基于GF-4 PMI數(shù)據(jù)的亮溫差校正火點檢測方法研究

王 堯，王世新，周 藝，王福濤，王振慶

1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100094 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是最經(jīng)常、最普遍地威脅公眾安全和社會發(fā)展的主要災(zāi)害之一[1]；其中，森林火災(zāi)作為一種突發(fā)性強，破壞性大的自然災(zāi)害，對森林以及人類帶來極大的危害和損失。尤其是2016年12月印發(fā)實施的《全國森林防火規(guī)劃(2016—2025)》，更是將森林火災(zāi)防控問題提高到了國家戰(zhàn)略層面，其中明確指出要建立健全科學(xué)防火和依法治火機制，全面提升森林火災(zāi)綜合防控能力，因此對火災(zāi)發(fā)生前的風(fēng)險評判以及發(fā)生后的快速識別具有極其重要的意義。

目前，衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)由于其監(jiān)測頻次快，空間覆蓋范圍廣，已經(jīng)成為監(jiān)測和處理森林火災(zāi)的重要數(shù)據(jù)來源。20世紀80年代，伴隨著遙感技術(shù)的深入發(fā)展，出現(xiàn)了利用多個衛(wèi)星平臺協(xié)同監(jiān)測森林火災(zāi)的研究。根據(jù)平臺的不同，可以將火災(zāi)監(jiān)測的方法分為單時相和多時相兩大類。具體而言，單時相監(jiān)測是利用火災(zāi)發(fā)生時空間溫度的差異及光譜信息進行監(jiān)測，常用方法如單波段閾值法、多波段閾值法以及上下文法等。其中，單波段和多波段閾值法的優(yōu)點是簡單快速且有一定的魯棒性，但忽略了季節(jié)的差異性及區(qū)域的異質(zhì)性；上下文法是指利用空間上下文信息對火點進行提取，目前廣泛使用的全球火點產(chǎn)品的生產(chǎn)就是基于Giglio等[2]提出的上下文法的模型改進和發(fā)展而來，該方法能夠降低部分較小火點的漏檢精度。相比于單時相監(jiān)測，多時相監(jiān)測則是通過利用同步衛(wèi)星高重訪率的特性，用多幅歷史影像與當(dāng)前影像相結(jié)合進行火點識別。與極軌衛(wèi)星相比，地球靜止衛(wèi)星的高時間分辨率不僅能夠更好地排除掉虛警問題，同時還能補償其在空間分辨率上的不足，因而在全球的火災(zāi)監(jiān)測中具有明顯的優(yōu)勢。如Filizola等[3-4]利用歐洲MSG SEVIRI傳感器，提出了適合同步衛(wèi)星的RST-FIRES算法，且成功地用于火災(zāi)監(jiān)測；Jang等[4]提出了一種組合算法，并基于Himawari-8數(shù)據(jù)監(jiān)測韓國的小型森林火災(zāi)。

與國外相比，國內(nèi)學(xué)者利用遙感數(shù)據(jù)對火點進行提取的研究起步雖然較晚，但是經(jīng)過多年的發(fā)展，也取得了豐富的成果，如火點指數(shù)法、最大類間差法等。并且用AVHRR數(shù)據(jù)及MODIS數(shù)據(jù)發(fā)展了適用于中國區(qū)域的火點探測算法，隨著近些年國產(chǎn)衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射，出現(xiàn)了諸多針對國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的火災(zāi)監(jiān)測算法，具體如Li等[5-6]分別提出適用于HJ-1B衛(wèi)星的火災(zāi)監(jiān)測歸一化火點指數(shù)以及時空探測模型, Lin等[7]基于FY-3C VIRR數(shù)據(jù)，通過引入“動態(tài)閾值”和“紅外梯度”特性以增強算法的性能，使其適合于VIRR儀器。

目前，隨著“高分專項”全面啟動，高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)為我國的災(zāi)害監(jiān)測提供了一個全新的平臺，其主要研究通過獲取火燒跡地高分辨率遙感影像，從而對森林火災(zāi)受害程度和災(zāi)后植被恢復(fù)等進行評價與支持[8]。高分四號衛(wèi)星作為一顆靜止衛(wèi)星，其搭載的中波紅外相機(IRS)具有按秒成像的能力，并且具有較高溫度飽和點，因而對于熱異常及地物動態(tài)變化監(jiān)測具有重要的應(yīng)用前景。劉超樹等[9]采用“劈窗法”構(gòu)建高分四號的火點自適應(yīng)閾值檢測算法，該算法的檢測準確率高于80%，能被應(yīng)用于高分四號影像的火點檢測?？傮w而言，國內(nèi)外學(xué)者對于火點提取的研究日趨成熟，但是也存在以下問題：一是對于新發(fā)射的衛(wèi)星傳感器數(shù)據(jù)火點提取算法研究較少；其二是基于單時相多時相的火災(zāi)探測都有不足之處。為此，本文結(jié)合高分四號數(shù)據(jù)，首先對其在不同場景下的火災(zāi)監(jiān)測潛力進行評價，其次構(gòu)建了亮溫差校正思想的火點檢測方法，通過引入災(zāi)前影像的時間信息來獲得較為準確的亮溫擬合數(shù)據(jù)，最后通過精確率、虛警率、漏警率和總體分類精度等指標對火點探測結(jié)果進行精度評價。

1 實驗部分

1.1 研究區(qū)概況

本研究選取山西省沁源縣和內(nèi)蒙古呼倫貝爾市新巴爾虎左旗地區(qū)作為實驗區(qū)。沁源縣位于112.3E，26.5N，以超56.7%的森林覆蓋率位居山西省之首；新巴爾虎左旗毗鄰兩國一盟四旗市位于東經(jīng)117°33′—120°12′，北緯46°10′—49°47′，春季干旱多大風(fēng)，邊境線屢見火情。

1.2 數(shù)據(jù)處理及技術(shù)路線

高分四號衛(wèi)星是我國自主研制的第一顆，也是目前世界上地球同步軌道分辨率最高的對地觀測衛(wèi)星。該衛(wèi)星具有普查、凝視、區(qū)域、機動查巡四種工作模式，可以長時間駐留在固定區(qū)域上空，對我國境內(nèi)及周邊地區(qū)進行近實時高頻次的監(jiān)測以及熱點區(qū)域持續(xù)觀測。其上搭載的全色多光譜相機(PMS)空間分辨率優(yōu)于50 m、單景成像幅寬優(yōu)于500 km、中波紅外相機(IRS)空間分辨率優(yōu)于400 m、單景成像幅寬優(yōu)于400 km。具體衛(wèi)星參數(shù)如表1所示。

表1 高分四號衛(wèi)星參數(shù)

本文研究所需數(shù)據(jù)包括高分四號PMS和IRS兩個傳感器(PMI)的影像。在進行火點提取前，需要對原始數(shù)據(jù)進行一系列預(yù)處理過程，包括輻射定標、大氣校正、幾何校正和亮溫反演及反射率計算。具體技術(shù)流程圖見圖1。

圖1 技術(shù)流程圖

2 研究原理與方法

2.1 理論基礎(chǔ)

熱異常是探測森林草原等生物質(zhì)燃燒的典型特征之一，傳統(tǒng)用于森林火災(zāi)探測的衛(wèi)星主要是利用其傳感器熱紅外通道對于溫度的敏感性來進行識別與探測，其數(shù)據(jù)遵循普朗克三定律，其中維恩位移定律表達式如式(1)所示。

λmax=b/T

(1)

式(1)中，λmax為物體的輻射波，T為亮度溫度值，b是值為2.897 768 5×10-3m·K的常數(shù)。

根據(jù)以上定律，可以得到物體的輻射波長僅與溫度有關(guān)，且溫度越高，輻射波長向著短波方向移動。此外，根據(jù)維恩位移定律，物體輻射時，其波長的峰值也會隨著溫度的變化而改變，溫度升高則峰值向短波方向過渡，溫度降低則峰值向長波方向過渡。一般而言，森林熱源燃燒時的溫度超過500 K。Robinson[10]、Pereira[11]等經(jīng)實驗研究得出林火的輻射峰值大致在3.7 μm附近[11-12]，而高分四號中紅外波段波長范圍為3.5～4.1 μm，飽和溫度為360 K，可以滿足基本的林火監(jiān)測要求。

2.2 火點判別方法

通過利用兩期高分四號影像數(shù)據(jù)中的時間空間信息，構(gòu)建了一套亮溫差校正的火點檢測方法，并將其用于區(qū)域內(nèi)火點的識別。

具體而言，首先定義背景亮溫為未發(fā)生火災(zāi)下的亮溫，火點的探測是基于明火發(fā)生時的當(dāng)前亮溫與背景亮溫的差值來進行判斷。其次，以目標亮溫為中心的周圍5×5至21×21的動態(tài)窗口內(nèi)進行差值處理，并將窗口內(nèi)滿足條件的點作為樣本點進行插值，從而得到當(dāng)前火災(zāi)發(fā)生時與火災(zāi)發(fā)生前的補償亮溫，之后將補償亮溫與災(zāi)前亮溫相加得到校正后的亮溫作為目標像元的新背景亮溫，最后進行火點判定和虛警剔除。但是在進行上述操作步驟前，需要對區(qū)域內(nèi)云及水體像元進行掩膜處理，從而得到可用來替代探測像元背景亮溫的無污染像元。具體識別過程如以下六部分組成。

2.2.1 云像元識別

由于光學(xué)傳感器波段的電磁波無法穿透云層，因此云層所在區(qū)域的像元亮溫較低，此外，受云層的影響，可見光和近紅外波段的反射率增高。高精度的云掩膜在一定程度上可以降低由非火災(zāi)區(qū)域所產(chǎn)生的誤差。為了提取區(qū)域內(nèi)的云像元，本文采用式(2)和式(3)組合識別云像元[12]。

ρRed+ρNIR>0.7

(2)

T>285 K

(3)

式(2)和式(3)中，ρRed和ρNIR分別為PMS傳感器上4和5波段的反射率，T為IRS傳感器的近紅外亮溫。

2.2.2 水體識別

與云像元相同，水體同樣屬于污染信息，需要對其進行掩膜處理。目前基于多光譜數(shù)據(jù)識別水體的常用方法有閾值法、多波段算法、譜間關(guān)系法、區(qū)域生長法等。在前人研究的基礎(chǔ)上，本文采用式(4)和式(5)對水體進行提取[13]。

(4)

ρNIR>0.15

(5)

2.2.3 潛在火點識別

經(jīng)過多次實驗，最終設(shè)定325 K作為潛在火點像元的提取閾值，以最大程度上得到區(qū)域內(nèi)所有的異常高溫點。具體而言，首先以各潛在點為中心選取窗口，計算背景亮溫。初始窗口設(shè)為5×5，若參與計算的無污染像元低于窗口總體像元個數(shù)的20%，則擴大窗口至7×7，但受制于地物的差異性，窗口上限為21×21。

2.2.4 背景亮溫計算

選定合適窗口后，為了獲取準確的背景亮溫，加入前一期災(zāi)前的影像信息?？梢园l(fā)現(xiàn)在無污染像元的情況下，相鄰時相的兩期影像既具有空間異質(zhì)性，又有空間連續(xù)性，尤其是單個像元在時間上表現(xiàn)出強相關(guān)性。

由于高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在災(zāi)前具有時間上的不確定性，兩期影像的太陽高度角的不同，為了補償兩期影像的亮溫，構(gòu)建溫差補償值ΔT，如式(6)所示。

ΔT(i,j)={t|Tpo-Tpr}

(6)

式(6)中，Tpo是災(zāi)中像元亮溫的集合，Tpr是災(zāi)前像元亮溫的集合。對于每一個用于計算的潛在像元窗口內(nèi)，將計算的有效像元的溫差補償值作為采樣數(shù)據(jù)，并利用半變異函數(shù)法對采樣數(shù)據(jù)進行擬合，從而得到潛在火點與災(zāi)前數(shù)據(jù)的溫差補償值ΔTij，之后將ΔTij與災(zāi)前的亮溫相加得到潛在火點的背景亮溫的預(yù)測值Tpred。

圖2 山西沁源縣災(zāi)前與災(zāi)中地表亮溫散點圖

潛在火點的溫差補償計算在本研究對比了三種空間插值方法得到的結(jié)果，選擇普通克里金插值法(ordinary kriging，OK)，該方法不僅考慮了采樣的已知點與預(yù)測點的距離關(guān)系，同時考慮了它們之間的自相關(guān)關(guān)系，其能夠很好地反映兩期影像中相同空間內(nèi)的溫度差。克里金插值的優(yōu)勢在于其不僅考慮已知點和預(yù)測點之間的距離關(guān)系，同時考慮已知點之間的自相關(guān)關(guān)系。式(7)為克里金計算公式。

(7)

2.2.5 火點識別

式(8)可以用來將潛在火點判斷為真實火點。

Tpo>Tpred+3δ

(8)

式(8)中，δ為窗口中背景像元的平均絕對偏差。

2.2.6 虛警剔除

基于光譜信息的火點提取流程，在大尺度區(qū)域內(nèi)，虛警率通常較高。已有研究表明裸土在光譜維度難以與火點進行區(qū)分，因此采用已有土地分類結(jié)果，將裸地賦值為1，非裸地賦值為0，從而得到二值化的裸地分布圖；之后，利用式(9)對2.2.5節(jié)火點識別結(jié)果的基礎(chǔ)上進行裸地信息的去除。

ifL(i,j)=1, then exclude

(9)

3 精度評價

針對實驗區(qū)的火點識別結(jié)果，本研究以目視解譯的火點結(jié)果作為真值構(gòu)建區(qū)域火點識別精度評價體系。體系包括精確率(precision,P)、虛警率(false alarm,F)，漏警率(missing alarm,M)，總體分類精度(overall accuracy, OA)以及評價指標Fβ分數(shù)，具體計算公式如式(10)—式(13)所示。

(10)

(11)

(12)

(13)

式中NTP是正確識別到的火點數(shù)，NFP是未被正確識別的火點數(shù)，NTN是被正確識別的非火點數(shù)，NFN是未被正確識別的非火點數(shù)。β是F分數(shù)的權(quán)重，本文中其值為2。

4 結(jié)果與討論

4.1 背景亮溫擬合結(jié)果

本研究通過結(jié)合高分四號PMS和IRS傳感器數(shù)據(jù)分別對山西沁源縣和大興安嶺新巴爾虎左旗兩個區(qū)域進行火點檢測。同時，對兩個區(qū)域進行人工目視解譯，將解譯得到的火點數(shù)據(jù)與當(dāng)?shù)匕l(fā)生火災(zāi)時的其他文本數(shù)據(jù)作為驗證數(shù)據(jù)。

遙感圖像檢測火點像元的方法本質(zhì)是一個二分類問題。地表火災(zāi)會引起該區(qū)域輻射能量的急劇驟升，與自然狀態(tài)下的背景像元輻射能量形成較大的差異，一般的單時相影像火點判別條件中背景亮溫的估算由自適應(yīng)窗口內(nèi)的均值替代，多時相的火點判別則是基于大量的前期影像訓(xùn)練完成的DTC(diurnal temperture cycles)模型用于擬合當(dāng)前背景亮溫。本研究在單時相火點判別的基礎(chǔ)上增加一期災(zāi)前影像的時間信息用于擬合當(dāng)前火點的亮溫值，一方面可以保持單個像元在時間上的連續(xù)性同時不破壞其空間性，另一方面可以減少用于擬合亮溫曲線的數(shù)據(jù)量，得到較為準確的背景亮溫，整體符合高分四號衛(wèi)星用于快速災(zāi)情應(yīng)急的定位。

本研究對比災(zāi)前的亮溫值，并對兩期影像的亮溫差進行預(yù)估。圖3和圖4分別是山西沁源縣潛在火點像元采用不同模型擬合形成的亮溫曲線及對比結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)在兩期影像的亮溫擬合結(jié)果中，基于單時相窗口得到的背景亮溫峰值峰谷與災(zāi)前亮溫相反，曲線波動不大，整體擬合值較低，且對于背景溫度較高的區(qū)域有平滑作用，直方圖亮溫分布在310 K兩側(cè)，在計算中對于一些低溫火點的識別則不夠準確。簡單克里金插值得到的結(jié)果能體現(xiàn)區(qū)域性，有突出的峰值且有對應(yīng)于高亮溫的像素點，但該模型假設(shè)未知點的屬性值相對于平均值的偏差是已知點的屬性值相對于平均值的偏差的加權(quán)求和，并且需要提前知道區(qū)域的期望值，因此用于預(yù)估的期望值可能有偏差，從直方圖來看簡單克里金計算的得到的數(shù)據(jù)單峰分布更明顯，從表2插值統(tǒng)計結(jié)果來看普通克里金插值在數(shù)據(jù)分布上與反距離加權(quán)插值保持一致。但相比于反距離加權(quán)固定的權(quán)值，普通克里金的權(quán)重更依賴于空間，因此且其正太分布更為明顯，是較為理想的擬合結(jié)果。圖3中PreAT，PreIDW，PreOK和PreSK分別代表自適應(yīng)閾值分割方法、反距離加權(quán)、簡單克里金以及普通克里金插值的亮溫差校正方法得到的背景亮溫擬合值。

圖3 不同插值方法擬合背景亮溫對比圖

圖4 潛在火點的背景亮溫擬合直方圖及概率分布

表2 單時相自適應(yīng)閾值與三種插值方法擬合亮溫值統(tǒng)計表

4.2 實驗結(jié)果及精度驗證

2019年3月29日和2019年4月20日，山西沁源縣王陶鄉(xiāng)王陶村和大興安嶺新巴爾虎左旗孟克西里地區(qū)發(fā)生火災(zāi)?；趯?yīng)時間的高分四號PMI數(shù)據(jù)，本文通過使用提出的亮溫差校正的火點提取方法對兩起火災(zāi)區(qū)域的火點進行提取，并將其與單時相自適應(yīng)閾值分割獲得的火點提取結(jié)果進行對比，如圖5和圖6所示。從兩個區(qū)域的信息表，表3和表4可以看出對于較小的火區(qū)，各檢測結(jié)果均接近真實值，在大興安嶺火區(qū)較大的地方，單時相的檢測方法錯分多，雙時相插值得到的結(jié)果均一定程度減少了錯分像元，其中普通克里金插值擬合得到的火點識別結(jié)果更與真實值接近。需要注意的是，受煙霧的影響，在高分四號的多光譜影像中，目視解譯的火點信息較難提取，因為順風(fēng)向的火點極容易被煙霧掩蓋。

圖5 大興安嶺新巴爾虎左旗2019-04-21森林火災(zāi)火點檢測圖

圖6 山西沁源2019-03-31森林火災(zāi)火點檢測圖

表3 GF-4/PMI大興安嶺新巴爾虎左旗雙時相不同插值方法及單時相火點檢測信息表

表4 GF-4/PMI山西省沁源縣雙時相不同插值方法及單時相火點檢測信息表

通過對比不同方法得到的火點檢測結(jié)果和真實值結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)基于中紅外信息的火點提取方法在結(jié)果方面具有一致性，其有相同的輪廓，且在火線附近的火點會出現(xiàn)不同程度的錯檢。從表5的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，單期影像的自適應(yīng)閾值方法的錯檢率在兩個區(qū)域的錯檢率分別為18%和13%，內(nèi)蒙古呼倫貝爾市新巴爾虎左旗的火災(zāi)受檢像元多，錯檢率也略高于山西沁源的火災(zāi)。分析其錯檢原因，主要是在林火蔓延的過程中由于地面覆蓋物的遮擋，傳感器入瞳處接收到的信息大部分是樹冠的輻射信息，而這種信息正是火點識別的關(guān)鍵，通常對于樹冠火來說，地形、溫度、風(fēng)向等外在因素也會影響火的蔓延趨勢并對環(huán)境產(chǎn)生影響。此外，由于植被遮擋以及火焰尺度等因素，最終觀測到的火點與遙感圖像中對應(yīng)的實際位置有偏差。本研究提出的亮溫差校正的算法，錯檢率相較于前一算法均有明顯的降低，并且檢查像素數(shù)量越多，錯檢率越低。漏檢一方面是由于在自適應(yīng)窗口下，對于較大的火災(zāi)中心點，用于計算的可用像元由于附近的像素受火場蔓延的輻射影響亮溫普遍升高，因此背景場亮溫偏高。另一方面由于云和水由固定閾值確定，云像元是造成火點像元遺漏的重要原因，并且對于一些燜燒的低溫點也可能存在漏檢的情況。

表5 著火點不同方法檢測結(jié)果精度驗證表

5 結(jié) 論

高分四號衛(wèi)星是我國第一顆地球同步軌道分辨率最高的對地觀測衛(wèi)星，以其高頻次的拍攝特點和靈活機動模式，為防災(zāi)減災(zāi)提供強有力的信息保障。

在已有單波段火點檢測的基礎(chǔ)上，結(jié)合災(zāi)前數(shù)據(jù)，構(gòu)建亮溫差校正的火點檢測方法，并與單時相的火點檢測方法進行對比。相比而言，本文所提出的方法考慮了相鄰兩時相之間的相關(guān)關(guān)系，并且采用地統(tǒng)計學(xué)的插值方法降低空間異質(zhì)性對于背景亮溫估算的影響，從而得到較為準確的背景亮溫，最后通過空間上下文的整和，將前期的準確信息反饋至當(dāng)前像元。

整體而言，相較于部分多時相火點提取的方法需要大量訓(xùn)練樣本來說，本文所提出的方法不受災(zāi)前影像選取時間的約束，具有較強的穩(wěn)定性。兩個實驗區(qū)研究結(jié)果表明，研究提出的算法相較于單波段的上下文算法能顯著降低火線周圍的錯檢率，且綜合分類評價指數(shù)在0.9以上，驗證了本文所提出的方法能夠正確檢測到火災(zāi)，且可靠性較高。但是，由于高分四號影像缺少熱紅外(11 μm)波段，使得單波段火點探測受到一定的限制。在今后的研究中，需要進一步提高檢測精度，并且檢驗該方法在其他衛(wèi)星及地區(qū)的適用性從而為災(zāi)中迅速決策以及災(zāi)后的評估和植被恢復(fù)提供有效信息。