衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)應(yīng)用平臺

中國空間技術(shù)研究院 孫秀平

北京空間機電研究所 孫曉敏 徐崇斌

一、火情監(jiān)測的背景及意義

森林火災(zāi)極大地影響森林資源安全，造成生態(tài)平衡嚴(yán)重破壞，威脅生物多樣性，同時，也嚴(yán)重?fù)p害人民生命財產(chǎn)安全。因此，需要對森林草原火災(zāi)進(jìn)行及時、準(zhǔn)確的監(jiān)測與定位。而依靠傳統(tǒng)地面設(shè)備、人工服務(wù)和航空器對火情進(jìn)行監(jiān)測，不僅費用高，存在盲區(qū)，而且在時效性及監(jiān)測精度等方面都較差強人意。

與傳統(tǒng)的火情監(jiān)測手段相比，衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測系統(tǒng)以其動態(tài)實時監(jiān)測、更新速度快、覆蓋面積大等優(yōu)點，已成為火災(zāi)預(yù)防和監(jiān)測的重要手段，并廣泛應(yīng)用于森林草原火災(zāi)的預(yù)警、動態(tài)監(jiān)測和災(zāi)后評估工作。近年來，北京航天創(chuàng)智科技有限公司（以下簡稱“航天創(chuàng)智公司”）的研究團(tuán)隊發(fā)揮航天系統(tǒng)工程優(yōu)勢，致力于開展衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)系統(tǒng)解決方案的研究工作，開發(fā)出衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)應(yīng)用平臺。該平臺的開發(fā)基于高頻次遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)源，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)、大數(shù)據(jù)智能計算技術(shù)，可以對大區(qū)域目標(biāo)特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)和人煙稀少地區(qū)進(jìn)行無死角、全天候、連續(xù)實時監(jiān)控，能夠及早發(fā)現(xiàn)早期地面火情，第一時間將報警信息推送至權(quán)責(zé)人聯(lián)系電話上；對于已發(fā)現(xiàn)的火情，可以根據(jù)下墊面信息自動判定火災(zāi)類型，對火災(zāi)的蔓延情況進(jìn)行連續(xù)跟蹤監(jiān)測，為撲火提供輔助決策信息。同時，該平臺融合了氣象及地理信息系統(tǒng)，可提供各類氣象信息、地理信息，便于輔助進(jìn)行災(zāi)后評估、統(tǒng)計分析等工作。圖1為衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測平臺架構(gòu)情況。

圖1 衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測平臺架構(gòu)

衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測平臺立足現(xiàn)狀、著眼未來，重點突出“多源數(shù)據(jù)融合、全自動化智能處理、多手段警報推送、靈活的部署與集成方式”，在火情的早期預(yù)警發(fā)現(xiàn)、火情蔓延發(fā)展監(jiān)測、災(zāi)后損失評估上，提供了以消防應(yīng)急業(yè)務(wù)流程為核心的成熟、穩(wěn)定的綜合性解決應(yīng)用方案。該平臺在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的層面上，參考并遵循最新的國家規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供標(biāo)準(zhǔn)化的火情監(jiān)測輸出產(chǎn)品，最大程度滿足各應(yīng)用管理部門的業(yè)務(wù)流程需要，降低部署集成成本，提高火情監(jiān)控的管理效率。

二、平臺服務(wù)概述及處理流程

（一）火情平臺服務(wù)概述

衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測平臺的服務(wù)主要由后端數(shù)據(jù)處理和前端展示兩部分組成。地理信息、遙感影像及地物識別分類信息組成平臺后端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過遙感算法模型，可準(zhǔn)確提取地面異常高溫點，進(jìn)而判識地面火情。由于單一衛(wèi)星數(shù)據(jù)不足以支撐平臺對時空分辨率的要求，因此，利用人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)對多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源進(jìn)行綜合應(yīng)用分析，保證了監(jiān)測平臺自動解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性。在該平臺中，對火點的判識、多源數(shù)據(jù)的整理分發(fā)工作，都在后端數(shù)據(jù)中心服務(wù)器完成。經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)加工流程，火情信息被及時推送到前端，向用戶展示圖形化運算結(jié)果。前端界面目前能夠提供實時監(jiān)測、歷史回放、應(yīng)急指揮、災(zāi)情評估、火情專報、環(huán)境污染監(jiān)測等6項專業(yè)模塊化信息服務(wù)。

該平臺服務(wù)可以有效覆蓋傳統(tǒng)森林草原火情監(jiān)控的盲區(qū)，縮短從起火到發(fā)現(xiàn)的報警間隔，智能提供解譯成果并自動生成統(tǒng)計分析報告；利用多源數(shù)據(jù)，其能同時兼顧火點識別的時間頻次和空間精度；其靈活的部署方式，能夠匹配不同地區(qū)及不同部門原有火情監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)度，實現(xiàn)“1+1＞2”的共贏生態(tài)模式，避免公共資源浪費；除必要的服務(wù)端后臺及平臺端界面以外，該平臺還提供包括APP、微信公眾號等便利的信息終端服務(wù)，能夠確保報警信息在第一時間傳達(dá)。圖2為衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺主界面示例。

圖2 衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺主界面示例

（二）火情監(jiān)測涉及衛(wèi)星數(shù)據(jù)源分析

目前，衛(wèi)星遙感監(jiān)測火情主要依靠地球同步軌道衛(wèi)星，常用的衛(wèi)星主要有美國的GOES衛(wèi)星系列、MODIS衛(wèi)星系列，歐洲的Meteosat衛(wèi)星系列，日本的Himawari-8系列衛(wèi)星，國內(nèi)的風(fēng)云衛(wèi)星系列等。衛(wèi)星傳感器的參數(shù)情況詳見表1。其中，Himawari-8衛(wèi)星能夠提供每10min一次的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，這對火情的及時發(fā)現(xiàn)和控制非常重要，本文所述平臺即以Himawari-8衛(wèi)星為主進(jìn)行火情監(jiān)測，同時接入其他衛(wèi)星作為輔助，以進(jìn)一步提高該平臺對火情的監(jiān)測能力。

表1 衛(wèi)星傳感器相關(guān)參數(shù)情況

（三）火情監(jiān)測處理流程

衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺基于地理信息、遙感影像及地物識別分類信息等基礎(chǔ)信息，在攻克了定位和空間分析準(zhǔn)確性等難題的基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)了災(zāi)情評估的無人值守一鍵式報告生成及推送。圖3為平臺數(shù)據(jù)處理流程圖。

圖3 衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測處理流程圖

三、技術(shù)創(chuàng)新

航天創(chuàng)智公司以空間遙感技術(shù)為核心開發(fā)的高頻次衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測平臺，在多遙感數(shù)據(jù)源融合、遙感數(shù)據(jù)全自動化解譯處理、氣象遙感數(shù)據(jù)火點判識等關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行了創(chuàng)新，從整體化、常態(tài)化和自動化等3個視角，完成了從技術(shù)到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。該平臺的主要技術(shù)創(chuàng)新點包括以下幾方面。

（一）多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合

近年來，我國政府職能部門陸續(xù)應(yīng)用遙感技術(shù)開展對地火點及高溫異常的常態(tài)化監(jiān)測，例如，生態(tài)環(huán)境部門進(jìn)行秸稈焚燒監(jiān)測，林業(yè)和草原管理部門進(jìn)行森林火災(zāi)監(jiān)測，應(yīng)急管理部門進(jìn)行危險品爆炸事故監(jiān)測等?？梢哉f，通過遙感衛(wèi)星對地面火點及高溫異常點的識別，目前已經(jīng)形成了穩(wěn)定的市場需求。但是，航天創(chuàng)智公司在進(jìn)行市場調(diào)研的過程中發(fā)現(xiàn)，無論是從事技術(shù)研究還是承擔(dān)監(jiān)測服務(wù)的實施單位，之前普遍使用的數(shù)據(jù)源基本都是基于美國NOAA/AVHRR和EOS/MODIS數(shù)據(jù)，鮮有國內(nèi)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以替代。隨著我國遙感技術(shù)的自主創(chuàng)新及技術(shù)進(jìn)步，尤其是以“風(fēng)云”系列、“高分”系列為代表的過程空間遙感衛(wèi)星星座的入軌及投入運營，無論是技術(shù)上還是效益上，國產(chǎn)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)應(yīng)用已越來越成為很多用戶的第一選擇，而且，國內(nèi)數(shù)據(jù)應(yīng)用后還可以與國外數(shù)據(jù)形成優(yōu)勢互補。例如，以MODIS、“風(fēng)云”3號衛(wèi)星為代表的極軌衛(wèi)星，重訪時間為每天2次，白天、晚上固定時間各1次，在火點識別的應(yīng)用中，無法做到全時段監(jiān)控，存在很多的監(jiān)控時間盲區(qū)，但定位精度一般較高；以“風(fēng)云”4號、“葵花”8號為代表的靜止軌道衛(wèi)星，雖然空間精度略差，但可實現(xiàn)每10min一次的全時段對地觀測頻次。航天創(chuàng)智公司的技術(shù)團(tuán)隊，創(chuàng)造性地將極軌衛(wèi)星和靜止軌道衛(wèi)星兩類多星的遙感數(shù)據(jù)源作為研究目標(biāo)，且主要針對國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的應(yīng)用進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，同時吸納國外數(shù)據(jù)應(yīng)用的成熟經(jīng)驗，最終形成高低搭配，可同時兼顧對地監(jiān)控的定位精度和監(jiān)控頻次。得益于該項技術(shù)創(chuàng)新，衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺實現(xiàn)了以下技術(shù)指標(biāo)：監(jiān)控頻次高，每10min/次，全天144個頻次；識別精度高，可識別面積大于10m×10m的明火。多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合情況如圖4所示。

（二）全自動化的數(shù)據(jù)處理及火點判別

基于遙感衛(wèi)星影像技術(shù)進(jìn)行火情監(jiān)測預(yù)警、對地面火點監(jiān)測的基本原理為運用遙感衛(wèi)星對地球表面進(jìn)行連續(xù)不間斷的掃描，通過衛(wèi)星地面站把掃描信息接收下來，再利用計算機對這些信息進(jìn)行處理。當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)火點時，明火處在遙感影像數(shù)據(jù)中紅外波段的輻射率急劇增高，混合像元亮溫迅速增加，遠(yuǎn)紅外通道混合像元亮溫也有所增加，但遠(yuǎn)小于中紅外通道。這將造成含有火點的中紅外通道混合像元亮溫明顯高于周邊無火點像元，而遠(yuǎn)紅外通道的混合像元亮溫增量與周邊無火點像元的差異一般不明顯，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有中紅外通道高。利用這一特點，即可以準(zhǔn)確判識火點信息。

由于現(xiàn)有遙感數(shù)據(jù)的時間頻次已達(dá)分鐘級別，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)型增長態(tài)勢，傳統(tǒng)使用人工或人機交互的半自動化數(shù)據(jù)處理技術(shù)，已無法匹配衛(wèi)星數(shù)據(jù)的更新速度。為突破該瓶頸，航天創(chuàng)智公司技術(shù)團(tuán)隊通過運用云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，成功研發(fā)出一套數(shù)據(jù)解譯分析系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)云端分布式存儲、大數(shù)據(jù)實時自動解算，該系統(tǒng)實現(xiàn)了對海量遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理及自動化火點判別監(jiān)測。衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺系統(tǒng)后臺目前已實現(xiàn)無人值守，能夠智能識別出火點且結(jié)合地理信息系統(tǒng)對熱點進(jìn)行定位，同時，分析下墊面植被類型及所屬行政區(qū)劃單位，主動推送火情報警。該平臺系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣（可同時完成對全國范圍內(nèi)的火點監(jiān)控）、傳輸時效強（連續(xù)監(jiān)測）的特點，目前，其最大延遲時間（衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)接收至火點數(shù)據(jù)提取總時長）不超過15min。圖5為全自動化數(shù)據(jù)處理流程示意圖。

（三）氣象信息的全方位服務(wù)接入

圖4 多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合情況

圖5 全自動化數(shù)據(jù)處理流程示意圖

無論是森林火險、工廠消防還是秸稈焚燒、草原火災(zāi)，事故發(fā)生前的氣象預(yù)警、過程中的應(yīng)急處置，以及災(zāi)后的隱患排查，都離不開氣象信息的輔助決策及數(shù)據(jù)參考。航天創(chuàng)智公司依托股東單位中國航天科技集團(tuán)有限公司中國空間機電研究所的相關(guān)技術(shù)儲備，整合行業(yè)優(yōu)質(zhì)資源，在衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺中提供氣象信息的云服務(wù)接入功能，系統(tǒng)后臺接入氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路，自動對數(shù)據(jù)流進(jìn)行解譯，其可視化成果通過云服務(wù)進(jìn)行推送，系統(tǒng)前端展示氣象實時/預(yù)報/預(yù)警專題數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)包括氣象云圖、氣溫、氣壓、相對濕度、風(fēng)、降水；預(yù)報數(shù)據(jù)包括氣溫、降水；預(yù)警數(shù)據(jù)包括權(quán)威氣象部門發(fā)布的火險、暴雨、大風(fēng)、高溫、雷電、大霧、雷雨大風(fēng)預(yù)警等信息。每年夏季提供實時的雷擊數(shù)據(jù)每1min更新一次。圖6為平臺系統(tǒng)中顯示的氣溫、降水、相對濕度、氣壓等方面的氣象信息。

（四）遙感數(shù)據(jù)輔助災(zāi)情評估

當(dāng)災(zāi)害發(fā)生的第一時間，及時為消防、應(yīng)急處置部門提供第一手現(xiàn)場資料；在火情處置過程中，提供可靠的連續(xù)數(shù)據(jù)監(jiān)控；災(zāi)后通過多期影像進(jìn)行損失評估，這些都需要高分辨率遙感衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的支持。因此，在衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺中，航天創(chuàng)智公司又根據(jù)實際工作需要，開發(fā)了災(zāi)情評估的相關(guān)功能模塊。通過服務(wù)協(xié)議，客戶可獲取火場災(zāi)前災(zāi)后兩期或多期遙感影像，對比發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確過火面積；通過遙感影像非監(jiān)督分類解譯的方法獲取NDVI值，疊加前期二類調(diào)查卡片、林相圖、土地利用現(xiàn)狀圖、土壤類型分布圖、人工林造林設(shè)計、驗收圖、經(jīng)濟(jì)林基地建設(shè)材料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場人工實際調(diào)查數(shù)據(jù)，評估災(zāi)情損失情況。圖7為該平臺輔助數(shù)據(jù)示例。

四、行業(yè)應(yīng)用

航天創(chuàng)智公司團(tuán)隊緊跟市場需求，腳踏實地，結(jié)合各行業(yè)實際應(yīng)用，不斷完善衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺的功能設(shè)計，在項目實踐中，同用戶一起打磨細(xì)節(jié)、改善流程、完善功能，使技術(shù)研究以行業(yè)應(yīng)用為牽引，在項目實踐中對研究成果進(jìn)行考驗。衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺自推出以來，自主進(jìn)行了多輪技術(shù)迭代，已經(jīng)在多個行業(yè)中實現(xiàn)成功應(yīng)用。

圖6 平臺系統(tǒng)中顯示的氣象信息

圖7 平臺系統(tǒng)中輔助數(shù)據(jù)示例

（一）森林草原火災(zāi)

衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺可為森林草原防火應(yīng)急指揮提供服務(wù)，綜合應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)（RS）、地理信息技術(shù)（GIS）、火點空間精準(zhǔn)定位技術(shù)（GNSS）等3S技術(shù)，在各級基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫、林業(yè)草業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和防火數(shù)據(jù)庫的支持下，采用各種監(jiān)控手段，及時、準(zhǔn)確掌握森林草原火情，通過各種渠道和手段，及時發(fā)布高森林火險警報和預(yù)警信號，實現(xiàn)森林草原防火動態(tài)管理，對撲火指揮和火災(zāi)損失評估等各環(huán)節(jié)實行全過程管理，全面提高森林防火管理的現(xiàn)代化水平, 提高公眾在防火方面的參與度，為降低火災(zāi)發(fā)生率和火災(zāi)損失提供技術(shù)支撐，為決策者提供基礎(chǔ)信息、技術(shù)支撐保障和決策依據(jù)，輔助決策者進(jìn)行撲火指揮和災(zāi)后評估，及時、快速、準(zhǔn)確地完成撲火救援，并在第一時間提供火災(zāi)經(jīng)濟(jì)損失評估報告。該平臺基本實現(xiàn)了火災(zāi)全過程監(jiān)控，災(zāi)后全方位、一體化的管控和決策輔助，為建立健全智能化防火體系提供了技術(shù)方案。

2019年3月，云南建水發(fā)生森林大火，該平臺自動監(jiān)測到火情的時間是16∶50，而當(dāng)?shù)厣止驳慕泳瘯r間為同一天的21∶34。3天后，山西沁源發(fā)生“3.29”森林火災(zāi)，當(dāng)?shù)亟泳瘯r間為3月29日13∶10，該監(jiān)測平臺首次發(fā)布王陶鄉(xiāng)山火的預(yù)警時間為13∶20。上述案例有力地驗證了該平臺在森林草原火情監(jiān)測識別的高時空分辨率及高精度定位等方面具有的優(yōu)勢。圖8為森林草原火災(zāi)監(jiān)測年報樣例。

圖8 森林草原火災(zāi)監(jiān)測年報樣例

（二）秸稈焚燒

衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺可為生態(tài)環(huán)保部門提供高頻次、全時段、全區(qū)域覆蓋的秸稈焚燒監(jiān)測服務(wù)，將傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感監(jiān)測手段的時間間隔從12h減少到10min，將數(shù)據(jù)處理時間從數(shù)天降低到15min，將執(zhí)法處置的響應(yīng)時間從數(shù)小時降低到分鐘級別。該平臺可按時間段、行政區(qū)劃、火情類型等，一鍵式自動生成秸稈焚燒報告，且格式規(guī)范，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。2019年年底，航天創(chuàng)智公司與黑龍江省某區(qū)政府及當(dāng)?shù)氐孛婊鹎楸O(jiān)測單位聯(lián)合，將火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺接入當(dāng)?shù)卮髷?shù)據(jù)中心，與傳統(tǒng)監(jiān)測手段聯(lián)合，共同保障了當(dāng)?shù)胤阑鸺居没鸢踩?，確保秸稈焚燒及時發(fā)現(xiàn)、及時撲滅。圖9為秸稈焚燒遙感監(jiān)測年報樣例。

圖9 秸稈焚燒遙感監(jiān)測年報樣例

（三）電網(wǎng)及管線走廊監(jiān)控

近年來，隨著電力和石油天然氣管線資源的開發(fā)力度加大，越來越多的輸電輸油線路需要穿過高山峻嶺地帶，這些地區(qū)獨特的地形地貌、氣候條件極易引發(fā)山火。近幾年由山火造成的線路跳閘、停運等事故明顯增多，給電網(wǎng)和輸油管線安全穩(wěn)定運行帶來了巨大壓力。為切實提高防災(zāi)減災(zāi)綜合監(jiān)測預(yù)警和應(yīng)急處置輔助決策能力，火點及時準(zhǔn)確判識成為亟待解決的問題。傳統(tǒng)的山火監(jiān)測手段是通過眺望塔進(jìn)行人工實地觀測、飛機巡航、砍伐輸電線路隔離帶等方式來預(yù)防山火。這些方法在一定程度上雖然能夠有效避免火勢蔓延，但是，由于缺乏精確的火情數(shù)據(jù)，以及觀測范圍和觀測次數(shù)有限，因此難以及時提供有效的火情應(yīng)對措施。衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺開發(fā)和應(yīng)用后，以遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的熱源探測技術(shù)為高溫目標(biāo)的識別提供了更為方便、快捷的監(jiān)控手段，彌補了人工參與模式的眾多不足，成為目前監(jiān)測山火目標(biāo)的重要手段和方式。

五、結(jié)論

本文所述衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)應(yīng)用，是一項基于多源衛(wèi)星大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合人工智能、地理信息系統(tǒng)，利用云計算及云服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)后臺無人值守自動化監(jiān)測、智能判別火點信息、前臺自動定位，以及主動推送火情報警與相應(yīng)專題報告的系統(tǒng)化服務(wù)體系。目前其應(yīng)用情況表明，相較于傳統(tǒng)火情監(jiān)測報警系統(tǒng)，該衛(wèi)星遙感火情綜合監(jiān)測服務(wù)平臺具有空間智能化程度高、時空分辨率高、定位精度高的優(yōu)勢，能夠為用戶提供更具有宏觀指導(dǎo)意義的決策信息支持。