遙感技術(shù)在南方森林航空消防中的應(yīng)用

呂萬鵬

（應(yīng)急管理部南方航空護(hù)林總站，云南 昆明650021）

森林火災(zāi)是一種失去人為控制的森林燃燒現(xiàn)象。根據(jù)起因不同可分為自然火和人為火。自然火是指雷電、泥炭自然發(fā)酵、滾石擊起火花、林木干枝的摩擦等引起的火災(zāi)；人為火是指由于人類在生活、生產(chǎn)中的不當(dāng)行為引起的火災(zāi)[1]。林火作為一種自然災(zāi)害具有突發(fā)性的特征，一旦超出人為控制后在森林中延伸擴(kuò)展，就會(huì)給人類生命財(cái)產(chǎn)造成損失，給生態(tài)環(huán)境帶來危害。我國是一個(gè)森林火災(zāi)多發(fā)的國家，僅2000-2014年我國森林火災(zāi)的次數(shù)平均為7945次/年，火場(chǎng)總面積平均為24萬km2/年，受害森林面積平均為10萬km2/年[2]。我國實(shí)施天然林保護(hù)和退耕還林工程以來，天然林和人工林林內(nèi)可燃物載荷增加；同時(shí)，全球氣候變暖造成了森林高火險(xiǎn)天氣數(shù)量增加。我國未來森林防火形勢(shì)嚴(yán)峻。

森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)和撲救，如果單靠人工進(jìn)行，不僅要花費(fèi)大量的人力和財(cái)力，而且要經(jīng)過很長的時(shí)間才能獲得火場(chǎng)全面的資料。用遙感技術(shù)，則能在短時(shí)間內(nèi)獲得全面準(zhǔn)確的資料，方便及時(shí)指導(dǎo)防災(zāi)、救災(zāi)工作。

1 遙感技術(shù)概述

1.1 遙感的定義

“遙感”，顧名思義，就是遙遠(yuǎn)地感知，簡(jiǎn)稱RS。人類通過大量的實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)地球上每一個(gè)物體都在不停地吸收、發(fā)射信息和能量，其中有一種人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)到的形式——電磁波，并且發(fā)現(xiàn)不同物體的電磁波輻射特性是不同的。遙感就是根據(jù)這個(gè)原理來探測(cè)地表物體對(duì)電磁波的反射和其輻射的電磁波，從而提取這些物體的信息，完成遠(yuǎn)距離識(shí)別物體。

1.2 遙感技術(shù)的發(fā)展

遙感作為一種空間探測(cè)技術(shù)，至今已經(jīng)歷了地面遙感、航空遙感和航天遙感三個(gè)階段。遙感技術(shù)是從19世紀(jì)初出現(xiàn)攝影術(shù)開始的。19世紀(jì)中葉，就有人使用氣球從空中對(duì)地面進(jìn)行攝影。20世紀(jì)初，飛機(jī)問世以后，人們開始從空中利用飛機(jī)對(duì)地面進(jìn)行攝影，并將航空影像應(yīng)用于地形和地圖制圖等方面，這揭開了當(dāng)今遙感技術(shù)的序幕。近十幾年隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展，雖然航天遙感具有許多優(yōu)越性，但是由于航空遙感具有成像比例尺大、分辨率高、幾何糾正準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，故航空遙感現(xiàn)在仍然是重要的遙感手段。

遙感技術(shù)包括傳感器技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、信息處理、提取和應(yīng)用技術(shù)，目標(biāo)信息特征的分析與測(cè)量技術(shù)等。

1.3 遙感技術(shù)的應(yīng)用

遙感的關(guān)鍵裝置是傳感器。傳感器在航空或航天中接受地面物體反射的電磁波信號(hào)，以圖像形式記錄下來，傳送到地面，最后通過處理和判斷分析，揭示物體的特征、性質(zhì)和變化。按照傳感器使用的平臺(tái)可分為：航空遙感技術(shù)和地面遙感技術(shù)[3]。常用的傳感器包括航空攝像儀、全景攝像機(jī)、多光譜攝像機(jī)、多光譜掃描儀、專題制圖儀、反束光導(dǎo)攝像管、合成孔徑側(cè)視雷達(dá)、固體掃描儀（CCD）、紅外線掃描儀等。

近十幾年來，我國遙感技術(shù)的發(fā)展也十分迅速，不僅可以直接接收、處理和提供衛(wèi)星的遙感信息，而且具有航空航天遙感信息采集的能力，能夠自行設(shè)計(jì)制造如紅外線掃描儀、合成孔徑側(cè)視雷達(dá)等多種用途的航空航天遙感儀器和用于地物波普測(cè)定的儀器。其中，機(jī)載CCD相機(jī)常用于探測(cè)火災(zāi)的重災(zāi)區(qū)，可以用來分析受災(zāi)程度和建立災(zāi)情解譯分析標(biāo)志。熱紅外多光譜掃描儀是監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的有效傳感器，它設(shè)置了0.4～0.5 μm、3～5 μm和8～12.5 μm三個(gè)探測(cè)通道，其中可見光通道用作背景，直觀地反應(yīng)地表自然景觀；3～5 μm通道是探測(cè)火災(zāi)的主要通道，通過探測(cè)火災(zāi)產(chǎn)生的高溫溫度場(chǎng)揭示地表火情；8～12.5 μm通道用于揭示地表背景溫度場(chǎng)（常溫溫度場(chǎng)）。將熱紅外掃描儀和CCD相機(jī)結(jié)合，進(jìn)行火災(zāi)區(qū)的航空監(jiān)測(cè)，對(duì)圖像進(jìn)行處理和解譯，分析火災(zāi)的蔓延趨勢(shì)和可能出現(xiàn)暗火的區(qū)域，為采取有效的滅火措施提供準(zhǔn)確的依據(jù)[4]。

2 遙感技術(shù)在南方森林航空消防工作中的應(yīng)用情況

自1993年成立西南衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)分中心以來，遙感技術(shù)特別是航空遙感技術(shù)逐漸應(yīng)用到南方森林航空消防工作中。南方航空護(hù)林總站是我國西南地區(qū)專門從事森林防火、滅火的一支現(xiàn)代化森林航空消防專業(yè)隊(duì)伍，承擔(dān)著黃河以南18個(gè)?。▍^(qū)、市）森林航空消防工作。航空護(hù)林防護(hù)區(qū)內(nèi)的國土面積共418.07萬km2，已開航省份森林航空消防覆蓋面積約254.46萬km2，約占南方18個(gè)?。▍^(qū)、市）國土面積的60.87%。目前，南方森林航空消防實(shí)際工作中，遙感技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)用在林火的預(yù)警監(jiān)測(cè)和火災(zāi)的實(shí)際撲救上。

2.1 遙感技術(shù)在南方林火監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)是林火監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，利用衛(wèi)星搭載遙感裝置可以監(jiān)測(cè)記錄地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的各類信息。其中根據(jù)森林燃燒時(shí)溫度高于背景地表溫度，衛(wèi)星能夠完成森林熱點(diǎn)的識(shí)別監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感技術(shù)在林火識(shí)別監(jiān)測(cè)中可以實(shí)現(xiàn)著火點(diǎn)地理位置的判定、火線的范圍制圖、火場(chǎng)變化趨勢(shì)判斷及火燒跡地植被恢復(fù)過程的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。遙感技術(shù)在衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)上有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，分辨率高，發(fā)現(xiàn)早，發(fā)現(xiàn)火情可及時(shí)通知林業(yè)部門采取措施，阻止火點(diǎn)蔓燃，最大限度降低林火造成損失。目前，在南方林區(qū)用于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星多為極軌衛(wèi)星，主要是FY、TERRA、AQUA、NOAA、EOS/MODIS系列氣象衛(wèi)星。美國NOAA氣象衛(wèi)星信息源是面向全球的無償遙感信息源，具有周期短、密度高、多時(shí)相動(dòng)態(tài)遙感的能力，但分辨率給林火信息監(jiān)測(cè)帶來一定困難；EOS衛(wèi)星在林火監(jiān)測(cè)中具有很好的應(yīng)用前景，不僅可應(yīng)用于林火的直接監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以開展地表溫度、濕度的監(jiān)測(cè)，利用MODIS資料進(jìn)行林火的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，具有較好的應(yīng)用前景，在林火的準(zhǔn)確率和定位上較NOAA衛(wèi)星有較大的提高[3]。

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)每天對(duì)南方林區(qū)開展森林火情的監(jiān)測(cè)，但衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在空間分辨率較低，利用熱紅外通道數(shù)據(jù)進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)時(shí)易受到強(qiáng)反射面和高溫飽和等因素的干擾。另外，氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)易受到云、霧的影響，進(jìn)而影響到林火監(jiān)測(cè)的精度。解決這些問題，需要在衛(wèi)星遙感技術(shù)及監(jiān)測(cè)平臺(tái)上取得技術(shù)發(fā)展，從而提高衛(wèi)星對(duì)林火監(jiān)測(cè)的成熟度。

近年來，在我國遙感技術(shù)領(lǐng)域，伴隨著多傳感器、多分辨率、多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)源的接收和應(yīng)用以及對(duì)高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)的開發(fā)，促成了各種遙感數(shù)據(jù)融合技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展。在衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，應(yīng)用部門希望利用有限的數(shù)據(jù)資源獲得來自不同衛(wèi)星或不同儀器遙感數(shù)據(jù)源的信息，以增強(qiáng)對(duì)林火的檢測(cè)與識(shí)別能力，提高衛(wèi)星遙感應(yīng)用的精度、范圍和效率。于是，多衛(wèi)星、多儀器數(shù)據(jù)匹配以及其融合產(chǎn)品有了廣闊的市場(chǎng)。目前，我國自主研發(fā)的FY-3A是衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)工作中常用的一顆衛(wèi)星，該衛(wèi)星同時(shí)搭載紅外分光計(jì)、微波溫度計(jì)、微波濕度計(jì)，主要用于大氣垂直探測(cè)。綜合三個(gè)儀器，覆蓋了從可見光、近紅外、熱紅外到微波波段的光譜范圍，其間的光譜信息非常豐富。為了解決有云條件下衛(wèi)星大氣垂直探測(cè)技術(shù)難題，以及有效地提高大氣參數(shù)反演的精度，該衛(wèi)星綜合利用紅外通道和微波探測(cè)通道信息進(jìn)行大氣垂直探測(cè)。通過紅外分光計(jì)、微波溫度計(jì)、微波濕度計(jì)三個(gè)儀器的數(shù)據(jù)融合，在與地理信息系統(tǒng)結(jié)合使用后，F(xiàn)Y-3A氣象衛(wèi)星在南方林火監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮了重大作用，大大提高了衛(wèi)星林火熱點(diǎn)的判定[5]。

2019年，我國首顆亞米級(jí)高分辨率光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星高分七號(hào)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。高分七號(hào)衛(wèi)星是光學(xué)立體測(cè)繪衛(wèi)星，已在高分辨率立體測(cè)繪圖像數(shù)據(jù)獲取、高分辨率立體測(cè)圖、高精度衛(wèi)星遙感和遙感統(tǒng)計(jì)調(diào)查等領(lǐng)域取得突破。高分七號(hào)衛(wèi)星定位精度是目前國內(nèi)最高的，能夠?qū)⑽覈酥寥虻牡匦蔚孛怖L制出一幅誤差在1 m以內(nèi)的立體地圖。高分七號(hào)光學(xué)衛(wèi)星不僅能夠?yàn)橐?guī)劃、環(huán)保、國土、農(nóng)業(yè)部門提供寶貴的信息，未來還可以應(yīng)用在森林防火工作中，特別是高分衛(wèi)星的高分辨率和高定位精度在衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)中會(huì)發(fā)揮重要作用。

南方航空護(hù)林總站除利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)外，最近幾年也在不斷探索利用無人機(jī)遙感進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)。無人機(jī)遙感應(yīng)用主要集中在中低空遙感。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展以及各種數(shù)字化、重量輕、體積小、探測(cè)精度高的小型傳感器的不斷面世，常用的低空無人機(jī)已經(jīng)可滿足1∶10000或1∶2000比例尺遙感應(yīng)用的需要。相比較衛(wèi)星遙感，無人機(jī)進(jìn)行遙感圖像的獲取具有較高的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。目前，在南方林火監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)已經(jīng)可以通過超短波通信鏈路將數(shù)據(jù)就近傳輸回地面站。圖像傳輸利用PT系列無線音視頻傳輸系統(tǒng)，可以無線、遠(yuǎn)距離傳輸一路或多路視頻信號(hào)及音頻信號(hào)，所獲得的圖像信號(hào)和音頻信號(hào)實(shí)時(shí)、連續(xù)、無失真。無線音視頻傳輸系統(tǒng)實(shí)際傳輸距離，在無遮擋的條件下最遠(yuǎn)可達(dá)10余公里。利用無人機(jī)配合遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)已成為南方林火監(jiān)測(cè)技術(shù)重要發(fā)展方向[4]。

2.2 遙感技術(shù)在南方森林火災(zāi)撲救中的應(yīng)用

將遙感技術(shù)同航空護(hù)林飛機(jī)結(jié)合，在目前的森林火災(zāi)撲救中，特別是在火場(chǎng)偵查過程中得到廣泛應(yīng)用。

航空護(hù)林常用的載臺(tái)是有人飛機(jī)。目前，南方護(hù)區(qū)主要使用的直升機(jī)型有Mi-26、Mi-8、Mi-171、Ka-32、（AS-350B3）小松鼠；固定翼機(jī)型有Y12、賽斯納208、夏延等[6]。隨著機(jī)載圖傳系統(tǒng)的日趨成熟，各種遙感儀器更加小型輕質(zhì)化。南方林區(qū)在實(shí)際工作中已經(jīng)將航空攝像儀、多光譜攝像機(jī)、固體掃描儀（CCD）、紅外線掃描儀等遙感設(shè)備搭載在飛機(jī)上對(duì)火場(chǎng)進(jìn)行空中偵查。飛機(jī)觀察員將收集到的火場(chǎng)信息通過信息傳輸技術(shù)傳遞給火場(chǎng)地面撲救專業(yè)隊(duì)伍，形成了以地面指揮為主、地空配合的火場(chǎng)調(diào)度和撲救體系。

2014年5月21日，云南省昆明市安寧鄭家溝發(fā)生森林火災(zāi)。5月21日19時(shí)，西南衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)分中心通過NOAA-18衛(wèi)星監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)有5個(gè)像素的熱點(diǎn)（YN-10），經(jīng)反饋?zhàn)C實(shí)為昆明安寧境內(nèi)的林火。安寧當(dāng)?shù)厣址阑鸩块T獲知火情后，迅速組織人員撲救，在第一時(shí)間將火情控制住。隨后，南方航空護(hù)林總站啟動(dòng)《南方森林航空消防處置森林火災(zāi)預(yù)案》，針對(duì)火場(chǎng)信息，緊急從普洱、麗江、保山和西昌航站調(diào)動(dòng)1架M-171和3架卡-32直升機(jī)前往火場(chǎng)撲救。其中，M-171直升機(jī)載有航空攝像儀、紅外線掃描儀和圖傳設(shè)備，負(fù)責(zé)火場(chǎng)偵察和空中指揮，3架卡-32直升機(jī)組成編隊(duì)滅火。此外，應(yīng)國家森林防火指揮部要求，南方航空護(hù)林總站派出赴火場(chǎng)工作組攜帶應(yīng)急通信設(shè)備并調(diào)派大型通信指揮車，前往火場(chǎng)一線協(xié)調(diào)和指導(dǎo)火災(zāi)撲救工作。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，此次火災(zāi)撲救過程中，M-171上的飛行觀察員利用機(jī)載攝像儀、固體掃描儀、紅外線掃描儀和圖傳設(shè)備對(duì)火場(chǎng)空中偵察17架次，及時(shí)向火場(chǎng)前指匯報(bào)火場(chǎng)最新態(tài)勢(shì)，提供火場(chǎng)偵察報(bào)告17份，火場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖15份，上報(bào)火場(chǎng)重點(diǎn)部位照片75張，為火場(chǎng)指揮人員的決策和指揮提供了重要依據(jù)。與此同時(shí)，西南衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)分中心每天利用NOAA-18、FY-3A等過境衛(wèi)星連續(xù)跟蹤熱點(diǎn)，從5月21日發(fā)生林火到27日林火被撲滅，共制作連續(xù)熱點(diǎn)圖像35幅。

在處置“5·21”火災(zāi)中，南航總站應(yīng)用了移動(dòng)多媒體實(shí)施傳輸系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、火場(chǎng)標(biāo)繪系統(tǒng)、GIS和GPS系統(tǒng)、無線圖傳系統(tǒng)等技術(shù)，發(fā)揮了較好的作用?；饒?chǎng)工作組的大型通信指揮車到達(dá)火場(chǎng)后，立即建立起火場(chǎng)一線—國家森林防火指揮部指揮中心—火場(chǎng)前指的視頻連線，利用信息傳輸技術(shù)，通過圖傳設(shè)備傳輸空中飛機(jī)偵察的火場(chǎng)視頻、照片和態(tài)勢(shì)圖等火場(chǎng)信息，保障國家森林防火指揮部與前指的視頻會(huì)議暢通，為上情下達(dá)和下情上報(bào)提供堅(jiān)實(shí)保障，為各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)全面掌控火場(chǎng)動(dòng)態(tài)、做出準(zhǔn)確分析、實(shí)施果斷決策和正確指揮提供了可靠、直觀的多媒體信息和有力的技術(shù)支持。在直升機(jī)撲救重點(diǎn)區(qū)域時(shí)，依托GIS準(zhǔn)確引領(lǐng)吊滅，提高了火場(chǎng)偵察效率和滅火準(zhǔn)確度。這些技術(shù)特別是遙感技術(shù)在森林消防中的應(yīng)用，極大地提高了處置安寧火場(chǎng)的工作效率，為最終撲滅火災(zāi)發(fā)揮了重要作用[7]。

遙感技術(shù)還可以應(yīng)用于林火損失評(píng)估。當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)之后，相關(guān)部門需要對(duì)火災(zāi)的起因、受害面積、撲救情況、經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡以及造成的環(huán)境影響等進(jìn)行調(diào)查分析，從中吸取教訓(xùn)，以便有針對(duì)性地加強(qiáng)森林防火工作。通常情況下，在對(duì)火源進(jìn)行分析的過程中，需要結(jié)合環(huán)境一并分析。在確定起火位置后，不可以主觀地下結(jié)論，要按照起火地點(diǎn)的火源、可燃物以及環(huán)境等因素進(jìn)行全面綜合分析，從而得出科學(xué)結(jié)論。在對(duì)火災(zāi)發(fā)生后的火場(chǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可通過植物光譜的反射特征來完成。借助衛(wèi)星通道的紅外短波窗區(qū)對(duì)火場(chǎng)高溫?zé)嵩催M(jìn)行檢測(cè)，輔以林火蔓延模型，進(jìn)而對(duì)起火點(diǎn)及火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行分析，不僅極大地提高了林火的撲救效率，還能迅速準(zhǔn)確地對(duì)林火發(fā)生后的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)損失進(jìn)行評(píng)估。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在南方森林防火中得到應(yīng)用。

遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，還可以分析總結(jié)出森林火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，為森林防火制定新的技術(shù)規(guī)范，提高了南方森林防火綜合防控能力[3]。

3 結(jié)語

森林防火是一項(xiàng)復(fù)雜且系統(tǒng)的工作。為了能夠降低森林火災(zāi)的發(fā)生概率，減輕火災(zāi)損失，近年來，遙感技術(shù)的一系列方法手段被應(yīng)用在森林防火工作中，對(duì)快速發(fā)現(xiàn)和處置森林火災(zāi)起到了重要作用。在南方森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)和撲救實(shí)踐中，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展和遙感產(chǎn)品的深入應(yīng)用，結(jié)合計(jì)算機(jī)地理信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展完善，南航總站在科學(xué)組織林火預(yù)防和撲救方面，工作水平不斷得到提高。