浙江省基于靜止氣象衛(wèi)星的衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建思路

李少虹，潘穎瑛，趙晨晨，梁君瑛，王寧杭，張 耿

(浙江省航空護(hù)林管理站，浙江 杭州 310020)

森林火災(zāi)是減少森林資源、破壞生態(tài)系統(tǒng)的主要因素之一，破壞性大、突發(fā)性強(qiáng)、災(zāi)后修復(fù)周期漫長，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為世界八大自然災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計，1950-2010年間，我國累計發(fā)生森林火災(zāi)760961起，受害森林面積高達(dá)174.99萬hm2，年均分別高達(dá)12683起、7.95萬hm2[1]。浙江省森林火災(zāi)也頻繁發(fā)生，僅1996-2019年這24年間就累計發(fā)生8808起，受害森林面積達(dá)58818.30hm2，年均分別為367起、2450hm2。林火監(jiān)測是森林防火工作中重要環(huán)節(jié)之一，是實(shí)現(xiàn)“打早、打小、打了”目標(biāo)的重要基礎(chǔ)，目前有地面巡護(hù)、瞭望監(jiān)測、飛機(jī)巡護(hù)、衛(wèi)星監(jiān)測、視頻監(jiān)控等手段。其中衛(wèi)星監(jiān)測具有覆蓋面積大、獲取數(shù)據(jù)便捷、監(jiān)測成本低、受人為因素影響小等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為森林防火工作的“千里眼”，特別是新一代靜止氣象衛(wèi)星陸續(xù)發(fā)射上天，其應(yīng)用是未來發(fā)展的一個重點(diǎn)方向。為提高浙江省森林火災(zāi)監(jiān)測能力，本文從氣象衛(wèi)星發(fā)展和森林火災(zāi)發(fā)生情況出發(fā)，提出了基于靜止氣象衛(wèi)星的衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建思路。

1 衛(wèi)星林火監(jiān)測原理與發(fā)展應(yīng)用

1.1 衛(wèi)星林火監(jiān)測原理

高于絕對溫度的物體都在不斷向外輻射電磁波，溫度升高會導(dǎo)致熱輻射增強(qiáng)[2]，衛(wèi)星林火監(jiān)測正是利用這一原理，根據(jù)不同物體熱輻射的差異性來判定火點(diǎn)。衛(wèi)星所攜帶的探測器可以對不同波段的電磁波進(jìn)行分辨，根據(jù)衛(wèi)星接收到的不同波長的輻射，即可推算物體溫度。輻射波長包括可見光波段、紅外波段和微波波段，根據(jù)維恩位移定律，常溫地表輻射峰值波長在11μm左右，而物質(zhì)著火時溫度可達(dá)750K以上，輻射峰值波長位于4μm左右的紅外通道上[3]。以AVHRR為例，AVHRR第3通道是波長為3.55～3.93μm的熱紅外線，對林火極為敏感，林火溫度的輻射波長正好對應(yīng)衛(wèi)星探測器的紅外通道，可明顯顯示為亮紅色熱點(diǎn)，與背景色進(jìn)行清晰的區(qū)分[4,5]。而對火點(diǎn)進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的定位則需將探測器獲得的信息與地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)相結(jié)合。運(yùn)用GIS系統(tǒng)的地理信息數(shù)據(jù)庫將森林、水系、道路、森林分布等結(jié)合到三維地理坐標(biāo)中去，經(jīng)過分析、計算后得出森林火災(zāi)的準(zhǔn)確定位[5]，便于快速核查熱點(diǎn)的具體情況。

1.2 衛(wèi)星林火監(jiān)測應(yīng)用與發(fā)展

衛(wèi)星監(jiān)測在森林火災(zāi)防控方面具有很多作用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)及早發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，也能通過連續(xù)跟蹤監(jiān)測掌握森林火災(zāi)的發(fā)展蔓延態(tài)勢并進(jìn)行火場面積和損失情況估算。國際上美國、俄羅斯、日本、加拿大等發(fā)達(dá)國家都相繼開展了氣象衛(wèi)星林火監(jiān)測業(yè)務(wù)，目前已組成了全球氣象衛(wèi)星觀測網(wǎng)。1987年“5.6”大火時，我國就開始嘗試使用氣象衛(wèi)星監(jiān)測森林火災(zāi)；1993年由黑龍江政府、原國家計委和林業(yè)部組織實(shí)施了《提高氣象衛(wèi)星探測森林火災(zāi)精度和軟件包的研制》，建立了衛(wèi)星林火監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)；1995年原林業(yè)部建立了“全國衛(wèi)星林火監(jiān)測信息網(wǎng)”并先后設(shè)立4個衛(wèi)星林火監(jiān)測單位，對全國森林火災(zāi)實(shí)施全面宏觀監(jiān)測，并對重大森林火災(zāi)實(shí)施連續(xù)跟蹤監(jiān)測。經(jīng)過30多年來的發(fā)展，已經(jīng)在全國范圍內(nèi)形成規(guī)?；瘶I(yè)務(wù)，對森林火災(zāi)監(jiān)測和有效控制起到了重要的作用。

根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行軌道差異，氣象衛(wèi)星可分為太陽同步軌道氣象衛(wèi)星和地球同步軌道氣象衛(wèi)星兩大類，即極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星。極軌氣象衛(wèi)星是一種軌道與太陽同步、通過地球南北極的衛(wèi)星，一晝夜可經(jīng)過同一地點(diǎn)上空2次，軌道高度約為800km，其搭載的探測器具有較高的空間分辨能力和高溫敏感通道，具備較高的火點(diǎn)判別能力和定位精度，已廣泛應(yīng)用于林火監(jiān)測。目前我國主要應(yīng)用的仍是極軌氣象衛(wèi)星，主要有AVHRR/NOAA、MODIS/EOS、VIRR/FY-3和VIIRS/NPP等。其中FY-3號氣象衛(wèi)星是我國自主研制并達(dá)到國際先進(jìn)水平的新一代極軌氣象衛(wèi)星，其搭載的可見光紅外掃描輻射計(VIRR)特設(shè)了T3(3.55～3.93μm)，結(jié)合T1～T4可見光波段，能夠較好地用來監(jiān)測森林火災(zāi)。經(jīng)過多年的發(fā)展，極軌氣象衛(wèi)星林火監(jiān)測已成為各省尤其是國家宏觀層面監(jiān)測森林火災(zāi)動態(tài)最有效的技術(shù)手段之一。2001年以來，國家防火辦通過衛(wèi)星監(jiān)測到熱點(diǎn)149271個，核查反饋為森林火災(zāi)的有16444起，年均843起(統(tǒng)計顯示年均6645起)，成效顯著。

靜止氣象衛(wèi)星運(yùn)行軌道距離地球約36000km，地星距離是極軌氣象衛(wèi)星的4倍多。早先由于地星距離和探測器分辨率的限制，靜止氣象衛(wèi)星無法用于林火監(jiān)測，近來隨著科技進(jìn)步，衛(wèi)星軟硬件飛速發(fā)展，氣象衛(wèi)星資料的應(yīng)用技術(shù)有了長足進(jìn)步。如2014年10月發(fā)射的日本Himawari-8靜止氣象衛(wèi)星，搭載AHI成像儀，能夠在10min內(nèi)完成全盤掃描，擁有16個通道，涵蓋0.46～13.3μm波段，空間分辨率最高可達(dá)0.5km[3]。中國氣象局國家氣象衛(wèi)星中心可以實(shí)時接收Himawari-8全部通道原始分辨率的數(shù)據(jù)，相關(guān)科研人員利用這些數(shù)據(jù)對東北興安嶺林區(qū)、甘肅省迭部縣達(dá)拉林場以及廣東省等多地發(fā)生的森林火災(zāi)進(jìn)行了研究和對比分析，提供了相關(guān)應(yīng)用實(shí)例[6～8]。而我國的FY-4是新一代靜止氣象衛(wèi)星，于2016年12月發(fā)射成功，其擁有的微波大氣探測技術(shù)為世界首創(chuàng)。FY-4上搭載的AGRI成像儀特性與AHI相似，能夠在15min內(nèi)完成全盤掃描，擁有涵蓋0.45～13.8μm的14個通道，空間分辨率有0.5km、1km、2km、4km等4種[3]，對比我國第一代靜止氣象衛(wèi)星FY-2C(每小時觀測1次、空間分辨率為5km)，性能有了相當(dāng)高的提升。目前AGRI/FY-4應(yīng)用于林火監(jiān)測還在研究中，部分科研單位已開發(fā)出相應(yīng)算法，正在進(jìn)行檢驗(yàn)并不斷優(yōu)化。

1.3 靜止氣象衛(wèi)星的優(yōu)勢

與FY-2等上一代靜止氣象衛(wèi)星相比較，以Himawari-8、FY-4等為代表的新一代靜止氣象衛(wèi)星的時空分辨率和通道數(shù)成倍增長；而與極軌氣象衛(wèi)星相比，除了空間分辨率相對較低以外，新一代靜止氣象衛(wèi)星在時間分辨率、連續(xù)觀測能力、覆蓋范圍等方面均有優(yōu)勢，能夠彌補(bǔ)極軌氣象衛(wèi)星監(jiān)測存在空白時段這一不足(詳見表1)。通過新一代靜止氣象衛(wèi)星的應(yīng)用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)及早發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，達(dá)到全覆蓋、高頻次的要求，還能夠?qū)ι只馂?zāi)的發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行連續(xù)跟蹤，獲取火情發(fā)展的動態(tài)變化數(shù)據(jù)，為森林火災(zāi)的科學(xué)撲救提供決策依據(jù)。

2 系統(tǒng)構(gòu)建思路

從浙江省1996-2015年森林火災(zāi)情況來看，一天中森林火災(zāi)的發(fā)生高峰期在10至16時(占86.76%)，16時后次數(shù)明顯下降，但極軌氣象衛(wèi)星在我省上空過境時間主要集中在6至9時和16至20時，中間時段少有觀測數(shù)據(jù)，等到衛(wèi)星監(jiān)測到熱點(diǎn)并推送報警時往往火勢較大或當(dāng)?shù)匾呀拥饺罕妶缶趽渚?，不利于?shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的“打早、打小、打了”。2001年以來，浙江省通過國家防火辦衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到熱點(diǎn)2556個，核查反饋為森林火災(zāi)的有933起，年均約49起(統(tǒng)計顯示年均335起)。浙江省在國家防火辦衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上運(yùn)用靜止氣象衛(wèi)星開展林火監(jiān)測，能夠進(jìn)一步補(bǔ)充我省森林火災(zāi)監(jiān)測手段，為森林防火工作提供更加準(zhǔn)確、及時和穩(wěn)定的火情監(jiān)測信息，對提升森林火災(zāi)綜合防控能力具有重大意義。

2.1 已具備的基礎(chǔ)條件

1)衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源日益豐富。我國和世界各國為應(yīng)對氣象和其他自然災(zāi)害的監(jiān)測評估，發(fā)射了大量的遙感衛(wèi)星，包括FY-3系列、NOAA系列、EOS系列等極軌氣象衛(wèi)星和FY-4、Himawari-8、千里眼2號等靜止氣象衛(wèi)星，能很好地覆蓋我國中東部地區(qū)，可初步滿足氣象和自然災(zāi)害監(jiān)測、評估的應(yīng)用需求。目前國內(nèi)氣象部門已運(yùn)用靜止氣象衛(wèi)星開展強(qiáng)對流天氣、臺風(fēng)、霧霾等天氣過程的監(jiān)測業(yè)務(wù)，省內(nèi)氣象部門也已開展海上大霧、積雪等的監(jiān)測，取得了一定的成效[9～12]。

2)衛(wèi)星林火監(jiān)測技術(shù)日趨成熟。衛(wèi)星遙感特別是極軌氣象衛(wèi)星林火監(jiān)測技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展已日趨成熟，其火點(diǎn)識別算法模型、火點(diǎn)定位精度、監(jiān)測報告準(zhǔn)確度、監(jiān)測報告時效都有了大幅度提高。靜止氣象衛(wèi)星熱點(diǎn)判識算法和定位精度能夠在極軌氣象衛(wèi)星林火監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行研究和優(yōu)化，并與其開展對比驗(yàn)證，進(jìn)一步提高熱點(diǎn)判識精度，提高林火監(jiān)測能力。

3)現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展提供有力支撐。靜止氣象衛(wèi)星觀測間隔短，數(shù)據(jù)量大，呈現(xiàn)出明顯的“大數(shù)據(jù)”特征，加上遙感數(shù)據(jù)的直接可讀性較差，往往依賴專業(yè)人員進(jìn)行轉(zhuǎn)化，效率相對較低，一定程度上制約著應(yīng)用和推廣。但是近年來大數(shù)據(jù)、云處理、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，能夠高效率、低成本地處理原始數(shù)據(jù)，從而快速進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取傳輸、通道提取、耀斑濾除、熱點(diǎn)判識等流程，并不斷優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定、精確的林火監(jiān)測。

4)優(yōu)良經(jīng)濟(jì)條件提供有力保障。浙江省是中國經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)、最活躍的省(市、區(qū))之一，地區(qū)生產(chǎn)總值和財政總收入均居全國前列，2019年全省生產(chǎn)總值(GDP)62352億元，財政總收入12268億元，一般公共預(yù)算支出10053億元[13]。浙江省經(jīng)濟(jì)條件相對優(yōu)越，完全具備系統(tǒng)建設(shè)所需經(jīng)濟(jì)條件，對其后期運(yùn)行維護(hù)也有足夠的資金保障。

2.2 建設(shè)內(nèi)容

系統(tǒng)將開發(fā)建設(shè)靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收模塊、林火監(jiān)測業(yè)務(wù)處理模塊及數(shù)據(jù)成果顯示發(fā)布共享模塊，同步應(yīng)用FY-4、Himawari-8等多源衛(wèi)星實(shí)時數(shù)據(jù)資料，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理、林火監(jiān)測分析、衛(wèi)星資料及產(chǎn)品顯示等三大功能，以提升衛(wèi)星林火監(jiān)測水平。根據(jù)相關(guān)要求，系統(tǒng)將建設(shè)在政務(wù)云平臺上運(yùn)行。具體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

2.3 運(yùn)行流程

浙江省衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)首先接收FY-4等靜止氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，后續(xù)對其進(jìn)行數(shù)據(jù)通道提取、區(qū)域投影、定位校準(zhǔn)、火點(diǎn)自動判識、人機(jī)交互調(diào)整、常規(guī)熱源剔除、圖像保存輸出等流程，最終發(fā)布疑似火點(diǎn)及其監(jiān)測圖像，并同步推送至浙江省自然災(zāi)害防控平臺、短信、釘釘?shù)冗M(jìn)行實(shí)時報警，由疑似火點(diǎn)所在地進(jìn)行核查反饋。其中火點(diǎn)判識算法將在已有算法基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)本地化改進(jìn)，建立更適合浙江區(qū)域的靜止氣象衛(wèi)星林火監(jiān)測算法。

2.4 建設(shè)目標(biāo)

通過建立該系統(tǒng)，提供全天候、高頻次(10～60min間隔)、全覆蓋的衛(wèi)星林火監(jiān)測服務(wù)，實(shí)現(xiàn)及早發(fā)現(xiàn)200m2的初發(fā)火情，且報警準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上、定位精度達(dá)到1km；在發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)后立即通過聲光等方式報警，并同步推送至浙江省自然災(zāi)害防控平臺和指定釘釘、短信；支持熱點(diǎn)信息在線查詢、動態(tài)顯示、多次反饋、分析導(dǎo)出等功能，顯著提高我省森林火災(zāi)監(jiān)測能力和技防能力。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，靜止氣象衛(wèi)星林火監(jiān)測具有時間分辨率高、連續(xù)觀測能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，便于森林火災(zāi)早期發(fā)現(xiàn)、早期處置、科學(xué)撲救。系統(tǒng)建成后，將同地面巡護(hù)、視頻監(jiān)控、航空護(hù)林等形成“四位一體”的立體林火監(jiān)測體系，切實(shí)提升浙江省森林火災(zāi)實(shí)時監(jiān)測能力，有效預(yù)防發(fā)生重特大森林火災(zāi)，有利于保障森林資源和國土生態(tài)安全，助力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)以及“美麗浙江”、“森林浙江”和“平安浙江”的順利實(shí)施。