi)蒙古大興安嶺汗馬自然保護(hù)區(qū)開(kāi)展了火燒跡地等類型識(shí)別研究，結(jié)果表明：高分六號(hào)寬幅數(shù)據(jù)可較好地表現(xiàn)森林火燒跡地細(xì)節(jié)和識(shí)別火燒跡地等，新增的紅邊信息可提高森林火燒跡地的識(shí)別精度，能夠滿足我國(guó)森林火災(zāi)災(zāi)情信息評(píng)價(jià)中對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求，有助于為森林火災(zāi)災(zāi)后恢復(fù)評(píng)價(jià)等工作提供更精細(xì)的數(shù)據(jù)資料。

三、發(fā)展展望

《全國(guó)森林防火規(guī)劃（2016-2025年）》提出了二期規(guī)劃總目標(biāo)，我國(guó)將重點(diǎn)實(shí)施林火預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)[11]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要形成一個(gè)將多源遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合集成高效、全面靈活的監(jiān)控體系。我國(guó)高分專項(xiàng)衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射和廣泛應(yīng)用，極大豐富了我國(guó)自主的對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)源。高分六號(hào)與高分一號(hào)衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行，大大縮短了數(shù)據(jù)的更新周期，也彌補(bǔ)了單顆衛(wèi)星在短期內(nèi)影像不能覆蓋目標(biāo)區(qū)域的不足。隨著我國(guó)高分系列衛(wèi)星成功發(fā)射并投入使用，結(jié)合具有亞米級(jí)空間分辨率的高分二號(hào)和具有分鐘級(jí)對(duì)地觀測(cè)能力的高分四號(hào)等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在時(shí)間和空間上為森林火災(zāi)應(yīng)急指揮工作提供數(shù)據(jù)資料和技術(shù)保障。與此同時(shí)，在未來(lái)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系建設(shè)中，還需結(jié)合航空監(jiān)測(cè)、地面監(jiān)測(cè)與衛(wèi)星監(jiān)測(cè)等不同監(jiān)測(cè)平臺(tái)，逐步構(gòu)建天-空-地一體化森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系，為我國(guó)森林資源高效管理和陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。