高分六號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)在森林草原火情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

文 | 覃先林 李增元 李凡 劉倩 胡心雨 李曉彤

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所 / 國(guó)家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、引言

森林和草原在維護(hù)生態(tài)平衡中起著決定性作用。十八大以來，我國(guó)賦予了林業(yè)和草原在建設(shè)生態(tài)文明和推動(dòng)綠色發(fā)展中新的地位、新的使命和新的任務(wù)。近年來，隨著全球氣候變暖和極端天氣事件增加，國(guó)內(nèi)外森林大火頻發(fā)，造成大量的森林資源和財(cái)產(chǎn)損失，有時(shí)還釀成慘重的人身傷亡事件，影響了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。減少森林草原火災(zāi)發(fā)生次數(shù)、降低火災(zāi)造成的損失，是我國(guó)森林草原防火業(yè)務(wù)面臨的一項(xiàng)十分重要的工作任務(wù)[1-2]。

衛(wèi)星遙感因具有覆蓋范圍廣、觀測(cè)頻次高等特性，能夠準(zhǔn)實(shí)時(shí)地跟蹤與監(jiān)測(cè)森林草原火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展及變化情況，已在國(guó)內(nèi)外林火預(yù)警、監(jiān)測(cè)、損失評(píng)估等方面廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)已建立了基于中低空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的火情衛(wèi)星監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，每天對(duì)全國(guó)及周邊地區(qū)的森林草原火情進(jìn)行監(jiān)測(cè)與信息服務(wù)，已經(jīng)成為我國(guó)森林和草原火災(zāi)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中一種不可或缺的重要監(jiān)測(cè)技術(shù)手段[3-4]。

我國(guó)從“十一五”末期開始實(shí)施“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)”（簡(jiǎn)稱高分專項(xiàng)），以滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全的需要[5]。高分六號(hào)（GF-6）衛(wèi)星是該專項(xiàng)中的民用高分衛(wèi)星之一，于2018年6月2日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，2019年3月21日正式投入使用[6]，攜帶一臺(tái)高分相機(jī)和一臺(tái)寬幅相機(jī)。前者有2m 空間分辨率的全色（PAN）、8m 空間分辨率的4 譜段多光譜（PMS）圖像產(chǎn)品，后者有16m 空間分辨率的8譜段多光譜（WFV）圖像產(chǎn)品，GF-6 PMS 觀測(cè)幅寬95km，GF-6 WFV 觀測(cè)幅寬860km，具有高分辨率、寬覆蓋和高質(zhì)量等特點(diǎn)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命8年，將支撐農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測(cè)、林業(yè)資源調(diào)查、防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)等數(shù)據(jù)需求，并為生態(tài)文明建設(shè)、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略等重大需求提供遙感數(shù)據(jù)支撐。國(guó)家林業(yè)和草原局作為該衛(wèi)星的主用戶之一，參與了該衛(wèi)星的研制、在軌測(cè)試和應(yīng)用示范等工作[7]。

二、應(yīng)用情況

自2019年3月21日GF-6 衛(wèi)星正式交付運(yùn)行以來，林業(yè)行業(yè)根據(jù)GF-6 衛(wèi)星數(shù)據(jù)特性和覆蓋狀況，分別開展了森林、濕地、沙化土地、林業(yè)生態(tài)工程和森林災(zāi)害等林業(yè)和草原行業(yè)典型監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用示范工作。在此，僅對(duì)近兩年內(nèi)該衛(wèi)星數(shù)據(jù)在我國(guó)及境外森林草原火情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

1.煙區(qū)監(jiān)測(cè)

森林和草原等植被發(fā)生燃燒時(shí)，燃燒物質(zhì)因含有水分和不完全燃燒而導(dǎo)致產(chǎn)生大量煙的現(xiàn)象。煙通常是由高濃度懸浮物和氣溶膠組成，在光學(xué)衛(wèi)星遙感影像的可見光近紅外光譜通道，可較好地反映煙點(diǎn)或煙區(qū)的分布、濃度和面積大小等信息，為利用光學(xué)衛(wèi)星遙感技術(shù)檢測(cè)煙點(diǎn)（區(qū)）提供了可行的條件。由于煙的遮蓋，在森林草原火災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)過程中，煙覆蓋下的一些低溫燜燒火點(diǎn)常會(huì)被遺漏，從而影響火災(zāi)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

基于GF-6 可見近紅外通道具有對(duì)植被燃燒釋放的煙敏感的特性，利用經(jīng)輻射、大氣校正和幾何校正等處理后的GF-6 WFV 數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)生在澳大利亞東南部維多利亞州、巴西亞馬遜等地的森林火災(zāi)釋放的煙區(qū)進(jìn)行識(shí)別來監(jiān)測(cè)當(dāng)時(shí)火情的燃燒態(tài)勢(shì)，部分監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1 所示。

圖1 澳大利亞森林火災(zāi)煙區(qū)分布GF-6 WFV 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

從圖1 中可以得出起煙點(diǎn)位置及數(shù)量，以及煙區(qū)的走向、濃密及分布等信息。從煙區(qū)濃密程度可以得出植被燃燒火勢(shì)的大小，利用煙區(qū)的走向及分布，并結(jié)合地形和植被類型等信息，可預(yù)估未來火情蔓延的態(tài)勢(shì)。這些信息可有效地為森林火災(zāi)撲救決策提供科學(xué)技術(shù)支撐。

2.森林火災(zāi)災(zāi)情評(píng)估

森林火災(zāi)發(fā)生后，由于森林草原等植被遭受火災(zāi)的損失而導(dǎo)致其在GF-6 衛(wèi)星遙感影像上光譜特征的變化，通過GF-6 衛(wèi)星遙感影像不同譜段的結(jié)合，可以監(jiān)測(cè)得到火燒跡地的空間分布及其面積等災(zāi)情信息，從而為森林火災(zāi)的災(zāi)情評(píng)估和恢復(fù)重建等工作提供技術(shù)服務(wù)。

利用經(jīng)輻射校正、大氣校正和幾何校正等處理后的GF-6 PMS/WFV 影像，對(duì)發(fā)生在我國(guó)內(nèi)蒙古大興安嶺汗馬自然保護(hù)區(qū)、四川省涼山州和攀枝花市、云南省安寧市等境內(nèi)，以及澳大利亞東南部維多利亞州、巴西亞馬遜、美國(guó)加州等境外地區(qū)的森林火災(zāi)形成的火燒跡地進(jìn)行了監(jiān)測(cè)；并通過與高分一號(hào)（GF-1）和哨兵二號(hào)（Sentinel-2）等衛(wèi)星數(shù)據(jù)解譯的火燒跡地結(jié)果以及現(xiàn)地調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)了利用GF-6 數(shù)據(jù)進(jìn)行森林火災(zāi)災(zāi)情信息提取的應(yīng)用潛力；同時(shí)，還結(jié)合火災(zāi)發(fā)生前后的GF-6 影像以及當(dāng)?shù)氐纳仲Y源數(shù)據(jù)，對(duì)森林火災(zāi)造成的災(zāi)情損失情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，部分結(jié)果如圖2 所示。

圖2 四川省涼山州西昌市森林火災(zāi)災(zāi)情評(píng)價(jià)結(jié)果

從圖2（a）中可以看出，GF-6 PMS 影像可較好地反映火燒跡地分布區(qū)域及植被遭受火燒損失情況；而將森林火災(zāi)發(fā)生前后的GF-6 PMS 數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以對(duì)森林火災(zāi)造成的植被受災(zāi)程度進(jìn)行定量評(píng)估，如圖2（b）所示；災(zāi)情分級(jí)結(jié)果與圖2（a）影像表現(xiàn)基本一致。因此，在森林草原火災(zāi)災(zāi)情評(píng)價(jià)工作中，尤其是在重特大森林火災(zāi)發(fā)生后的災(zāi)后評(píng)估中，利用 GF-6 多光譜影像可較好地反映森林等植被遭受火燒傷害的程度特性，及時(shí)為森林火災(zāi)撲救及災(zāi)后恢復(fù)等決策提供數(shù)據(jù)和技術(shù)服務(wù)。

三、結(jié)論

近兩年通過GF-6 衛(wèi)星數(shù)據(jù)在國(guó)內(nèi)外森林草原火情監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，表明GF-6 衛(wèi)星空間分辨率為8m 的PMS 和16m 的WFV 影像均可以較好地反映植被、火燒跡地和煙區(qū)等信息；此外，該衛(wèi)星影像具有寬覆蓋特點(diǎn)，也可用于森林草原火災(zāi)的發(fā)現(xiàn)、火場(chǎng)態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)和災(zāi)情評(píng)估。

由于GF-6 衛(wèi)星為極軌衛(wèi)星，受幅寬和運(yùn)行軌道等限制，并不是每天都能覆蓋我國(guó)全國(guó)林地或重點(diǎn)林區(qū)，單星還較難滿足我國(guó)森林草原防火日常監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求，但通過與GF-1 衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè)，觀測(cè)周期可以縮短為兩天，將有力提升其觀測(cè)能力。隨著衛(wèi)星系統(tǒng)、地面系統(tǒng)等對(duì)GF-6 衛(wèi)星的輻射校正、幾何定位等工作的深入開展，將會(huì)為用戶開展定量化的應(yīng)用提供更可靠的GF-6 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，其在林業(yè)和草原行業(yè)的監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用中會(huì)更加深入，其應(yīng)用領(lǐng)域也會(huì)更加廣泛，將為我國(guó)及周邊地區(qū)的林業(yè)和草原生態(tài)環(huán)境建設(shè)工作提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和信息服務(wù)。