環(huán)境減災(zāi)二號衛(wèi)星林草火災(zāi)信息監(jiān)測應(yīng)用

文|覃先林 胡心雨 楊馨媛 劉倩

中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所/國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、前言

森林草原火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置和撲救較為困難等特點(diǎn)，各國紛紛投入大量人力、物力以加強(qiáng)森林草原防火管理和預(yù)防撲救技術(shù)研究，并已取得了較多成果。隨著全球氣候變暖和極端天氣事件增加，近年來，國內(nèi)外森林草原大火頻發(fā)，造成大量的森林草原資源和財(cái)產(chǎn)損失，有時還釀成慘重的人身傷亡事件，如我國四川省涼山州2019年和2020年發(fā)生的森林火災(zāi)均造成了多人遇難。減少森林草原火災(zāi)發(fā)生次數(shù)、降低火災(zāi)造成的損失，是我國森林草原防火業(yè)務(wù)面臨的一項(xiàng)十分重要的工作任務(wù)。我國從“十一五”末期開始實(shí)施“高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項(xiàng)”（簡稱高分專項(xiàng)），以滿足國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展和國家安全的需要。在2013年到2019年期間，成功發(fā)射了7顆民用高分衛(wèi)星，并應(yīng)用于全國及周邊區(qū)域的森林草原火情監(jiān)測、損失評估中，已成為我國森林草原防火管理的一種重要監(jiān)測技術(shù)手段。

2020年9月27日，環(huán)境減災(zāi)二號A、B（HJ-2A/B）衛(wèi)星成功發(fā)射，衛(wèi)星均配置了16m相機(jī)、高光譜成像儀、紅外相機(jī)和大氣校正儀等4種載荷，可提供16m多光譜（CCD）、48m高光譜（HSI）和48/96m紅外圖像（IRS）數(shù)據(jù)。HJ-2A/B衛(wèi)星用于接替在軌超期運(yùn)行的環(huán)境減災(zāi)一號A、B（HJ-1A/B）衛(wèi)星，以防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)為主要業(yè)務(wù)，可為自然災(zāi)害要素監(jiān)測、土地利用宏觀監(jiān)測、水資源監(jiān)管與保護(hù)、農(nóng)作物面積動態(tài)監(jiān)測與產(chǎn)量評估、地震應(yīng)急救援等提供支撐。為探究該衛(wèi)星數(shù)據(jù)在林業(yè)和草原行業(yè)的應(yīng)用潛力，中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所參與了該衛(wèi)星的在軌測試工作，結(jié)合我國林業(yè)和草原行業(yè)衛(wèi)星遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，分別從森林資源、濕地、荒漠化和森林草原火災(zāi)等監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域開展了測試。本文介紹了利用HJ-2A/B衛(wèi)星在軌測試階段獲取到的16m CCD 數(shù)據(jù)和48/96m的IRS數(shù)據(jù)，對其在森林草原火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用能力進(jìn)行測試評價。

二、測試數(shù)據(jù)與方法

1.測試數(shù)據(jù)

為降低森林草原火災(zāi)發(fā)生，四川省涼山彝族自治州于2020年12月在所轄林區(qū)內(nèi)實(shí)施了計(jì)劃燒除活動，林內(nèi)可燃物燃燒釋放出大量的煙，并形成了火燒跡地。本文選取了2020年12月覆蓋該區(qū)域的HJ-2A/B衛(wèi)星16m CCD數(shù)據(jù)，通過CCD影像中的煙區(qū)分布特征和植被燃燒后特征，對該影像中的燃燒點(diǎn)和火燒跡地進(jìn)行判識；利用覆蓋云南省華坪縣2021年2月2日發(fā)生森林火災(zāi)的HJ-2A/B衛(wèi)星的48/96m IRS數(shù)據(jù)獲取影像中的燃燒點(diǎn)，從而對HJ-2A/B衛(wèi)星這兩種傳感器在森林草原火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用能力進(jìn)行測試評價。所選取的HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)見表1。

表1 測試評價所選用的HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)

在分析中，為對比HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)林火災(zāi)情信息提取的能力，還選取了2020年4月16日的高分六號（GF-6）衛(wèi)星2/8m多光譜高分辨率相機(jī)（PMS）影像，及其獲取的火燒跡地邊界數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)，因該數(shù)據(jù)可清晰顯示出2020年3月30日發(fā)生在四川省涼山彝族自治州西昌市內(nèi)森林火災(zāi)形成的火燒跡地。

2.測評方法

在對選取的HJ-2A/B衛(wèi)星16m CCD數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正、計(jì)算大氣上界反射率等處理后，通過多通道合成增強(qiáng)處理，并根據(jù)多光譜影像中煙區(qū)的分布和植被燃燒后形成的影像特征，采用目視解譯方法，判斷解譯得出CCD影像中正在燃燒的區(qū)域和火燒跡地；并根據(jù)收集的森林草原火災(zāi)信息，以及與GF-6 衛(wèi)星PMS的2/8m數(shù)據(jù)解譯得到的火燒跡地結(jié)果進(jìn)行對比，評價利用HJ-2A/B衛(wèi)星多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行林草火情信息提取的應(yīng)用能力。

在對選取的HJ-2A/B衛(wèi)星IRS影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正、計(jì)算大氣上界反射率和亮溫值等處理后，采用閾值方法自動判識出影像中的燃燒點(diǎn)，并與其影像疊合來評價該數(shù)據(jù)識別森林草原火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用能力。

三、結(jié)果與分析

1.HJ-2A/B衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)林草火情信息監(jiān)測

利用經(jīng)預(yù)處理后的2020年12月25日的HJ-2B衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)和2020年12月27日的HJ-2A衛(wèi)星多光譜影像數(shù)據(jù)，通過利用其不同波段組合并增強(qiáng)處理后，采用目視解譯方法，結(jié)合影像中煙區(qū)分布和植被燃燒后形成的特征，判讀解譯出火燒跡地的邊界范圍及林內(nèi)可燃物的燃燒點(diǎn)位置，所得結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 HJ-2B CCD數(shù)據(jù)燃燒點(diǎn)和火燒跡地解譯結(jié)果

圖2 HJ-2A CCD數(shù)據(jù)燃燒點(diǎn)解譯結(jié)果

從圖1中可以看出：利用HJ-2B衛(wèi)星多光譜影像的波段5、4、1進(jìn)行R、G、B組合，并采用線性增強(qiáng)處理后，不僅可以較好地顯示出林內(nèi)植被的分布，還能夠根據(jù)組合后的影像，判讀解譯出影像中的燃燒點(diǎn)和火燒跡地。

從圖2中可以看出：利用HJ-2A衛(wèi)星多光譜影像的波段3、2、1進(jìn)行R、G、B組合，并采用線性增強(qiáng)處理后，影像中的煙區(qū)分布非常明顯，通過煙區(qū)的空間分布，不僅可以目視判讀出正在燃燒的區(qū)域，而且還可以結(jié)合周圍植被分布狀況，判斷出火勢將會蔓延的方向，這樣有利于對火場的防控部署；并且還可以根據(jù)解譯判讀燃燒點(diǎn)結(jié)果，得出該區(qū)域燃燒點(diǎn)的位置和數(shù)量。

2.HJ-2A衛(wèi)星IRS燃燒點(diǎn)識別應(yīng)用

利用2021年2月2日的HJ-2A衛(wèi)星IRS數(shù)據(jù)，采用2021年4月1日中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的定標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正、計(jì)算大氣上界反射率和亮溫等處理后，通過目視選取HJ-2A衛(wèi)星IRS影像中的著火點(diǎn)和非著火點(diǎn)樣本，并對選取的樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)位置在中心波長約4.0μm波段的亮溫值比中心波長11.0μm波段的亮溫均值超過20K，表明HJ-2A衛(wèi)星IRS影像可較好地反映異常高溫信息，有利于進(jìn)行林內(nèi)可燃物燃燒形成的燃燒點(diǎn)識別和火情監(jiān)測。

采用閾值方法，對IRS影像中的高溫目標(biāo)進(jìn)行識別，并將其與IRS合成影像疊加制圖，結(jié)果如圖3（a）所示。

圖3 HJ-2A衛(wèi)星IRS影像火情檢測結(jié)果

從圖3（a）可以看出，利用IRS的熱紅外數(shù)據(jù)判識出的燃燒點(diǎn)與影像中的位置和數(shù)量均較一致，表明該衛(wèi)星數(shù)據(jù)可有效識別出森林火災(zāi)發(fā)生中的燃燒點(diǎn)信息；同時，利用該衛(wèi)星的1.64μm、0.82μm和0.67μm波段進(jìn)行假彩色增強(qiáng)處理后，如圖3（b）所示，可以看出剛被火燒的區(qū)域呈現(xiàn)出褐色影像色調(diào)，與周圍的裸土區(qū)別比較明顯，從而有利于對森林火災(zāi)形成的火燒跡地區(qū)域的提取與災(zāi)后損失的評估應(yīng)用。

3.火災(zāi)后植被恢復(fù)狀況監(jiān)測應(yīng)用

利用2020年4月16日的GF-6衛(wèi)星PMS影像，獲取四川涼山州西昌市“3.30”森林火災(zāi)形成的火燒跡地邊界，與用2020年12月25日的HJ-2A衛(wèi)星CCD多光譜影像數(shù)據(jù)對該森林火災(zāi)發(fā)生后的植被恢復(fù)監(jiān)測狀況進(jìn)行比對，結(jié)果如圖4所示。

圖4 HJ-2A衛(wèi)星CCD多光譜數(shù)據(jù)西昌市森林火災(zāi)后植被恢復(fù)狀況監(jiān)測結(jié)果

從圖4（a）中可以發(fā)現(xiàn)，在HJ-2A衛(wèi)星多光譜合成影像上，已基本看不到該區(qū)域在2020年3月30日發(fā)生森林火災(zāi)后形成的火燒跡地，該區(qū)域裸露地表極少；但從圖4（b）中的歸一化植被指數(shù)（NDVI）分級來看，該區(qū)域中大部分區(qū)域的NDVI值都在0.4以下，說明該區(qū)域雖然被植被覆蓋，但其長勢并不太好。當(dāng)?shù)卣疄榉乐顾亮魇У却紊鸀?zāi)害發(fā)生，在火災(zāi)發(fā)生后便開展了對該火燒跡地災(zāi)后恢復(fù)治理工作，包括撒播了大量的草籽，表現(xiàn)在影像上，該區(qū)域基本已被綠色的植被覆蓋。

四、結(jié)論

測試工作表明，HJ-2A/B衛(wèi)星CCD數(shù)據(jù)和IRS數(shù)據(jù)在林內(nèi)可燃物燃燒形成的煙、燃燒點(diǎn)和火燒跡地的識別能力上均表現(xiàn)較好，尤其是16m的CCD影像，可較好地反映林內(nèi)可燃物燃燒形成的煙區(qū)和火燒跡地等信息，利用煙區(qū)信息可判識出正在著火的區(qū)域，從而用于森林草原火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)警；同時，其空間分辨率和輻射分辨率可滿足森林火災(zāi)災(zāi)情信息評價中對HJ-2A/B衛(wèi)星CCD和IRS數(shù)據(jù)質(zhì)量的需求，且有利于為森林火災(zāi)災(zāi)后恢復(fù)評價等工作提供更精細(xì)的數(shù)據(jù)資料。

由于獲取到的可用HJ-2A/B衛(wèi)星CCD和IRS數(shù)據(jù)的限制（尤其是僅有1景紅外數(shù)據(jù)上有燃燒信息），本次僅對四川省涼山彝族自治州和云南省華坪縣的煙、燃燒點(diǎn)和火燒跡地進(jìn)行了測試。對于HJ-2A/B衛(wèi)星數(shù)據(jù)是否能完全滿足森林火災(zāi)災(zāi)后定量評價業(yè)務(wù)的需求，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。隨著HJ-2A/B衛(wèi)星投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，將為我國及周邊區(qū)域的森林草原火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測工作提供大量的觀測數(shù)據(jù)，并發(fā)揮重要支撐作用。

致謝：感謝中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心為本研究提供了環(huán)境減災(zāi)二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)。