高分遙感衛(wèi)星影像森林火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用

文 | 胡凱龍 聶娟 崔燕 吳瑋應(yīng)急管理部國(guó)家減災(zāi)中心

一、引言

森林生態(tài)系統(tǒng)作為地球陸地生態(tài)系統(tǒng)中面積最大、最重要的自然生態(tài)系統(tǒng)，其在維持全球生態(tài)平衡，促進(jìn)全球生物進(jìn)化和群落演替起到至關(guān)重要的作用。在廣闊復(fù)雜的地貌條件下和漫長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期內(nèi)，森林易遭受到各種自然災(zāi)害的侵襲和人為災(zāi)害的破壞，在諸多致災(zāi)因子中以火災(zāi)最為嚴(yán)重[1]。森林熱異常點(diǎn)識(shí)別、森林火災(zāi)動(dòng)態(tài)發(fā)展態(tài)勢(shì)研判以及過火區(qū)域評(píng)估作為森林火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的重要研究環(huán)節(jié)，如何充分發(fā)揮現(xiàn)有衛(wèi)星資源的優(yōu)勢(shì)，為森林火災(zāi)防治提供科學(xué)支撐是急需解決的問題。

遙感作為20世紀(jì)末發(fā)展起來的新興學(xué)科，能夠以一種非接觸手段，快速宏觀持續(xù)地獲取被測(cè)物體的空間展布和動(dòng)態(tài)發(fā)展特征。特別對(duì)于森林火災(zāi)，遙感觀測(cè)系統(tǒng)能夠在火災(zāi)發(fā)生全時(shí)段開展全方位的監(jiān)測(cè)，包括早期火點(diǎn)識(shí)別和火情評(píng)價(jià)、災(zāi)后損失評(píng)估和火燒跡地植被恢復(fù)監(jiān)測(cè)等[2]。

二、衛(wèi)星遙感森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法

對(duì)于搭載有多類型傳感器的衛(wèi)星，其紅外傳感器會(huì)對(duì)火點(diǎn)像元敏感，通過對(duì)火點(diǎn)像元識(shí)別能夠快速判斷潛在熱異常點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)出預(yù)警信息；多光譜傳感器能夠識(shí)別燃燒所產(chǎn)生的煙霧信息，進(jìn)而快速跟蹤火情發(fā)展態(tài)勢(shì)。由于搭載有紅外傳感器的遙感影像空間分辨率一般較低，例如MODIS影像熱紅外波段為1000m、VIIRS影像熱紅外波段為375m、高分四號(hào)影像中波紅外波段為400m。過低的圖像分辨率會(huì)導(dǎo)致識(shí)別過火范圍偏大，從而產(chǎn)生誤判誤差。高空間分辨率的影像能夠精細(xì)刻畫過火區(qū)域的邊界特征，成為災(zāi)后火燒跡地識(shí)別的重要數(shù)據(jù)來源。隨著圖像識(shí)別和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的圖像處理算法被應(yīng)用到遙感影像目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域，其中支持向量機(jī)算法應(yīng)用較為廣泛。作為一種廣義的線性分類器，通過引入結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化準(zhǔn)則以及最優(yōu)化理論等概念，在小樣本圖像分類中優(yōu)勢(shì)明顯[3]。因此，本文將重點(diǎn)關(guān)注森林火災(zāi)發(fā)生的不同階段，充分利用不同類型傳感器的優(yōu)勢(shì)，對(duì)火災(zāi)發(fā)展持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行闡述，為應(yīng)急管理相關(guān)部門指導(dǎo)森林火災(zāi)撲救提供快速科學(xué)的監(jiān)測(cè)手段。

三、衛(wèi)星遙感森林火災(zāi)應(yīng)用技術(shù)案例

1. 火災(zāi)概況

2020年3月以來，山西氣溫急劇上升，大風(fēng)天氣增多，加之農(nóng)忙時(shí)節(jié)到來，清明時(shí)節(jié)掃墓人員增加，森林火險(xiǎn)等級(jí)居高不下。2020年3月17日11時(shí)許，山西省晉中市榆社縣社城鎮(zhèn)焦紅寺村發(fā)生森林火情，由于火場(chǎng)地形破碎、山陡林密、風(fēng)力較大，火勢(shì)蔓延迅速，應(yīng)急管理部緊急調(diào)用高分衛(wèi)星資源對(duì)當(dāng)?shù)鼗鹎檫M(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。

2. 遙感影像選擇及預(yù)處理

高分四號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆地球靜止軌道高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，其搭載的可見光近紅外傳感器具備分鐘級(jí)成像能力，中波紅外傳感器具備秒級(jí)成像能力，能夠?qū)ι只馂?zāi)進(jìn)行火點(diǎn)早期識(shí)別和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。本次榆社縣森林火災(zāi)火勢(shì)發(fā)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)選擇高分四號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)，時(shí)間范圍跨越整個(gè)火災(zāi)燃燒周期（2020年3月18日至24日）。

高分一號(hào)02、03、04星是我國(guó)國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃的首批業(yè)務(wù)化應(yīng)用衛(wèi)星星座，其高空間分辨率能夠?yàn)樯只馂?zāi)的火線長(zhǎng)度及過火面積估測(cè)提供精細(xì)化和定量化參考。本次榆社縣森林火災(zāi)火線長(zhǎng)度及過火面積估測(cè)選擇高分一號(hào)02星數(shù)據(jù)1期（成像時(shí)間：3月22日）、高分一號(hào)03星數(shù)據(jù)2期（成像時(shí)間：3月20日和24日），分別處于火災(zāi)燃燒前期、中期、后期。高分一號(hào)02、03、04星和高分四號(hào)衛(wèi)星載荷參數(shù)見表1。

表1 高分一號(hào)02、03、04星和高分四號(hào)衛(wèi)星載荷參數(shù)匯總

3. 火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

分別選取多時(shí)相校正后的高分四號(hào)中波紅外影像和多光譜影像對(duì)火災(zāi)發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析，3月18日10時(shí)，從中波紅外影像中可以明顯看出在榆社縣北部有兩個(gè)較為明顯的熱異常點(diǎn)，多光譜影像能夠看出榆社縣與和順縣的交界處有較為明顯的煙點(diǎn)，但榆社縣北部靠下的熱異常點(diǎn)在多光譜影像中反映較弱，沒有明顯煙點(diǎn)；3月18日13時(shí)，火勢(shì)快速發(fā)展，中波紅外影像中榆社縣北部的熱異常區(qū)已經(jīng)擴(kuò)展至榆次區(qū)與和順縣，北部靠下的熱異常區(qū)也進(jìn)一步擴(kuò)大。多光譜影像可以看到兩束明顯的煙簇，受當(dāng)?shù)仫L(fēng)力影響，煙霧正在朝東部方向擴(kuò)散（圖1-2）。3月20日11時(shí)，高分一號(hào)03星多光譜影像顯示，北部火場(chǎng)仍有5個(gè)燃燒區(qū)域，其中靠近太谷縣的火勢(shì)較大（圖3）。3月20日14時(shí)，榆社縣北部靠下的火點(diǎn)已經(jīng)熄滅，交界處火場(chǎng)出現(xiàn)向北部和南部蔓延的趨勢(shì)，其中北部已蔓延至榆次區(qū)境內(nèi)，熱異常點(diǎn)較為分散。3月22日11時(shí)，太谷縣和榆社縣境內(nèi)的兩處燃燒區(qū)域火勢(shì)較大，太谷縣境內(nèi)的火線呈南北向分布，長(zhǎng)度約1.3km，榆社縣境內(nèi)的火線呈南北向分布，長(zhǎng)度約0.6km。3月23日14時(shí)，北部火場(chǎng)火勢(shì)逐漸減小，僅剩太谷縣和榆社縣境內(nèi)兩處較小的熱異常點(diǎn)，煙霧向北部擴(kuò)散。3月24日11時(shí)，經(jīng)過森林消防部門連續(xù)多日的滅火撲救行動(dòng)，榆社縣森林火災(zāi)已無明顯熱異常點(diǎn)，全面轉(zhuǎn)入火場(chǎng)清理和看守階段（圖1-2）。

圖1 燃燒區(qū)域高分四號(hào)中波紅外監(jiān)測(cè)圖

圖2 燃燒區(qū)域高分四號(hào)多光譜監(jiān)測(cè)圖

圖3 燃燒區(qū)域高分一號(hào)02、03星多光譜監(jiān)測(cè)圖

4. 火燒跡地提取

利用火災(zāi)熄滅后的一景高分一號(hào)03星（3月24日11時(shí)）影像進(jìn)行過火區(qū)域提取，通過目視能夠在標(biāo)準(zhǔn)假彩色影像上清晰分辨出植被燃燒后留下的黑色印記。利用人機(jī)交互解譯的方式，對(duì)比多時(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)行過火區(qū)域勾繪，火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)共解譯出兩塊燃燒區(qū)域，解譯如圖4所示。

圖4 高分一號(hào)03星過火區(qū)域監(jiān)測(cè)圖

按照火燒跡地、裸地、植被等三種地類，對(duì)過火區(qū)域各選取30個(gè)樣本點(diǎn)作為建模的樣本數(shù)據(jù)。利用支持向量機(jī)的方法，選取徑向基RBF作為建模所用到的核函數(shù)，懲罰系數(shù)C的作用為控制樣本錯(cuò)誤與分類剛性延伸之間的平衡，C值越大，模型的泛化能力越差，C值越小，模型精度會(huì)降低。核函數(shù)參數(shù)γ主要反映數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到高維空間時(shí)數(shù)據(jù)的可分離程度，數(shù)值越大，高維空間的數(shù)據(jù)可分離程度越好，運(yùn)算時(shí)間也會(huì)相應(yīng)增加，一般設(shè)置為波段數(shù)的倒數(shù)。本次火燒跡地的識(shí)別，C和γ分別設(shè)置為100和0.25，火燒跡地的分類結(jié)果如圖5紅色區(qū)域所示。三種地類分別選取10個(gè)樣本點(diǎn)作為獨(dú)立驗(yàn)證樣本，對(duì)提取結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，其中總體分類精度為86.2%，Kappa系數(shù)為0.76。提取結(jié)果表明，支持向量機(jī)的分類方法能夠?qū)Ω叻忠惶?hào)03星影像中的火燒跡地進(jìn)行較好的區(qū)分，分類精度較高。

圖5 高分一號(hào)03星火燒跡地識(shí)別結(jié)果圖

四、結(jié)束語

本研究主要探討了綜合利用高分（高時(shí)間分辨率和高空間分辨率）遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)森林火災(zāi)火勢(shì)發(fā)展和災(zāi)后評(píng)估進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)。利用高分四號(hào)中波紅外數(shù)據(jù)，快速識(shí)別潛在熱異常點(diǎn)并判斷火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)；利用高分四號(hào)多光譜數(shù)據(jù)，識(shí)別火場(chǎng)煙霧特征并判斷火勢(shì)走向。利用高分一號(hào)03星全色多光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行火場(chǎng)態(tài)勢(shì)研判和災(zāi)后火燒跡地識(shí)別。研究提出的技術(shù)方法初步實(shí)現(xiàn)了森林火災(zāi)全過程遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提高了森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，為森林火災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供了重要的技術(shù)參考。此外，后續(xù)仍需遵從“關(guān)口前移”監(jiān)測(cè)策略，充分利用氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)研究，進(jìn)一步完善森林火災(zāi)全過程監(jiān)測(cè)。