多源遙感數(shù)據(jù)在森林火災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

文 | 劉錕 歐陽斯達(dá) 李鴻洲 李敏敏 高欣圓自然資源部國土衛(wèi)星遙感應(yīng)用中心

一、引言

森林資源是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要單元，對(duì)全球環(huán)境和氣候有重大影響，而森林火災(zāi)是造成森林破壞的主要方式之一[1]。作為一種突發(fā)性、破壞性大、處置救援較為困難的自然災(zāi)害，森林火災(zāi)的發(fā)生位置、火場(chǎng)發(fā)展變化趨勢(shì)及面積等信息是開展應(yīng)急決策、部署火災(zāi)撲救力量的重要信息[2]。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有宏觀、快速的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)樯只馂?zāi)應(yīng)急處置提供準(zhǔn)確、及時(shí)的監(jiān)測(cè)信息。然而由于遙感影像空間分辨率、光譜分辨率及時(shí)間分辨率間存在相互制約的關(guān)系，為滿足森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)在時(shí)效性、準(zhǔn)確性等方面的需求，需要利用不同衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，開展森林火災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測(cè)[3]。本文利用高分一號(hào)02、03、04星數(shù)據(jù)，結(jié)合高分四號(hào)凝視衛(wèi)星的中紅外數(shù)據(jù)及單日多次成像特點(diǎn)，探討了一種在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中綜合應(yīng)用多源遙感數(shù)據(jù)，及時(shí)開展火場(chǎng)定位、發(fā)展趨勢(shì)監(jiān)測(cè)及過火面積分析的技術(shù)方法。

二、數(shù)據(jù)源及監(jiān)測(cè)應(yīng)用

1.數(shù)據(jù)源

（1）高分一號(hào)02、03、04星

高分一號(hào)02、03、04星衛(wèi)星星座是我國高分辨率民用遙感系列衛(wèi)星的重要組成部分，于2018年3月31日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心以“一箭三星”的方式發(fā)射成功，并于當(dāng)年10月交付自然資源部使用，可為自然資源監(jiān)測(cè)管理提供有效的數(shù)據(jù)保障，其主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 高分一號(hào)02、03、04星及高分四號(hào)衛(wèi)星主要技術(shù)參數(shù)

作為我國首個(gè)民用高分辨率光學(xué)業(yè)務(wù)衛(wèi)星星座，采用三星組網(wǎng)的方式可實(shí)現(xiàn)3星15天全球覆蓋、2天重訪，能夠長期、連續(xù)、穩(wěn)定、快速地獲取2m全色及8m多光譜影像。與高分一號(hào)衛(wèi)星相比，該星座提高了衛(wèi)星量化位數(shù)及信噪比，顯著提升了圖像質(zhì)量；無控定位精度由50m提高至25m；側(cè)擺機(jī)動(dòng)時(shí)間由200s減少至150s，單日成像圈數(shù)由8圈提升至14圈，數(shù)據(jù)獲取能力大大提高；首次采用低軌對(duì)月定標(biāo)，降低了對(duì)地面校正系統(tǒng)的依賴；三顆衛(wèi)星搭載的6臺(tái)相機(jī)輻射響應(yīng)一致性誤差小于3%，具備良好的組網(wǎng)拍攝能力[4]。高分一號(hào)02、03、04星在火災(zāi)發(fā)生后，其三星組網(wǎng)及高效側(cè)擺能力能夠及時(shí)獲取火場(chǎng)高分辨率影像，其較高的無控定位精度有助于迅速開展火場(chǎng)定位及過火面積評(píng)估，直觀地展示火場(chǎng)情況，為應(yīng)急處置及部署提供影像參考。

（2）高分四號(hào)

高分四號(hào)衛(wèi)星于2015年12月29日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，是我國第一顆地球靜止軌道高分辨率光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載了一臺(tái)可見光50m/中波紅外400m分辨率、大于400km幅寬的凝視相機(jī)，采用面陣凝視方式成像，具備可見光及中紅外成像能力，設(shè)計(jì)壽命8年，通過指向控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國及周邊地區(qū)的觀測(cè)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1。

高分四號(hào)衛(wèi)星具備普查、凝視、區(qū)域、機(jī)動(dòng)巡查4種主要觀測(cè)模式，滿足不同情景下的觀測(cè)需求；憑借靜止軌道優(yōu)勢(shì)，可隨時(shí)接收指令并下傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一天多次可見光成像，并具備夜間中紅外成像能力。高分四號(hào)衛(wèi)星的大范圍、高頻次、多通道觀測(cè)數(shù)據(jù)為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、林火災(zāi)害監(jiān)測(cè)、地震構(gòu)造信息提取、氣象天氣監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)提供了重要支撐，開辟了我國地球靜止軌道高分辨率對(duì)地觀測(cè)的新領(lǐng)域[5]?；鹎榘l(fā)生后，在高分四號(hào)可見光影像中可見濃煙，在中紅外影像中可見顯著高亮，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)火場(chǎng)位置的快速定位及火場(chǎng)變化情況的持續(xù)監(jiān)測(cè)。

2.森林火災(zāi)應(yīng)用監(jiān)測(cè)

（1）應(yīng)災(zāi)數(shù)據(jù)獲取及處理

為滿足高效準(zhǔn)確的災(zāi)前數(shù)據(jù)查詢及災(zāi)后數(shù)據(jù)拍攝獲取需求，需要基于開放性的面向服務(wù)的結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)理念，構(gòu)建包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)森林火災(zāi)發(fā)生后，第一時(shí)間在海量存檔數(shù)據(jù)中查詢滿足需求的影像數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)該數(shù)據(jù)在生產(chǎn)、解譯、制圖和分析等環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)同步獲取。利用獨(dú)立于日常衛(wèi)星觀測(cè)計(jì)劃編制作業(yè)的應(yīng)急拍攝通道，針對(duì)應(yīng)急目標(biāo)預(yù)報(bào)所掌握衛(wèi)星資源未來2～120小時(shí)的衛(wèi)星星下點(diǎn)運(yùn)行軌跡，結(jié)合各星的側(cè)擺機(jī)動(dòng)能力，對(duì)多星的過境拍攝進(jìn)行任務(wù)協(xié)同，消解多星多任務(wù)及接收資源使用沖突，對(duì)已編制或已下發(fā)的觀測(cè)計(jì)劃進(jìn)行修訂，對(duì)未編制的計(jì)劃進(jìn)行應(yīng)急任務(wù)預(yù)留，保障災(zāi)后數(shù)據(jù)的持續(xù)性獲取。

數(shù)據(jù)處理工作首先是開展災(zāi)前高分辨率影像的糾正、融合和鑲嵌等處理，得到火場(chǎng)的災(zāi)前影像。隨后對(duì)快速獲取的高分四號(hào)衛(wèi)星影像進(jìn)行粗校正和定位，以獲取火場(chǎng)最新的情況及影響范圍。對(duì)于災(zāi)后高分一號(hào)02、03、04星影像，需要與災(zāi)前影像進(jìn)行精細(xì)化匹配和糾正處理，選取適合的融合算法進(jìn)行影像融合處理，選取適當(dāng)?shù)墓庾V譜段組合，提取火災(zāi)影響范圍。數(shù)據(jù)處理的成果主要面向兩類應(yīng)用：一是用于后續(xù)解譯分析的影像成果；二是災(zāi)前災(zāi)后變化區(qū)域的影像制圖成果，可直觀展示或反映應(yīng)急事件的影響。

（2）森林火災(zāi)火點(diǎn)監(jiān)測(cè)

森林火災(zāi)發(fā)生在山地林區(qū)，很多火場(chǎng)距離居民點(diǎn)較遠(yuǎn)，缺少必要的進(jìn)入道路，難以迅速發(fā)現(xiàn)火情。而山區(qū)植被茂密，風(fēng)向多變，火情發(fā)現(xiàn)不及時(shí)會(huì)顯著提高其擴(kuò)散的范圍和不確定性，大大提升撲救難度，進(jìn)而帶來更大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)甚至人口損失。由表1可知，高分四號(hào)中紅外波長范圍為3.50～4.10μm，處于森林火災(zāi)的輻射峰值，可使用該波段對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。利用高分四號(hào)高頻次大范圍的成像能力，可以快速檢測(cè)新火點(diǎn)，結(jié)合可見光波段的煙火表現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不易進(jìn)入的山地林區(qū)火災(zāi)的及時(shí)監(jiān)測(cè)，利用遙感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主動(dòng)開展應(yīng)急監(jiān)測(cè)。圖1為2020年4月1日，利用當(dāng)日獲取的高分四號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)云南永仁縣白馬河林場(chǎng)附近出現(xiàn)火點(diǎn)，立即向相關(guān)主管部門及云南省一線報(bào)送了火點(diǎn)位置，并啟動(dòng)了應(yīng)急監(jiān)測(cè)。

圖1 云南永仁縣森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)

采用該方法，2020年3月以來，持續(xù)對(duì)山西、四川、云南等多地森林火災(zāi)進(jìn)行了快速發(fā)現(xiàn)和定位，有效地為后續(xù)森林火災(zāi)持續(xù)監(jiān)測(cè)及高分辨率衛(wèi)星編程獲取工作提供了位置信息。

（3）火場(chǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)

因此，利用高分四號(hào)衛(wèi)星高頻次全天成像能力，采用長時(shí)間序列中紅外數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)火點(diǎn)發(fā)展變化的長時(shí)間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。圖2為利用3月30日至4月2日拍攝的12期高分四號(hào)中紅外波段數(shù)據(jù)開展的四川西昌森林火災(zāi)火場(chǎng)發(fā)展變化監(jiān)測(cè)，可以看到火災(zāi)由3月30日下午開始發(fā)展，3月31日上午顯著減弱，經(jīng)過3月31日下午的一次明顯復(fù)燃，至4月2日逐漸撲滅的過程。

圖2 四川西昌森林火災(zāi)火場(chǎng)發(fā)展遙感監(jiān)測(cè)變化圖

（4）森林受損情況監(jiān)測(cè)

高分四號(hào)中紅外數(shù)據(jù)分辨率400m，可見光分辨率50m，能夠滿足火點(diǎn)定位及火場(chǎng)發(fā)展變化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)的需求，然而過火面積提取等森林受損情況監(jiān)測(cè)，需要在更高分辨率的影像數(shù)據(jù)支撐下才能順利開展。利用高分一號(hào)02、03、04星數(shù)據(jù)，能夠生產(chǎn)最高2m分辨率的多光譜融合影像，具備良好的目視可讀性，為勾畫火災(zāi)影響范圍、精細(xì)識(shí)別過火區(qū)提供了可靠的數(shù)據(jù)保障；星座的波段設(shè)置可以生產(chǎn)歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），通過輻射校正等處理后，能夠?yàn)樽詣?dòng)提取并分析植被受損情況等監(jiān)測(cè)需求提供數(shù)據(jù)支撐。圖3為四川木里縣“3.28”森林火災(zāi)截至4月1日的森林受損情況監(jiān)測(cè)圖，從圖中可以清晰地看出森林火災(zāi)影響的范圍，并可在該范圍中識(shí)別火燒跡地及未燃燒的植被，同時(shí)也可以根據(jù)濃煙的位置判斷火勢(shì)嚴(yán)重區(qū)域，對(duì)后續(xù)森林受損情況進(jìn)行預(yù)判，合理部署應(yīng)急處置力量。

圖3 四川木里森林火災(zāi)4月1日森林受損情況

三、總結(jié)及展望

森林火災(zāi)是影響森林生態(tài)系統(tǒng)最為嚴(yán)重的災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅周邊經(jīng)濟(jì)、生態(tài)及人口安全。對(duì)森林火災(zāi)的快速發(fā)現(xiàn)及定位，能夠?yàn)榧皶r(shí)開展應(yīng)急處置、安排后續(xù)遙感觀測(cè)提供重要的區(qū)位參考信息；而火場(chǎng)的變化趨勢(shì)及森林受損情況監(jiān)測(cè)，能夠?yàn)樵u(píng)估火災(zāi)損失、合理部署救援力量提供客觀、有效的數(shù)據(jù)支持。遙感技術(shù)具備大范圍、周期性、綜合觀測(cè)等特點(diǎn)，是開展森林火災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)的有效手段。由于遙感平臺(tái)及傳感器實(shí)際條件的限制，影像的空間、時(shí)間及光譜分辨率互相制約，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量綜合不同衛(wèi)星數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，滿足森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的具體需求。

本文探討了一種綜合利用高分四號(hào)衛(wèi)星一天多次、中紅外成像能力及高分一號(hào)02、03、04星的2m分辨率數(shù)據(jù)高效獲取能力，開展森林火災(zāi)應(yīng)急監(jiān)測(cè)的技術(shù)方法。該方法在2020年3月以來的多次森林火災(zāi)應(yīng)急遙感監(jiān)測(cè)工作中，及時(shí)定位了偏遠(yuǎn)山地林區(qū)的火點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火場(chǎng)變化情況的一天多次連續(xù)監(jiān)測(cè)，并支撐了森林受損情況的準(zhǔn)確評(píng)估，及時(shí)為相關(guān)管理部門及救災(zāi)一線單位提供了數(shù)據(jù)及信息服務(wù)，取得了良好的應(yīng)用成果。

為了進(jìn)一步發(fā)揮多源遙感數(shù)據(jù)在森林火災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力，應(yīng)通過進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)快速幾何校正或配準(zhǔn)技術(shù)，保證多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)具備正確、一致的空間定位，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的空間坐標(biāo)系內(nèi)準(zhǔn)確疊合，保障相關(guān)空間分析工作及時(shí)、順利展開。同時(shí)，還應(yīng)推進(jìn)高分四號(hào)、高分一號(hào)02、03、04星等國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的輻射校正及質(zhì)量改進(jìn)方法研發(fā)，提升數(shù)據(jù)的輻射質(zhì)量，圍繞特定數(shù)據(jù)源研發(fā)反演模型等相關(guān)技術(shù)方法，提升監(jiān)測(cè)結(jié)果的有效性，逐步形成高效準(zhǔn)確的自動(dòng)監(jiān)測(cè)及分析能力。