簡析衛(wèi)星遙感信息技術在東北林區(qū)森林防滅火工作中的應用

李洪雙

東北林區(qū)是我國最大的林區(qū)之一，包括黑、吉、遼及內(nèi)蒙古部分區(qū)域，主要分布在大興安嶺、小興安嶺、完達山、張廣才嶺和長白山一帶，全區(qū)共有森林面積6.8億畝，占全國森林總面積的37%，木材蓄積量達32億立方米，占全國木材總蓄積量的1/3。隨著我國造林綠化和退耕還林工程大面積的實施，使得森林覆蓋率大幅提升，加大了基層防火部門的工作任務。同時，受全球氣候變化異常和林區(qū)生產(chǎn)活動頻繁等因素的影響，森林火災時有發(fā)生，森林生態(tài)系統(tǒng)遭到不同程度的破壞，林區(qū)人民的生命安全受到一定影響。東北林區(qū)作為我國最大的天然林區(qū)，切實做好東北林區(qū)的森林防滅火工作對保護我國森林資源顯得尤為重要。為此，如何有效防范和化解森林火災，積極應用衛(wèi)星遙感信息高新技術為森林防滅火服務，從根本上把森林火災的損失減少到最低限度，已成為鞏固綠化成果，保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)林業(yè)跨越式發(fā)展和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

衛(wèi)星遙感技術是通過人造地球衛(wèi)星裝載的傳感器對地球表面的電磁波輻射信息進行探測，經(jīng)信息的傳輸、處理和分析，判識地球環(huán)境和資源的現(xiàn)代化高新技術。在森林環(huán)境監(jiān)測中，特別在森林資源調查、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測與評價、森林火災監(jiān)測與預警、森林病蟲害監(jiān)測等領域被廣泛應用，它具有的探測范圍廣、周期短、連續(xù)性強、成本低等優(yōu)點。目前，衛(wèi)星遙感技術已被廣泛地應用于我國的森林防滅火工作中，其應用技術亦日臻成熟，其重要作用愈來愈凸顯。

一、遙感衛(wèi)星監(jiān)測森林火災工作原理

遙感衛(wèi)星監(jiān)測森林火災是以衛(wèi)星作為空間平臺，通過傳感探測器發(fā)現(xiàn)森林火災并監(jiān)測其行為的航天遙感技術手段。由于具有一定溫度（高于絕對溫度）的物體會不斷產(chǎn)生紅外輻射能量這一特性，借助衛(wèi)星裝載的高分辨率輻射計通過大氣窗口從幾百公里高空對地球表面進行掃描，探測出地面物體發(fā)出的熱輻射能。

通常林火的輻射溫度在900 K左右，而其背景林地植被的地表溫度一般僅為300K左右，與林火溫度有較大的溫度反差。根據(jù)斯特藩一玻爾茲曼定律：黑體的輻射強度（E）與其絕對溫度（T）的關系，可以從物體的輻射強度反推出物體的溫度。根據(jù)維恩位移定律：可以計算出林火的輻射能峰值波長為3.6μm左右（為絕對溫度為T時黑體輻射能峰值的波長）。衛(wèi)星遙感器的中紅外通道可以探測到此光譜波長范圍，可有效地監(jiān)測林區(qū)的高溫熱點信息，實現(xiàn)遙感衛(wèi)星監(jiān)測森林火災。

二、應用于森林防火領域遙感衛(wèi)星概述

目前，應用于東北林區(qū)森林防火的在軌遙感衛(wèi)星主要有美國NOAA系列、EOS系列和我國FY-3系列衛(wèi)星。

（一）NOAA系列衛(wèi)星

NOAA系列衛(wèi)星是美國國家海洋大氣局的第三代實用氣象觀測衛(wèi)星，第一代稱為TIROS系列，第二代稱為ITOS系列，第三代稱為NOAA系列。目前，用于東北林區(qū)森林防滅火監(jiān)測的為NOAA系列衛(wèi)星（主要包括N OAA-18和NOAA-19），其軌道是接近正圓的太陽同步軌道，軌道高度為870Km和833Km，軌道傾角為98.9°和98.7°，周期為101.4Min，星下點分辨率為1.1Km。NOAA衛(wèi)星搭載的探測器主要有甚高分辨率輻射計（AVHRR）和泰羅斯垂直分布探測儀（TOVS），NOAA/AVHRR的第3通道對溫度反應較為敏感，適合林區(qū)森林火災的宏觀監(jiān)測和災后植被恢復情況的跟蹤監(jiān)測。由于1顆衛(wèi)星每日至少可以對地面同一地點進行2次觀測，所以利用NOAA系列衛(wèi)星（NOAA18和NOAA19）每日可以對東北林區(qū)同一區(qū)域進行4次林火監(jiān)測。

（二）EOS系列衛(wèi)星

EOS系列衛(wèi)星上裝載有先進的空間熱輻射反射輻射計（ASTER）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）、多角度成像光譜輻射計（MISR）、中分辨率成像光譜儀（MODIS）、對流層污染探測裝置（MOPITT）5種對地觀測儀器，其中MODIS分別搭載在Terra （EOS-AMl）和Aqua （EOS-PMl）兩顆太陽同步極軌衛(wèi)星上，MODIS數(shù)據(jù)具有多光譜分辨率（36個波段）、多空間分辨率（可見光具有250m、500m、1000m=種）、高時間分辨率（每日過頂2次）等特點，衛(wèi)星軌道高度為705km，掃描寬度為2330km。其中Terra由南向北降軌運行，當?shù)貢r間10：30通過赤道，Aqua由北向南升軌運行，當?shù)貢r間13：30通過赤道，這兩顆衛(wèi)星的軌道重復周期約為1.2天，MODIS數(shù)據(jù)在時間更新頻率上相配合，可以得到每日最少2次白天和2次黑夜的數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)更新頻率，對東北林區(qū)森林火災監(jiān)測和救災具有十分重要的實用價值。

（三）FY-3系列衛(wèi)星

FY-3系列衛(wèi)星是為滿足中國天氣預報、氣候預測和環(huán)境監(jiān)測等方面的迫切需求建設的第二代極軌氣象衛(wèi)星，其目標是獲取地球大氣環(huán)境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料。衛(wèi)星搭載的可見光紅外掃描輻射計（VIRR）共有10個光譜通道，其中既有高靈敏度的可見光通道，又有3個紅外大氣窗區(qū)通道，星下點分辨率為1.1Km。從2008年5月27日FY-3A發(fā)射以來FY-3系列衛(wèi)星已成功發(fā)射5顆衛(wèi)星（FY-3A. FY-3B、FY-3C、FY-3D、FY-3E）。FY-3NIRR主要用途是監(jiān)測全球云量，判識云的高度、類型和相態(tài)，探測海洋表面溫度，監(jiān)測植被生長狀況和類型，廣泛應用于天氣預報、災害監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等重要領域，可探測地物溫度異常，適用于對森林火災等災害的監(jiān)測及評估等。目前，用于東北林區(qū)森林防火監(jiān)測的FY-3系列在軌衛(wèi)星為FY-3C，它接替FY-3A作為監(jiān)測林區(qū)森林火災的主要星源，在東北林區(qū)森林火災監(jiān)測預警中發(fā)揮著重要作用。

三、衛(wèi)星遙感信息技術在森林防火應用中存在的不足

衛(wèi)星遙感信息技術為東北林區(qū)森林火災的預防和撲救提供了重要的科技手段。隨著近年來衛(wèi)星遙感信息技術的迅速發(fā)展和配套設備及軟件水平的升級，其精度和效率已有了較大進步。但是，衛(wèi)星遙感信息技術在森林防滅火領域的應用還存在一些問題和不足。

（一）林火高發(fā)時段星源偏少且過境時間不均衡

根據(jù)森林火災發(fā)生規(guī)律，林火大概率發(fā)生在中午時段。如果林火初發(fā)階段不及時被發(fā)現(xiàn)處置，極易釀成較大森林火災，進而造成國家森林資源的破壞。目前，用于東北林區(qū)森林火災在軌運行的NOAA系列、EOS系列和FY-3系列極軌衛(wèi)星過境時間主要集中在當?shù)貢r間7時至11和13時至16時。雖然衛(wèi)星每日可對同一區(qū)域覆蓋2次，但是在下午林火高發(fā)時段過境東北林區(qū)的衛(wèi)星短缺且監(jiān)測時間分布不均衡，不能滿足東北林區(qū)森林防滅火工作的需求。

（二）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受干擾因素較多

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受季節(jié)、大氣云層、軌道漂移等因素干擾使監(jiān)測結果存在偏差。地表植物隨季節(jié)的變化表現(xiàn)出不同的季相特征，對電磁波輻射的吸收和反射能力表現(xiàn)不同，導致同一地物因季節(jié)不同表現(xiàn)不同的衛(wèi)星遙感影像信息，由于大氣及地面對電磁波的散射、吸收和折射，使電磁波能力衰竭損耗影響了衛(wèi)星遙感圖像灰度值，同時，遙感氣象衛(wèi)星還不具備穿透較厚云層探測云下高溫熱輻射能力，衛(wèi)星監(jiān)測森林火災容易受到云霧的遮擋，隨著衛(wèi)星使用年限的增長、衛(wèi)星軌道的漂移及衛(wèi)星姿態(tài)等因素影響，可導致遙感衛(wèi)星監(jiān)測林火熱點位置、像素大小存在誤差。

（三）衛(wèi)星空間分辨率較低并產(chǎn)生混合像元現(xiàn)象

目前，應用于東北地區(qū)林火監(jiān)測的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要以NOANAVHRR、EOS/MODIS和FY-3NIRR等中低空間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為主，因空間分辨率低對監(jiān)測林區(qū)較小熱點靈敏度不高。同時，東北林區(qū)有許多農(nóng)林交錯地帶，存在農(nóng)林間種等現(xiàn)象，加之遙感衛(wèi)星分辨率較低導致衛(wèi)星圖像同一像元包含不同種地物，且地物間存在著不同比率的組合，造成在對一個像元進行分析時，不能通過遙感衛(wèi)星圖像準確判斷出林區(qū)熱點屬性，存在著熱點不確定性。