S-NPP及VIIRS在林火監(jiān)測中的應用

羅曉霞，齊中孝，陳憲冬

（1.西安科技大學 計算機科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 測繪科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054）

S-NPP及VIIRS在林火監(jiān)測中的應用

羅曉霞1，齊中孝1，陳憲冬2

（1.西安科技大學 計算機科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 測繪科學與技術(shù)學院，陜西 西安 710054）

S-NPP是最新一代地球環(huán)境觀測衛(wèi)星，可見光紅外成像輻射儀（VIIRS）是其攜帶的重要儀器之一。VIIRS比MODIS具有更高的空間分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量。VIIRS作為新一代對地觀測設備在林火監(jiān)測中比以往設備更具優(yōu)勢，將在全球林火監(jiān)測中發(fā)揮重要作用。

S-NPP；VIIRS；林火監(jiān)測；遙感

森林火災是當前造成森林資源減少的主要原因，如何做好森林火災監(jiān)測預警工作是急需解決的問題。美國在軌運行的S-NPP衛(wèi)星搭載了最新的對地觀測儀器——可見光紅外成像輻射儀（VIIRS）。VIIRS具有更高的空間分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，將為全球的環(huán)境監(jiān)測提供重要的科研數(shù)據(jù)，同時對全球森林火災也有著更好的監(jiān)測預警作用。

1 遙感監(jiān)測林火原理

高于絕對溫度0 K的物體都在不斷向外輻射電磁波[1]。為了更好地理解熱輻射，引入黑體這個概念，自然界并不存在黑體，黑體是一個假設的完全的輻射體和吸收體。

1.1 斯蒂芬-玻爾茲曼定律

一個黑體表面單位面積在單位時間內(nèi)輻射出的總能量（稱為物體的輻射度或能量通量密度）與黑體本身的熱力學溫度（又稱絕對溫度）的4次方成正比[2]，即

M(T )= εδT4

式中，M( T )為黑體表面輻射出的總能量，單位為W·m-2；ε為黑體輻射系數(shù)，若為絕對黑體，則ε=1；δ為斯蒂芬-玻爾茲曼常量，值為5.669 7×10-8W·m-2·K-4；T為黑體表面的絕對溫度，單位為K。

由于輻射能量與該物體絕對溫度的4次方成正比。當物體溫度略微提高時，輻射能量就會極大增長。

1.2 普朗克黑體輻射定理

普朗克推導出的關(guān)于黑體輻射通量密度的表達式，描述了黑體輻射出的能量與波長和絕對溫度之間的關(guān)系，即

式中，M(λ ,T )為光譜輻射通量密度，單位為W·cm-2·μm； h為普朗克常數(shù)，值為6.625 6×10-34W·S2；k為玻爾茲曼常數(shù)，值為1.38×10-23W·S·K-1；c為光速，值為3×108m/s；T為絕對溫度，單位為K；λ為波長，單位為μm。

根據(jù)普朗克定理繪制的不同溫度下的黑體輻射波譜曲線如圖1所示。

圖1 普朗克定律描述的黑體輻射在不同溫度下的頻譜

可以看出，當黑體溫度升高時，其輻射峰值波長會降低。常溫物體約為300 K，輻射峰值波長約為11 μm；而高溫火焰溫度一般為600 K以上，其峰值波長約為4 μm。應用遙感對森林火點進行監(jiān)測的原理就是高溫點在中紅外波段輻射能量比熱紅外波段大，中紅外比熱紅外對高溫點的反應更為強烈[3]。

2 S-NPP衛(wèi)星

S-NPP是已取消的美國國家極軌環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)（NPOESS）計劃的預備項目，全名為Suomi國家極軌合作伙伴，由NASA、NOAA和美國空軍共同研發(fā)，于2011-10-28成功發(fā)射。NPOESS原本是美國21世紀時衛(wèi)星計劃，但到了2010年美國將NPOESS計劃進行了重組，其中NOAA承擔的部分命名為JPSS[4]。在JPSS計劃中，第一顆JPSS-1衛(wèi)星將于2017年發(fā)射。S-NPP衛(wèi)星設計壽命為7 a。S-NPP部分軌道參數(shù)如表1所示。

表1 S-NPP衛(wèi)星部分軌道參數(shù)

美國的EOS系列衛(wèi)星均已在軌運行多年，其影像數(shù)據(jù)的質(zhì)量有了相當幅度的下降[5]。S-NPP攜帶了用于取代MODIS的儀器——VIIRS，以及另外4個科學儀器：

臭氧監(jiān)測與廓線探測儀（OMPS），由臨邊界掃描輻射計和位于星下點的掃描臭氧繪圖儀兩個設備組成，可為科學家提供更加詳細的臭氧全球分布和垂直分布情況。

高級微波探測器（ATMS），可在陰天和晴天情況下提供高分辨率的溫度和水汽測量數(shù)據(jù)。它可以和掃描紅外探測器（CrIS）一起工作組合成CrIMSS，為全球氣候變化研究提供重要觀測數(shù)據(jù)。

云和地球輻射能測量系統(tǒng)（CERES），具有3個波段。該設備用于測量來自大氣層上方的太陽反射和地球輻射，將為研究地球輻射收支提供重要的數(shù)據(jù)。

CrIS是先進的Michelson干涉儀，掃描幅寬為2 200 km。

3 VIIRS介紹

VIIRS是在軌運行的S-NPP衛(wèi)星和即將發(fā)射的JPSS系列衛(wèi)星上最大也是最重要的傳感器，其部分參數(shù)如表2所示。它將繼承NOAA系列衛(wèi)星搭載的AVHRR和EOS系列衛(wèi)星搭載的MODIS的對地觀測任務。VIIRS共有22個光譜波段，波長范圍在0.3～14 μm之間[6-7]，如表3。

表2 VIIRS部分參數(shù)

表3 VIIRS各波段技術(shù)參數(shù)

MODIS具有36個波段，VIIRS波段數(shù)不如MODIS豐富，但VIIRS有5個375 m分辨率波段，16個750 m波段，分辨率總體比MODIS有所提高。VIIRS各波段的信噪比和噪聲等效溫差值大部分都比MODIS有較好的改進。在觀測范圍上，VIIRS的掃描幅寬有所增加，達到了3 000 km。由于MODIS掃描幅寬為2 330 km，導致它的觀測范圍在赤道附近存在空白，而VIIRS則能完全覆蓋赤道區(qū)域，保證了觀測數(shù)據(jù)的完整性。

VIIRS的遙感影像具有較高的數(shù)據(jù)質(zhì)量，這是因為沿掃描方向VIIRS使用獨特的數(shù)據(jù)處理方式來抑制空間分辨率因為掃描角的增大而增大的問題。從星下點到掃描角度31.72°將3個像元采樣合并為一個像元；從掃描角度31.72°到掃描角度44.86°將2個像元采樣合成為一個像元；從掃描角度44.86°到掃描邊緣不進行采樣合并。這樣使得DNB波段沿掃描方向在任意掃描角度下的空間分辨率均保持在750 m，M和I波段從星下點到掃描邊緣的空間分辨率的增長僅為1倍左右，而MODIS的增長卻達到了5倍，各波段的空間分辨率變化隨著掃描角度變化如圖2所示。

圖2 VIIRS各波段分辨率的變化

VIIRS影像也會產(chǎn)生“蝴蝶結(jié)”效應，為了節(jié)省傳輸帶寬，VIIRS進行了在星上的“蝴蝶結(jié)去除”操作，所以VIIRS原始遙感影像打開后在圖像兩側(cè)邊緣會有圖3所示效果。另外，除了M9和M14波段外，VIIRS的各波段均比對應的MODIS波段的帶寬要寬，如表4所示。

表4 VIIRS M9和M14的波長范圍

4 VIIRS在林火監(jiān)測中的應用

自美國Terra和Aqua衛(wèi)星發(fā)射之后，MODIS數(shù)據(jù)在森林火災監(jiān)測中的應用獲得了世界各國的廣泛關(guān)注，全球應用遙感數(shù)據(jù)對森林火災的研究工作取得了極大的進展[8]，如Kafman提出的絕對火點識別方法，Giglio提出的鄰近像元的火點識別方法以及三通道彩色合成法。目前對于VIIRS所獲得的免費公益性數(shù)據(jù)在火災監(jiān)測方面的研究和應用，國內(nèi)外還處于起步階段。

本文選用了2014年9月美國加利福尼亞州大火時的VIIRS影像，影像時間為2014年9月20日UTC時間20：08～20：14。打開的原始影像如圖3所示，經(jīng)過幾何校正和去蝴蝶結(jié)后的影像如圖4所示。

圖5是使用VIIRS的I4（R）、I2（G）、I1（B）波段合成影像。裸地為暗紅色，植被為暗綠色，分辨率為375 m，圖中的高溫點及燃燒產(chǎn)生的羽煙清晰可見。根據(jù)火點的大致溫度以及植被、地形和天氣等各種因素，可以判斷林火的發(fā)展趨勢，從而為有效布置滅火及救援工作提供科學依據(jù)。

對影像中的火點像元進行橫剖面分析[9]，圖6中綠色為I4波段火點亮溫的亮溫值，紅色為I5波段背景亮溫的亮溫值，看到在非火點處兩波段變化沒有太大差別，但是在火點處I4波段極為敏感，呈明顯上升趨勢。

圖3 原始影像

圖4 幾何校正和去蝴蝶結(jié)后的影像

圖5 I4（R）、I2（G）、I1（B）波段合成影像

圖6 火點亮溫與背景亮溫橫剖面圖

5 火點識別算法流程

相較于MODIS，VIIRS用于檢測火點的波段具有更高的空間分辨率，對地面熱異常點的監(jiān)測更為靈敏，能夠監(jiān)測到更多和更小的火點。VIIRS火點識別算法流程如圖7所示[10]。

圖7 火點識別算法流程圖

圖7 中，T13為當前像元M13波段的亮溫；ΔT為當前像元M13、M15波段亮溫的差值；T13b為背景像元M13波段亮溫的平均值；ΔTb為背景像元M13、M15波段亮溫差值的平均值；δT13b為背景像元M13波段亮溫的標準差；δΔTb為背景像元M13、M15波段亮溫差值的標準差。

6 結(jié) 語

S-NPP衛(wèi)星的運行將保證近幾十年來人類對地球觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，對全球生態(tài)環(huán)境變化監(jiān)測具有重要的意義。VIIRS的分辨率、數(shù)據(jù)質(zhì)量以及觀測幅度都比MODIS有了較大提高，將為科學研究提供相當重要的遙感數(shù)據(jù)。VIIRS將以更佳的技術(shù)性能在全球林火監(jiān)測中發(fā)揮重要的地位。

[1] 邱知,陸亞剛,張紅梅.林火衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)研究進展[J].寧夏農(nóng)林科技,2012,53(8)：144-146,150

[2] 劉淑青.基于數(shù)字圖像處理的火焰溫度測量技術(shù)分析[J].信息通信,2013(6)：13-15

[3] 周小成,汪小欽. MODIS林火識別算法的驗證分析[J].火災科學,2006,15(1)：31-37

[4] 夏浪,毛克彪,孫知文,等.Suomi NPP VIIRS 數(shù)據(jù)介紹及其在云監(jiān)測上的應用分析[J].地球科學前沿,2013(3)：271-276

[5] 夏浪,毛克彪,馬瑩,等.基于可見光紅外成像輻射儀數(shù)據(jù)的地表溫度反演[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2014,30(8)：109-116

[6] 趙增亮,孫澤中,韓志剛, 等.NPOESS/VIIRS及其云圖產(chǎn)品的應用[J].氣象科技,2008,36(3)：341-344

[7] 李旭文,牛志春,姜晟,等.環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星Suomi NPP業(yè)務特性及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的應用[J].環(huán)境監(jiān)控與預警,2014,6(3)：1-6

[8] 肖利.EOS/MODIS在川渝地區(qū)森林火災監(jiān)測中的應用研究[D].成都：西南交通大學,2008

[9] 覃先林,易浩若.基于MODIS數(shù)據(jù)的林火識別方法研究[J].火災科學,2004,13(2)：83-89

[10] 周永寶,韓惠.基于遙感數(shù)據(jù)的森林火災監(jiān)測研究概述[J].測繪與空間地理信息,2014,37(3)：134-136

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：1672-4623（2016）11-0078-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.028

羅曉霞，副教授，主要研究方向為軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

2015-07-22。

項目來源：陜西省教育廳科研計劃資助項目（2013JK0850）。