氣象衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用和發(fā)展

森林火災(zāi)是危害林業(yè)發(fā)展和森林自然資源的主要因素。近年來，美國、澳大利亞等國家重特大火災(zāi)頻發(fā)，不僅對當(dāng)?shù)氐纳仲Y源造成了毀滅性災(zāi)害，山火產(chǎn)生的煙塵及其他附帶危害也嚴(yán)重影響了附近地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。由于森林面積廣袤、地形復(fù)雜、道路崎嶇，瞭望監(jiān)測和視頻監(jiān)控都有很大的局限性，很難全面監(jiān)測森林中的火災(zāi)情況。在這樣的情況下，利用氣象衛(wèi)星宏觀監(jiān)測森林火災(zāi)就具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，氣象衛(wèi)星可遠(yuǎn)距離、快速、全面地發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，及時(shí)掌握火災(zāi)情況，并通報(bào)相關(guān)部門，實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)早發(fā)現(xiàn)、控制火勢、盡快撲滅，最大限度減少損失。

1“葵花八號”氣象衛(wèi)星概述

“葵花（HIMAWARI）”系列衛(wèi)星是日本氣象衛(wèi)星的一種，日本氣象廳從1978年開始使用“葵花”系列氣象監(jiān)測衛(wèi)星進(jìn)行氣象觀測，共發(fā)射了10顆衛(wèi)星，9顆發(fā)射成功?！翱ò颂枴毙l(wèi)星發(fā)射于2014年10月，全長（含單太陽電池翼）約8 m，發(fā)射質(zhì)量約3 500 kg，采用三菱電機(jī)公司DS-2000衛(wèi)星平臺（三軸控制）為用戶設(shè)計(jì)的氣象衛(wèi)星的組態(tài)，設(shè)計(jì)壽命15年，執(zhí)行觀測任務(wù)壽命長于8年，搭載的探測儀器為Advanced Hi‐mawari Imagers（AHI）。相比之前發(fā)射的“葵花”系列衛(wèi)星，“葵花八號”在衛(wèi)星重量和觀測范圍以及觀測精確程度、效率上都有了較大的提升。中國也是“葵花八號”氣象衛(wèi)星的用戶之一，“葵花八號”衛(wèi)星在森林氣象監(jiān)測過程中發(fā)揮著重要的作用，見表1。

2氣象衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)在森林防滅火工作中的應(yīng)用

2.1森林火情監(jiān)測

氣象衛(wèi)星監(jiān)測森林火情主要是通過高頻掃描實(shí)現(xiàn)的。眾所周知，物體在燃燒時(shí)因?yàn)闊崮芎桶l(fā)光會(huì)散發(fā)出非常高的輻射，而氣象衛(wèi)星在運(yùn)行的過程中，能夠有效地監(jiān)測到這些異常的輻射現(xiàn)象，同時(shí)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)算法對輻射現(xiàn)象進(jìn)行分析，對可能出現(xiàn)火災(zāi)的情況及時(shí)預(yù)警。

地面觀測和空中遙感實(shí)踐證明，3～5μm光譜對燃燒的火焰特別敏感，高精度分辨率輻射計(jì)（AVHRR）第三通道正處于3～5μm光譜范圍內(nèi)，因此利用衛(wèi)星遙感可以對森林中的火情進(jìn)行有效的監(jiān)測。

2.2森林火災(zāi)面積和起火原因監(jiān)測

一方面，氣象衛(wèi)星能夠監(jiān)測森林火災(zāi)的起火原因，通過衛(wèi)星監(jiān)測和觀察記錄的數(shù)據(jù)，結(jié)合起火時(shí)的氣象情況以及火源附近的人居自然情況，分析出森林火災(zāi)的起火原因，將起火原因反饋給林業(yè)管理人員或者氣象監(jiān)測人員，就能夠及時(shí)地根據(jù)起火原因作出應(yīng)對措施；另一方面，氣象衛(wèi)星還能夠監(jiān)測和計(jì)算森林火災(zāi)的過火面積，通過前后衛(wèi)星圖片資料的疊加分析，從而計(jì)算出森林火災(zāi)的過火面積。

3氣象衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)在森林防火中的現(xiàn)狀

當(dāng)前的森林防火監(jiān)測當(dāng)中，衛(wèi)星監(jiān)測是主要的監(jiān)測手段，而利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測的主要方式就是衛(wèi)星遙感技術(shù)，即AVHRR，這是當(dāng)前氣象衛(wèi)星的主要監(jiān)測技術(shù)手段，此外還有“葵花八號”搭載的“先進(jìn)向日葵成像儀”（AHI）也是監(jiān)測遙感的探測器，都能夠高速有效監(jiān)測森林情況。

目前使用較多的衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)為AVHRR，全稱為Advanced Very High Resolu‐tion Radiometer，是NOAA系列氣象衛(wèi)星上搭載的傳感器，從1979年TIROS-N衛(wèi)星發(fā)射以來，NOAA系列衛(wèi)星的AVHRR傳感器就持續(xù)進(jìn)行著對地觀測任務(wù)。

中國森林面積廣袤，森林自然情況復(fù)雜，為了能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、大范圍的監(jiān)測森林火災(zāi)，需要多顆氣象衛(wèi)星協(xié)調(diào)工作，并且結(jié)合人工監(jiān)測方式，多角度全方位地監(jiān)測森林火災(zāi)情況。

AVHRR是一種多光譜通道的掃描輻射儀，具有5個(gè)通道，各個(gè)通道波長不一樣，對不同的氣象條件具有不同的敏感程度。根據(jù)科學(xué)驗(yàn)證，3～5μm光譜對燃燒的火焰特別敏感，所以能夠通過AVHRR探測器及時(shí)地監(jiān)測到森林火災(zāi)情況，各光譜通道的波長范圍及地面分辨率見表2：

根據(jù)上表可得知，通道3能夠有效地感應(yīng)到地表的火災(zāi)情況，因此也是當(dāng)前使用的主要?dú)庀蟊O(jiān)測手段，但是AVHRR監(jiān)測存在的問題也很明顯，盡管它的三通道能夠?qū)鹧孀龀雒舾械姆磻?yīng)，但衛(wèi)星監(jiān)測的范圍過大，而且掃描的頻率很快，所以在精確度較差，相比起AVHRR，日本的“葵花八號”衛(wèi)星所采用的“先進(jìn)葵花成像技術(shù)（AHI）”則在精確度上更勝一籌，它能夠精確地根據(jù)地表情況，繪制出立體的森林氣象藍(lán)圖，并且采用不同的顏色標(biāo)注出輻射情況。另一方面，相比起AHI，AVHRR技術(shù)在圖像成像方面也還存在不足。

日本的“葵花八號”衛(wèi)星屬于靜止氣象衛(wèi)星，其搭載的“先進(jìn)葵花成像儀”無論是在時(shí)間還是空間上都具有較高的分辨率，“葵花八號”氣象衛(wèi)星具有10 min的時(shí)間分辨率和500 m的空間分辨率。“葵花八號”衛(wèi)星能夠識別紅藍(lán)綠光，能夠顯示彩色圖像，因此以茶色來表示沙塵以便與云區(qū)別開來，對于觀測和預(yù)報(bào)都有利。

“葵花八號”在森林防火方面的應(yīng)用主要依賴于它極強(qiáng)的時(shí)間和空間分辨率，通過衛(wèi)星的AHI探測器，能夠快速清晰地展示出森林中的煙塵和起火情況，尤其是對于火焰的觀察記錄能夠以不同的顏色顯示出來，并且快速更新火災(zāi)信息及火災(zāi)面積，通告相關(guān)林業(yè)人員進(jìn)行處理。

在森林防火的過程中運(yùn)用氣象監(jiān)測衛(wèi)星進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警是森林防火工作較常應(yīng)用的一種方法，效果明顯，成功地阻止了許多萌芽期森林火災(zāi)，避免了可能演變?yōu)榇笮突馂?zāi)的情況，但是由于氣象衛(wèi)星在全球按照軌道運(yùn)行，運(yùn)行和掃描的速度較快，且掃描范圍過大，所以對于許多具體細(xì)致的情況就無法達(dá)到較好的監(jiān)測。

4氣象衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)在森林防火中的未來發(fā)展趨勢

鑒于目前的氣象衛(wèi)星存在的問題，由于氣象衛(wèi)星在大范圍監(jiān)測上存在著精細(xì)度較差的問題，所以將氣象衛(wèi)星的尺度集中到中小尺度，就具有更強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿?，隨著全球航空航天技術(shù)的發(fā)展，氣象監(jiān)測衛(wèi)星數(shù)量也在逐漸增加。所以，在森林防火工作中，可將氣象遙感監(jiān)測衛(wèi)星同全球定位系統(tǒng)GPS及地理信息系統(tǒng)GIS結(jié)合起來，形成一套完整的森林防火預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，通過衛(wèi)星遙感技術(shù)確定出疑似森林火災(zāi)的位置，然后利用全球定位系統(tǒng)迅速鎖定位置，接著使用地理信息系統(tǒng)檢查疑似起火點(diǎn)的地理信息情況，在最快的時(shí)間內(nèi)明確火災(zāi)情況，并且采取相應(yīng)的處理措施，建立形成完整的森林火險(xiǎn)預(yù)測預(yù)報(bào)體系及森林火災(zāi)監(jiān)測與指揮系統(tǒng)。

衛(wèi)星在森林防火滅火工作中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：第一，應(yīng)用于森林火險(xiǎn)預(yù)警階段。通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測林區(qū)可燃物載量及可燃物含水率動(dòng)態(tài)信息；第二，應(yīng)用于發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)階段。充分利用極軌、靜止等多源衛(wèi)星監(jiān)測森林火災(zāi)的發(fā)生，增加衛(wèi)星監(jiān)測林火的密度和精度，盡可能最大限度實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)早發(fā)現(xiàn)、早出動(dòng)、早撲滅；第三，應(yīng)用于森林火災(zāi)撲救過程中。利用高分辨率靜止衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)宏觀實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)森林火場的發(fā)展態(tài)勢，科學(xué)實(shí)施搶救措施；第四，應(yīng)用于森林火災(zāi)災(zāi)后評估。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對森林火災(zāi)的燃燒狀況、火災(zāi)損失及災(zāi)后森林植被恢復(fù)等進(jìn)行長期連續(xù)跟蹤監(jiān)測，并且衛(wèi)星影像能夠獲取同一地區(qū)不同時(shí)間的衛(wèi)星影像，可進(jìn)行疊加對比，從而統(tǒng)計(jì)過火面積及測算森林燃燒受害程度。

森林火災(zāi)是危害森林自然環(huán)境、森林資源及周邊地區(qū)物種的主要因素，尤其是大規(guī)模不可控的森林火災(zāi)所帶來的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境破壞都是不可估量的，因此，需要?dú)庀笮l(wèi)星技術(shù)措施對森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測，在最短的時(shí)間內(nèi)撲滅火災(zāi)幼苗，有效監(jiān)控森林火災(zāi)隱患。通過氣象衛(wèi)星的遙感監(jiān)測，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)某地區(qū)的森林火災(zāi)情況，尤其是日本的“葵花八號”衛(wèi)星，能夠在較高的精度下發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)的情況，并且形成清晰易識別的圖像。但是同樣存在精確度較差的情況，未來會(huì)將氣象監(jiān)測衛(wèi)星、全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)等技術(shù)有機(jī)整合，形成完整的森林火災(zāi)預(yù)測與預(yù)報(bào)系統(tǒng)及森林火災(zāi)監(jiān)測和指揮系統(tǒng)，利用氣象衛(wèi)星全面監(jiān)測森林火災(zāi)，服務(wù)于森林防滅火工作全流程。

基金項(xiàng)目：廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新項(xiàng)目、廣東省林業(yè)廳課題（2016KJCX039）

【廣東省航空護(hù)林站（廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測中心）廖俊煒，曾慶峰】