利用衛(wèi)星系統(tǒng)提升我國森林火災(zāi)監(jiān)測能力探討

劉志勇 蔣岳新 申志強(qiáng) 李帥 趙雪

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 應(yīng)急管理部森林防火預(yù)警監(jiān)測信息中心，北京 100065)(3 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

森林火災(zāi)，是指失去人為控制、對森林和森林生態(tài)系統(tǒng)及人類帶來一定危害和損失的林火行為。研究利用遙感衛(wèi)星增強(qiáng)對森林火災(zāi)的及時探測、發(fā)現(xiàn)、預(yù)警能力意義重大，不僅可以減輕災(zāi)害損失，還能夠擴(kuò)大遙感衛(wèi)星應(yīng)用范圍，促進(jìn)遙感探測載荷技術(shù)進(jìn)步。國外很多機(jī)構(gòu)、學(xué)者投入大量資源進(jìn)行遙感衛(wèi)星探測森林火災(zāi)的技術(shù)研究，取得了很多成果，但也存在著數(shù)據(jù)綜合利用水平不足、精確預(yù)警火災(zāi)能力不夠等問題。森林的燃燒必須同時具備可燃物、氧氣和一定的溫度(火源)3個條件，缺一不可。常見的森林火災(zāi)主要有地下火、地表火、樹冠火等3種[1]，森林火災(zāi)的燃燒發(fā)展通常經(jīng)歷預(yù)熱階段、燃燒階段和熄滅階段[1]。開始燃燒時生成二氧化氮?dú)怏w和不可見的小顆粒(直徑約在0.01～0.05 pm)等，煙霧氣溶膠開始散發(fā)；出現(xiàn)明火后，伴隨更多煙霧(煙霧顆粒直徑約在0.3～1.0 pm)，煙霧粒子更加凝聚，并產(chǎn)生大量有害氣體?；馂?zāi)發(fā)生時一般有3種熱物理現(xiàn)象：陰燃、火羽流、煙氣，同時產(chǎn)生煙霧氣溶膠、煙霧高溫、火焰光等現(xiàn)象，這些都稱為火災(zāi)參量，通過衛(wèi)星對這些參量進(jìn)行監(jiān)測就可以判斷是否發(fā)生了火災(zāi)。陰燃的典型溫度范圍為600～1100 K，火羽流熱解的典型溫度在600～900 K，氣相火焰為1200～1700 K。煙氣溫度的上限低于火羽流的溫度，而下限則高于環(huán)境溫度，一般為300～800 K。由輻射定律可知，當(dāng)物體為黑體時，依靠其自身發(fā)光而表現(xiàn)出物體形體的圖像信息，其溫度必須超過873 K。經(jīng)過不斷的試驗(yàn)、研究和技術(shù)進(jìn)步，利用遙感衛(wèi)星監(jiān)測火災(zāi)取得了明顯效果，在森林火災(zāi)監(jiān)測活動中扮演了越來越重要的角色。

本文首先介紹了衛(wèi)星系統(tǒng)監(jiān)測火災(zāi)的原理和過程；其次對用于火災(zāi)監(jiān)測的衛(wèi)星系統(tǒng)作對比分析；再次梳理了現(xiàn)有系統(tǒng)針對火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用存在的問題與差距分析；最后考慮未來發(fā)展，提出進(jìn)一步提高衛(wèi)星監(jiān)測能力的建議。

1 衛(wèi)星系統(tǒng)監(jiān)測火災(zāi)的原理

以在空間特定軌道上運(yùn)行的人造地球衛(wèi)星、空間站等為平臺，配置輻射計(jì)、相機(jī)、激光、雷達(dá)等有效載荷，可從空間軌道上探測火災(zāi)風(fēng)險、火情、走勢等。可以對森林火災(zāi)進(jìn)行大范圍、便捷、高效的監(jiān)測，解決地面和航空監(jiān)測所面臨的盲區(qū)監(jiān)測計(jì)算精度低、工作繁雜且費(fèi)用高等問題。協(xié)同應(yīng)用大氣、海洋、陸地遙感衛(wèi)星系統(tǒng)，能夠監(jiān)測林區(qū)的溫度、大氣相對濕度、風(fēng)速、火情演變、火燒跡地等參數(shù)變化[2]，為森林火災(zāi)的風(fēng)險預(yù)測以及采取相應(yīng)措施提供決策依據(jù)。在衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)中不同的電磁波譜范圍對溫度和地物類型有著不同的光譜響應(yīng)，這也是利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警、監(jiān)測的基礎(chǔ)。

遙感火點(diǎn)判識的基本原理主要依靠溫度升高導(dǎo)致熱輻射增強(qiáng)，以及不同熱紅外通道增長幅度差異這兩個條件。自然界的不同物體由于自身溫度及物理化學(xué)性質(zhì)的不同，它們具有不同的波譜特性。當(dāng)生物質(zhì)燃燒時，主要的輻射源是火焰和具有較高溫度的碳化物、水蒸氣、煙等。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，高溫?zé)嵩吹臏囟茸兓钟欣谂凶R高溫?zé)嵩础?/p>

根據(jù)維恩位移定律

λmaxT=C

(1)

式中：T為黑體溫度(K)；λmax為輻射峰值波長(μm)；C為常數(shù)，C=2897.8。

由此，常溫(300 K)地表輻射峰值波長在10 μm左右。當(dāng)物質(zhì)著火時，溫度可達(dá)500～750 K以上，對應(yīng)輻射峰值波長位于3.86～5.8 μm，該波長正好對應(yīng)衛(wèi)星探測器的紅外通道，衛(wèi)星遙感林火監(jiān)測正是應(yīng)用了上述原理，利用不同波長熱輻射的差異性判定火點(diǎn)。若以物體未發(fā)生燃燒時的輻射為背景輻射，利用燃燒輻射與背景輻射的差異，可以從衛(wèi)星遙感信息中及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)。

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)[3]。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。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)判識等幾個環(huán)節(jié)。利用遙感衛(wèi)星獲取的遙感圖像進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險預(yù)警和監(jiān)測，具有較高的時間、空間分辨率及較大檢測范圍等特點(diǎn)，可以連續(xù)跟蹤與監(jiān)測森林火災(zāi)發(fā)生與發(fā)展的動態(tài)過程并提供詳盡森林火災(zāi)各種指標(biāo)，如森林火發(fā)生的位置、過火面積、火災(zāi)區(qū)域地面溫度、大氣相對濕度、火災(zāi)發(fā)生的地形與地貌等。正因如此，衛(wèi)星遙感影像技術(shù)已經(jīng)成為全球各國森林火災(zāi)監(jiān)測與防治不可或缺與首選手段。

當(dāng)前，衛(wèi)星遙感影像技術(shù)被廣泛采用于森林火災(zāi)監(jiān)測與防治的全過程。如當(dāng)遙感影像數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，就能在影像圖像中找到高溫異常點(diǎn)，這些高溫異常點(diǎn)正是森林火災(zāi)發(fā)生之處?？梢跃C合分析多個衛(wèi)星源、多個譜段、多個通道的數(shù)據(jù)，既能提升一定程度的時間分辨率，也可以利用交叉判斷的方法，在災(zāi)害監(jiān)測的可信度上獲得提升。

2 用于火災(zāi)監(jiān)測的衛(wèi)星系統(tǒng)

目前，用于火災(zāi)監(jiān)測的衛(wèi)星系統(tǒng)，從軌道特點(diǎn)看，主要有兩類：一類運(yùn)行于地球靜止軌道(高軌)，典型系統(tǒng)有風(fēng)云四號、向日葵八號和高分四號；一類運(yùn)行于太陽同步軌道，典型系統(tǒng)有：諾瓦(NOAA)衛(wèi)星、地球觀測衛(wèi)星(EOS)、風(fēng)云三號、環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星、哨兵3A等(見表1)。

(1)中國風(fēng)云四號衛(wèi)星于2016年12月發(fā)射入軌，定點(diǎn)于104.5°E，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，設(shè)計(jì)壽命7年。衛(wèi)星搭載了輻射成像儀(AGRI)，成像觀測通道14個，全圓盤圖像觀測時間15 min，最高空間分辨率0.5 km。其在3.5～4 μm設(shè)置了2個通道，兼顧低溫、高溫不同動態(tài)范圍，主要覆蓋我國國土范圍，既可判識地面火點(diǎn)位置，又可為火點(diǎn)提供溫度、強(qiáng)度信息。

(2)中國高分四號衛(wèi)星于2015年12月發(fā)射入軌[2]，是世界首顆靜止軌道高分辨率光學(xué)成像遙感衛(wèi)星，主載荷是一臺50 m分辨率凝視相機(jī)。該衛(wèi)星可對中國及周邊地區(qū)進(jìn)行近實(shí)時連續(xù)觀測，其中，中波紅外通道重復(fù)觀測間隔只需要1 s，可提升火災(zāi)觀測時間分辨率。在林火預(yù)警方面，既能對全國下墊面進(jìn)行持續(xù)觀測并進(jìn)行風(fēng)險評估，還可以獲得森林可燃物長勢、濕度等信息。如遇到緊急情況，可根據(jù)需要靈活調(diào)整成像積分時間，比較適合對動目標(biāo)或快速變化目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視成像，并有能力進(jìn)行大動態(tài)范圍觀測，也可對目標(biāo)多次曝光成像再進(jìn)行累加，進(jìn)一步提高信噪比。如果我國不同地區(qū)出現(xiàn)多災(zāi)并發(fā)情況，可以通過機(jī)動巡查成像方式，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)輪流觀測。

(3)日本向日葵八號衛(wèi)星于2014年10月發(fā)射入軌[4]，定點(diǎn)于140.7°E，觀測范圍80°E～200°E、75°S～75°N，設(shè)計(jì)壽命8年。衛(wèi)星搭載了輻射成像儀(AHI)，能夠10 min獲取一幅地球圓盤圖掃描圖像，特定區(qū)域掃描時間2.5 min。有16個觀測通道，可見光通道空間分辨率0.5～1 km，紅外通道分辨率1～2 km[5]。AHI第7通道觀測波長3.9 μm，數(shù)據(jù)量化位數(shù)為14，該通道剔除了對地觀測的一些背景噪聲，針對性很強(qiáng)，主要是用于探測高溫輻射熱源，例如森林火災(zāi)、火山活動等。

(4)美國“土”(Terra)衛(wèi)星和“水”(Aqua)衛(wèi)星分別于1999年、2002年發(fā)射入軌，兩顆衛(wèi)星均搭載了中等分辨率成像光譜儀(MODIS)傳感器[5]。MODIS上的探測器具有36個光譜通道，波長從可見光、近紅外、中紅外及熱紅外范圍，地面分辨率分別為250 m、500 m和1 km，掃描寬度為2330 km。Terra-MODIS的過頂時間為上午10:30左右，而Aqua-MODIS則為下午13:30左右。MODIS設(shè)計(jì)時主要的任務(wù)之一就是支持森林草原火災(zāi)探測。MODIS具有2個中心波長為4 μm的中紅外通道和1個中心波長為11 μm的遠(yuǎn)紅外通道。數(shù)據(jù)免費(fèi)向全球用戶播發(fā)，獲得廣泛應(yīng)用。

(5)美國NOAA衛(wèi)星由國家大氣海洋局負(fù)責(zé)，搭載其上的先進(jìn)甚高分辨率輻射計(jì)(AVHRR)載荷數(shù)據(jù)應(yīng)用于火災(zāi)監(jiān)測已經(jīng)有了很長時間，能提供覆蓋全球的中分辨率遙感影像。第三代AVHRR有6個通道，空間分辨率達(dá)1.09 km。AVHRR第3、4通道的中心波長分別為3.7 μm和11 μm。第3通道接收的輻射能量最大，對高溫極為敏感，是識別火點(diǎn)的關(guān)鍵。但因?yàn)樵撏ǖ里柡蜏囟容^低，所以比較容易飽和，因此在利用該通道判讀火點(diǎn)信息時會對準(zhǔn)確率造成影響。

表1 支持森林火災(zāi)監(jiān)測的常用遙感衛(wèi)星資源對比

3 存在的問題與差距分析

用遙感衛(wèi)星進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險預(yù)判、火情監(jiān)測及火燒跡地評估發(fā)揮了很大作用，但也存在如下幾方面問題，有待發(fā)展更多先進(jìn)技術(shù)加以克服。

(1)高軌分辨率有待提高。國際上，新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星的空間分辨率在0.5～2.0 km范圍。受天氣因素影響比較大，如果云層覆蓋火災(zāi)區(qū)域，則難以獲得清晰圖像。如果火場面積小(不足0.1 km2)、火勢較弱，高軌衛(wèi)星很難靈敏探測。在火災(zāi)中期，火場面積超過2 km2時，高軌衛(wèi)星才能夠有效監(jiān)測。

(2)探測精度有待提升。實(shí)際應(yīng)用中，希望衛(wèi)星有效載荷在可見光、近紅外波段的典型信噪比達(dá)到200或更高一些，具備一定的動態(tài)范圍，且探測精度在壽命期內(nèi)保質(zhì)穩(wěn)定、不衰減。目前主要受制于星上探測器規(guī)模和制冷器研制水平，在信噪比、絕對輻射定標(biāo)精度等方面還有較大提升空間。

(3)觀測時效性仍顯不足。高軌衛(wèi)星一般定點(diǎn)于某區(qū)域上空，對觀測范圍內(nèi)的火情態(tài)勢時效性較強(qiáng)，但范圍之外就無能為力了。低軌衛(wèi)星一般空間分辨率較高，但需要大規(guī)模組網(wǎng)來提高重訪能力，多顆衛(wèi)星協(xié)同觀測才能彌補(bǔ)單顆衛(wèi)星過頂時間嚴(yán)重不足的問題，但這帶來了部署衛(wèi)星、維持星座的成本上升，有待尋求更有價值的解決方案。

4 提高衛(wèi)星監(jiān)測能力的建議

1)合理設(shè)置譜段，增強(qiáng)火災(zāi)監(jiān)測能力

對森林火災(zāi)監(jiān)測有直接和重要支持作用的有效載荷包括可見光、紅外、高光譜等類型。這些載荷的設(shè)計(jì)研制，首先考慮的是空間分辨率，我國已發(fā)展了千米級、16 m、8 m等不同分辨率的有效載荷，如風(fēng)云四號搭載的成像輻射計(jì)，可見光成像分辨率0.5 km、紅外成像分辨率2 km；高分一號搭載了2 m/8 m和16 m相機(jī)。其次是波段設(shè)置，尤其是紅外遙感載荷，還要考慮信噪比、飽和范圍、傳函等參數(shù)配置。未來5 m紅外衛(wèi)星，將在低軌實(shí)現(xiàn)5 m分辨率紅外圖像觀測能力，建議將幅寬設(shè)計(jì)大于20 km，信噪比設(shè)計(jì)優(yōu)于300。針對現(xiàn)有在軌紅外載荷技術(shù)不足，載荷中長波紅外譜段數(shù)量設(shè)計(jì)到4個以上，這樣可大大提升對火災(zāi)風(fēng)險、演變的跟蹤監(jiān)測。

2)多星協(xié)同互補(bǔ)，構(gòu)建災(zāi)害監(jiān)測體系

充分利用高、中、低軌道資源，利用國外、國內(nèi)兩類衛(wèi)星數(shù)據(jù)，構(gòu)成多星協(xié)同觀測體系，利用不同衛(wèi)星不同的波段范圍、靈敏度、分辨率和過境時間，互補(bǔ)達(dá)到更佳的火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警效果。這樣不僅對森林火災(zāi)形成強(qiáng)大的監(jiān)測能力，也兼顧臺風(fēng)、洪澇、霧霾、滑坡/泥石流等其他災(zāi)害監(jiān)測。高軌系統(tǒng)，主要利用風(fēng)云四號、向日葵八號[5]、高分四號等數(shù)據(jù)。發(fā)揮高軌道衛(wèi)星快速重訪優(yōu)勢，重點(diǎn)進(jìn)行火點(diǎn)/熱源點(diǎn)檢測和風(fēng)險預(yù)判，快速識別火點(diǎn)位置，預(yù)測預(yù)報林火的變化趨勢。考慮發(fā)展中軌光學(xué)系統(tǒng)，同時兼用哨兵三號衛(wèi)星數(shù)據(jù)。低軌系統(tǒng)，主要利用風(fēng)云三號、環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星、5 m紅外衛(wèi)星(空基規(guī)劃)以及國外的NOAA/AVHRR、EOS/MODIS數(shù)據(jù)。

3)強(qiáng)化數(shù)據(jù)處理，提高信息更新速度

遙感數(shù)據(jù)處理有兩種方式：一是在地面集中處理，可以利用國、內(nèi)外多顆衛(wèi)星、多時相數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，處理結(jié)果較為精確可靠，缺點(diǎn)是處理過程復(fù)雜、處理速度較慢；二是星上智能處理，主要利用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，在衛(wèi)星上的觀測數(shù)據(jù)中直接提取有用信息，可以大大提升信息提取、林火識別速度和數(shù)據(jù)更新速率，但受限于衛(wèi)星的智能化程度和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，識別精度和靈活性有待大幅度提高。星上處理是提升火災(zāi)預(yù)警、風(fēng)險識別、火點(diǎn)信息高速更新的重要技術(shù)方向，未來隨著星上軟件重構(gòu)、大規(guī)模運(yùn)算能力提升、多星互聯(lián)協(xié)同技術(shù)進(jìn)步等，會逐漸取得更多突破。

5 結(jié)束語

本文圍繞遙感衛(wèi)星火災(zāi)監(jiān)測主題，分析了現(xiàn)有系統(tǒng)用于火災(zāi)監(jiān)測情況及存在的問題與差距，并綜合火災(zāi)監(jiān)測需求及未來技術(shù)發(fā)展，在載荷、系統(tǒng)等方面提出進(jìn)一步提高衛(wèi)星監(jiān)測能力的建議，可以作為我國未來發(fā)展應(yīng)急管理衛(wèi)星監(jiān)測體系的參考，希望能夠?yàn)槲覈裼每臻g基礎(chǔ)設(shè)施體系完善和能力提升提供支持。