衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林草原防滅火災(zāi)中的應(yīng)用實踐

摘 要：隨著全球氣候變化加劇和人類活動的日益頻繁，森林草原火災(zāi)已成為影響生態(tài)環(huán)境安全、經(jīng)濟社會發(fā)展的重要災(zāi)害之一。傳統(tǒng)的森林草原火災(zāi)防控方法以地面巡邏和人工監(jiān)測為主，但存在響應(yīng)速度慢、覆蓋范圍有限等問題，需選擇有效的防控手段，及時發(fā)現(xiàn)并快速撲滅森林草原火災(zāi)。衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠提供實時的地表信息，及時發(fā)現(xiàn)火源并監(jiān)測火災(zāi)蔓延情況，對火災(zāi)對環(huán)境的影響展開有效分析，提升火災(zāi)預(yù)警和響應(yīng)的效率?；诖?，闡述了衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林草原防滅火災(zāi)中的價值，分析了森林草原防滅火災(zāi)中的衛(wèi)星遙感技術(shù)類型，并探討了衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林草原防滅火災(zāi)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星遙感技術(shù)；森林草原；防滅火災(zāi)

中圖分類號：762.3 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）09–0-03

衛(wèi)星遙感技術(shù)主要是利用搭載的傳感器對來自地球表面的電磁波信息進行接收與處理，針對大范圍的區(qū)域?qū)嵤崟r監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析，具有覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)獲取速度快、監(jiān)測精度高等優(yōu)勢。將其應(yīng)用于森林草原防滅火領(lǐng)域，可在預(yù)警、監(jiān)測、評估及災(zāi)后恢復(fù)重建等方面顯示出較高的應(yīng)用價值。開展森林草原防滅火工作時，衛(wèi)星遙感技術(shù)可在早期階段發(fā)現(xiàn)火源并對其進行精確定位，提供及時的火情信息，并做好迅速的應(yīng)急預(yù)案。同時，衛(wèi)星遙感技術(shù)可以將歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，建立火災(zāi)預(yù)警模型，預(yù)測火災(zāi)發(fā)生的可能性和趨勢，為防火工作提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林草原防滅火災(zāi)中的價值

1.1 火點監(jiān)測與預(yù)警

衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測廣大森林草原區(qū)域，有效提升監(jiān)測效率和準確性。一般來說，可通過衛(wèi)星搭載的傳感器捕捉到火焰的熱輻射等特征，進而迅速發(fā)現(xiàn)火點。同時，衛(wèi)星遙感可以為早期預(yù)警提供有力工具，在火災(zāi)擴散前提前介入監(jiān)測系統(tǒng)，利于及時組織救援力量，有效控制火勢蔓延情況[1]。

1.2 火情評估與決策

衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠有效獲取森林草原火災(zāi)的范圍、強度等參數(shù)信息，借助圖像處理和分析等手段，全面評估火災(zāi)具體情況，進而為防火指揮人員提供詳盡的數(shù)據(jù)支撐，為滅火決策的科學(xué)制定提供有效指導(dǎo)。同時，針對火災(zāi)歷史數(shù)據(jù)展開有效分析，能夠有效預(yù)測火勢的發(fā)展趨勢，針對性布置滅火力量，為火情處置準備工作做好準備。

1.3 生態(tài)保護與監(jiān)測

利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，可減少人為因素帶來的干擾，減少森林破壞和生態(tài)損失的現(xiàn)象，在保護生態(tài)環(huán)境、維護生態(tài)平衡方面具有重要作用。衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠長期監(jiān)測森林草原，包括對植被覆蓋度和健康狀況的監(jiān)測，利于及時發(fā)現(xiàn)潛在火災(zāi)隱患，為長期的防火策略制定提供有效的數(shù)據(jù)支持，并為生態(tài)修復(fù)工作提供一定指導(dǎo)[2]。

1.4 公眾教育與意識提升

衛(wèi)星遙感技術(shù)便于實時獲取大范圍區(qū)域的地表數(shù)據(jù)，通過傳感器捕捉火焰和煙霧的熱量信號，迅速發(fā)現(xiàn)火點。同時，也可對不同時間點的衛(wèi)星圖像進行對比，準確估算火災(zāi)蔓延范圍。還可結(jié)合天氣數(shù)據(jù)和地形信息，預(yù)測火災(zāi)的可能發(fā)展方向。上述數(shù)據(jù)都可用于火災(zāi)警示地圖的制作中，這不僅為應(yīng)急響應(yīng)部門的快速決策提供依據(jù)，而且增強了公眾的防火意識和應(yīng)對能力，在一定限度上減少或避免了火災(zāi)損失。

2 森林草原防滅火災(zāi)中的衛(wèi)星遙感技術(shù)類型

2.1 地球同步軌道衛(wèi)星

地球同步軌道衛(wèi)星（圖1）通常可以提供較高的時間分辨率，可以憑借分鐘級的觀測頻繁獲取相同區(qū)域的數(shù)據(jù)，快速監(jiān)測火災(zāi)的動態(tài)變化，并且實時跟蹤火點。例如，國內(nèi)常見的靜止軌道衛(wèi)星有風云二號、風云四號；日本的有“向日葵花8號”等，這些衛(wèi)星主要運行在距離地球36 000 km的地球同步衛(wèi)星軌道上，能夠持續(xù)監(jiān)測廣泛的區(qū)域，有助于及時發(fā)現(xiàn)大范圍內(nèi)的火災(zāi)情況和擴展情況。但靜止軌道衛(wèi)星的空間分辨率通常較低，無法對小規(guī)模的火點展開精確識別，容易在監(jiān)測小型火點或細節(jié)的地形變化上出現(xiàn)空間分辨率不足的問題。同時，此類衛(wèi)星處于靜止軌道，其觀測角度相對固定，容易出現(xiàn)地面目標的幾何定位精度較低的現(xiàn)象，從而精確定位森林火點的難度較大。為彌補靜止軌道衛(wèi)星的缺陷，通常會將其與極地軌道衛(wèi)星相結(jié)合，對森林火點進行更為精確的定位。也可將其與高分辨率成像衛(wèi)星相結(jié)合，對森林火點展開詳細評估與分析[3]?？傮w來說，靜止軌道衛(wèi)星可在森林火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)防中發(fā)揮出高頻次的觀測能力。

2.2 極地軌道衛(wèi)星

極地軌道衛(wèi)星能夠覆蓋全球的所有區(qū)域，適用于大范圍的森林火災(zāi)監(jiān)測和評估，可提供較高的空間分辨率和多光譜觀測，可詳細探測火點和火燒跡地。

極軌低空間分辨率光學(xué)衛(wèi)星能夠每日獲取對地觀測數(shù)據(jù)，并且借助多星組網(wǎng)的方式有效縮短數(shù)據(jù)獲取間隔。此類衛(wèi)星所搭載的傳感器包含可見光、近紅外、中紅外和熱紅外數(shù)據(jù)，為科研人員提供豐富的地表信息。其中，可見光、近紅外波段能夠有效識別煙霧、植被健康狀態(tài)，初步判斷火災(zāi)發(fā)生的位置和規(guī)模。中紅外、熱紅外波段能夠有效捕捉地表輻射溫度，可有效監(jiān)測火災(zāi)區(qū)域。作為一種迅速變化的現(xiàn)象，森林火災(zāi)需要高空間分辨率的數(shù)據(jù)提供更加細致和及時的信息。但極軌低空間分辨率光學(xué)衛(wèi)星容易受到空間分辨率的限制，其空間分辨率在250～1 000 m，無法有效捕捉森林火災(zāi)的具體細節(jié)，難以準確識別小型火災(zāi)或火災(zāi)初期階段的具體情況，容易影響火災(zāi)監(jiān)測的及時性和準確性[4]。雖然多星組網(wǎng)可以縮短數(shù)據(jù)獲取間隔，但數(shù)據(jù)更新的速度相比森林草原火災(zāi)的快速變化仍然有限，無法有效捕捉火災(zāi)發(fā)展的每個關(guān)鍵階段。為有效提升森林草原火災(zāi)的監(jiān)測能力，需與高空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)相結(jié)合，更精確地識別火災(zāi)的細節(jié)。同時，要與光學(xué)衛(wèi)星、雷達衛(wèi)星、無人機、地面觀測站等數(shù)據(jù)源相結(jié)合，借助數(shù)據(jù)融合技術(shù)全方位、立體監(jiān)測森林草原火災(zāi)，提升監(jiān)測準確性和時效性。此外，積極應(yīng)用人工智能與機器學(xué)習(xí)技術(shù)，做好衛(wèi)星數(shù)據(jù)的自動化處理，快速、準確地識別火災(zāi)區(qū)域，為應(yīng)急響應(yīng)提供有力支持。

極軌高空間分辨率光學(xué)衛(wèi)星能夠提供米級甚至更高精度的光學(xué)數(shù)據(jù)，讓火點信息的提取變得更加清晰、精細，從而更加準確地反映火災(zāi)的實際情況，為火災(zāi)的精細評估提供有力支持。此類衛(wèi)星可達到米級或十米級的空間分辨率，能夠有效捕捉火點的精確位置、火勢的蔓延方向及火災(zāi)對周圍植被的破壞程度等細節(jié)。同時，也可借助高分辨率數(shù)據(jù)實現(xiàn)火災(zāi)前后衛(wèi)星圖像的對比，讓火災(zāi)損失的評估變得更加精細和準確。但極軌高空間分辨率光學(xué)衛(wèi)星的觀測周期較長，其重訪周期可達到數(shù)天至數(shù)十天，需等待較長時間獲取新的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。并且此類衛(wèi)星的制造和運營成本相對較高，會限制其數(shù)量和觀測頻率。此外，高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)通常包含更多細節(jié)信息，其數(shù)據(jù)處理和分析的工作難度較大。為解決上述問題，需協(xié)調(diào)多顆高空間分辨率衛(wèi)星，通過不同衛(wèi)星的重訪時間互補獲取更多的觀測數(shù)據(jù)，縮短觀測周期。還要與不同來源的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，借助數(shù)據(jù)融合技術(shù)和火災(zāi)傳播模型，評估與預(yù)測火災(zāi)變化情況，彌補單一數(shù)據(jù)源的不足。在火災(zāi)發(fā)生時借助無人機或航空攝影進行高頻次的監(jiān)測，及時掌握火災(zāi)情況。

3 衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林草原防滅火災(zāi)中的應(yīng)用

3.1 全自動化數(shù)據(jù)處理

衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠利用不同波段的傳感器，通過掃描地球表面獲取影像數(shù)據(jù)，包括中紅外波段和遠紅外波段的輻射信息，以此實時監(jiān)測大范圍的森林和草原區(qū)域。衛(wèi)星遙感技術(shù)主要是通過地面站將掃描到的數(shù)據(jù)傳輸至地面，利用現(xiàn)代化計算機系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)處理效率。例如，云計算技術(shù)可借助云端分布式存儲和計算手段實現(xiàn)大量遙感數(shù)據(jù)的處理，讓不同的計算節(jié)點的數(shù)據(jù)得到并行處理，以此加快處理速度。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可通過火點識別、熱點分析等手段，從海量數(shù)據(jù)中快速提取有用的信息，實現(xiàn)海量遙感數(shù)據(jù)的高效處理。

同時，衛(wèi)星遙感技術(shù)可借助全自動化系統(tǒng)自動識別火點，并與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，通過精準定位和主動推送火情報警的方式，促進火情監(jiān)測的實時性和準確性提升，為滅火策略的合理制定提供有效幫助[5]。此外，衛(wèi)星遙感技術(shù)的全自動化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可對火點所在區(qū)域的植被類型、地形特征及其影響展開分析，一旦發(fā)現(xiàn)火點可立即推送報警信息給相關(guān)部門和人員，為滅火計劃的制訂、火災(zāi)風險的評估及恢復(fù)策略的制定提供重要便利。

3.2 全方位接入氣象信息

氣象信息能夠為森林草原防滅火災(zāi)工作提供輔助決策及數(shù)據(jù)參考，為火災(zāi)風險管理提供有效的支持，減少火災(zāi)事故的發(fā)生和影響。衛(wèi)星遙感技術(shù)可對地面的溫度變化展開實時監(jiān)測，借助紅外成像識別火點，了解火源的定位和火勢發(fā)展。同時，實時獲取氣溫、濕度、風速和降水量等氣象數(shù)據(jù)，可以與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，提供更準確的火災(zāi)風險評估。同時，可有效利用各類氣象數(shù)據(jù)，細致計算火險指數(shù)，有效預(yù)測火災(zāi)風險并發(fā)布相應(yīng)預(yù)警。結(jié)合火災(zāi)的動態(tài)情況和氣象變化數(shù)據(jù)，部署和調(diào)度滅活資源，并借助衛(wèi)星圖像做好災(zāi)后評估[6]。此外，分析當?shù)囟嗄晷l(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的長期趨勢，識別火災(zāi)風險的變化模式，制定出長期的火災(zāi)防控策略，以數(shù)據(jù)分析結(jié)果為依據(jù)，做好防火隔離帶的規(guī)劃和建設(shè)，最大限度地降低火災(zāi)發(fā)生風險。

3.3 構(gòu)建防火風險評估模型

以衛(wèi)星遙感技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建森林草原防火體系，需重點關(guān)注其集成性、科學(xué)性，做好數(shù)據(jù)的獲取處理、特征提取和模型建立。積極利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取多光譜影像和輔助數(shù)據(jù)，為火災(zāi)風險評估提供豐富的信息源。還要對獲取到的遙感數(shù)據(jù)進行一系列輻射校正、幾何校正、噪聲去除、大氣校正及數(shù)據(jù)配準等預(yù)處理，提升數(shù)據(jù)準確性和空間一致性。并且，關(guān)注特征提取，如借助計算植被指數(shù)做好植被覆蓋和生長狀況的評估，將其作為火災(zāi)風險的重要指示因子。利用熱

紅外影像反演地表溫度，借助歷史記錄實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效識別潛在的火源點分布區(qū)域，讓火災(zāi)風險得到全面分析。借助統(tǒng)計方法或機器學(xué)習(xí)算法，從眾多特征中篩選出最相關(guān)且具有代表性的特征，以提升預(yù)測精度[7]。

同時，以選定的特征為基礎(chǔ)，利用機器學(xué)習(xí)算法或深度學(xué)習(xí)方法，建立防火風險評估模型，通過學(xué)習(xí)歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)與特征之間的復(fù)雜關(guān)系，有效預(yù)測和評估未來火災(zāi)風險。此外，應(yīng)用相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，讓模型學(xué)習(xí)到火災(zāi)風險與特征之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，提升模型準確性和可靠性。將實時的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的模型中，有效計算每個區(qū)域的火災(zāi)風險指數(shù)或概率，將區(qū)域劃分為不同的防火風險等級，結(jié)合風險區(qū)域劃分結(jié)果生成相應(yīng)的預(yù)警信息，并及時發(fā)布至相關(guān)部門和人員，以便火情信息迅速傳遞至消防指揮中心，及時組織救援行動。

3.4 做好災(zāi)情評估

高效、綜合的衛(wèi)星遙感監(jiān)測可有效用于火情監(jiān)測和災(zāi)情評估。當災(zāi)害發(fā)生時，需為消防和應(yīng)急處置部門提供現(xiàn)場的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，使應(yīng)急部門快速了解災(zāi)害的規(guī)模、位置和可能的擴散方向，做出更加精準、有效的響應(yīng)。在對火情展開處置時，需借助持續(xù)的遙感影像數(shù)據(jù)提供火災(zāi)發(fā)展的實時信息，更好地跟蹤火勢，有效調(diào)整后續(xù)的滅火策略。

在對災(zāi)后損失進行評估時，需對比災(zāi)前和災(zāi)后的遙感影像，準確確定過火面積，與多種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)查相結(jié)合，實現(xiàn)火災(zāi)損失的精確評估[8]。同時，還要將人工實地調(diào)查與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，進而獲得更為準確和全面的災(zāi)情評估結(jié)果。通過獲取火災(zāi)后的多時相衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，有效監(jiān)測植被恢復(fù)的動態(tài)變化。借助遙感數(shù)據(jù)分析植被的生長速度和健康狀況，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和地面調(diào)查數(shù)據(jù)有效評估植被恢復(fù)程度和趨勢，為后續(xù)的恢復(fù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)束語

森林草原火災(zāi)會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生較大傷害，不僅會摧毀大量樹木和草原，嚴重影響生物多樣性，還會釋放出樹木中儲存的二氧化碳，加劇全球變暖。同時，火災(zāi)釋放的煙霧和有害氣體也會造成空氣污染，威脅著周邊居民生命財產(chǎn)安全。氣候變化帶來的高溫、干旱和極端天氣條件會使火災(zāi)發(fā)生的頻率和強度增大，因此需重點關(guān)注火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)防措施。而衛(wèi)星遙感技術(shù)在提高森林草原防滅火能力方面顯示出獨特價值和廣闊的應(yīng)用前景，隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用推廣，衛(wèi)星遙感技術(shù)將在森林草原防滅火領(lǐng)域發(fā)揮出更加重要的作用，為保護綠色家園貢獻更多力量。

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收稿日期：2024-07-10

作者簡介：鄭琳（1990—），女，內(nèi)蒙古通遼人，工程師，研究方向為氣象服務(wù)及應(yīng)用。