MODIS數據在森林火點識別中的應用研究

段衛虎等

摘要以昆明市安寧縣和玉溪市易門縣為研究區，選用MODIS數據作為數據源，ARCGIS和ENVI軟件作為數據處理平臺，采用絕對亮溫、相對亮溫和植被指數3個因子作為林火判斷條件，提高林火判別的精度，為森林火災的早期探測與發現、火災撲救和損失評估業務在云南省的運用奠定基礎。

關鍵詞MODIS；森林火災 ；亮溫；NDVI

中圖分類號S762.1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）28-09800-04

Study on Application of MODIS Data in Forest Fire Recognition

DUAN Weihu， HUANG Cheng， WANG Hao， ZHOU Ruliang*

（Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224）

AbstractTaking Anning County of Kunming City， Yimen County of Yuxi City as study area， selecting MODIS data as source， ARCGIS and ENVI as data processing platform， 3 factors including absolute light temperature， relative light temperature and vegetation index were determined as conditions for forest fire detection. The method can improve the accuracy of identification of forest fires， lay the foundation for early detection and discovery of forest fires， fire fighting and damage assessment services in Yunnan Province.

Key wordsMODIS； Forest fire； Light temperature； NDVI

20世紀90年代后期以來，受高溫、干旱等因素的影響，世界各國范圍內森林火災更為頻繁[1]。

目前，MODIS（中分辨率成像光譜儀），衛星遙感數據在可見光波段上的分辨率已經達到250 m，在近紅外波段上的分辨率已達500 m，火災監測的遙感數據的時間分辨率已經提高為1～2 h/次，在日新月異的遙感與GIS的技術水平下，挖掘遙感數據的潛在信息，充分利用GIS數據及空間分析功能，能進一步解決新的林火監測業務的難題。

西南林區熱點多，熱點處理工作量大。在2003年全國森林防火工作會議上，國家林業局曾要求“有條件的重點森林防火省區要逐步建設省級衛星林火監測業務系統”，研發基于GIS的衛星熱點分析處理業務平臺，可推動衛星林火監測業務在重點省區建設和發展[2]。筆者采用MODIS遙感數據進行云南地區林火識別研究，為MODIS數據在林火監測業務中的廣泛應用提供理論支撐。

1數據源

MODIS是當前世界上新一代“圖譜合一”的光學遙感儀器，共有490個探測器，36個光譜波段，從0.4～14.4 μm全光譜覆蓋。 36個離散光譜波段，有2個波段分辨率是250 m，5個波段分辨率是500 m，其余29個波段分辨率是1 000 m。對于接收MODIS數據來說，每次最少可以得到4次（2次白天和2次黑夜），更新數據。這樣的數據更新頻率對實時地球觀測和應急處理有較高的應用價值[3]。

該研究以2012年3月19日云南省昆明市安寧縣和玉溪市易門縣的MODIS 1B數據為源數據。同時，收集云南省行政區劃圖。

2識別原理

普朗克定律是德國物理學家普朗克于1990年所創造的。該定律被公認為物體間熱力傳導的基本法則。普朗克定律給出了黑體輻射的具體定量化分布，在一定的溫度下，單位面積、單位立體角和單位波長間隔輻射出的能量為

Mλ（λ，T）=2πhc2λ5·1ehc/λkT-1Ⅰ

公式中 c—光速，值為3×108（m/s）；

h—普朗克常數，值為6.626×10-34J·s；

K—玻爾茲曼常數，值為1.38×10-23 J/K；

λ—波長（m）；

M—為輻射出射度[W/（m2·K4）][4]。

利用普朗克公式還可以導出維恩位移公式，即黑體輻射光譜中輻射強度最大的波長λmax與黑體絕對溫度T成反比，其公式為：

λmax·T = bⅡ

T—黑體的溫度（K）；

λmax—黑體在T溫度下，輻射峰對應的波長（μm）；

b—為常數，值為2.898×10-3m·K[4]。

由維恩位移公式可知，黑體溫度越高，輻射峰值的波長越小。溫度大約在300 K時，地表輻射的峰值對應的波長在9.66 μm左右，這時地球上主要是紅外的熱輻射；當物體的溫度上升到500 K時，物體輻射的峰值對應的波長在5.80 μm左右。

MODIS的火災檢測算法主要是基于中、遠紅外通道光譜特性。當MODIS的4 μm通道的飽和溫度為500 K時，等效噪聲溫度為0.3 K。這個通道不受水蒸氣吸收的影響，其他氣體對它的影響也很微弱；當MODIS的11 μm通道達到400 K的飽和溫度時，等效噪聲溫度為0.1 K。因此，一般采用這2個通道作為火災監測的通道。在夜間還可以用分辨率為250 m的0.86 μm通道的數據，以及分辨率為500 m的2.13 μm和1.65 μm 2個通道的數據進行火災的監測[5]。

3數據預處理

3.1幾何校正

將該研究主要用到的MODIS 1B數據加載ENVI 5.0軟件中，首先，利用ENVI自帶的Georeference MODIS模塊對1，2，6，7，21，22，31波段進行幾何糾正，包括將影像轉換到經緯度坐標，并且對影像的“雙眼皮效應”通過Perform Bow Tie Correction進行消除處理 [6-8]。

3.2MODIS影像的定標和亮溫轉換

按定標公式Ⅲ，對可見光波段7、2、1進行反射率定標（圖1）；按公式Ⅳ對紅外波段21、22、31進行輻射率定標，然后按普朗克公式將熱紅外波段的輻射率轉換為亮度溫度（公式Ⅰ）[9]。

R = reflectance_scales*（ SI-reflectance_offsets）Ⅲ

式中：reflectance_scales為縮放系數，reflectance_offsets為偏移量。這2個參數僅與波段有關，可以從MODIS 1B數據集中獲取。SI為圖像像元的有效計數值，R為定標后的反射率。

L= radiance_scales*（ SI -radiance_offsets）Ⅳ

式中：radiance_scales為縮放系數，radiance _offsets為偏移量。這2個參數僅與波段有關，可以從MODIS 1B數據集中獲取。SI為圖像像元的有效計數值，L為定標后的輻射率。

將定標后的可見光7、2、1波段RGB合成顯示，可以更加清晰地發現林火熱點特征（圖1）。

圖17、2、1波段RGB合成顯示

3.3云檢測

根據MODIS不同波段對云的敏感特性以及各通道的波譜特性，結合大氣窗口和云的輻射傳輸特點，確定云檢測算法。如果厚云在0.66 μm通道的反射率大于0.2，那么就認為不會有火點信號穿過這些云，同時將掃描角限制在45°之內。由以上條件建立云檢測掩膜，濾除非火點區域[9]。

3.4大氣訂正

應用T4和T11的組合來訂正氣體的吸收，小云塊會減少11 μm通道火點的溫度，且會影響這一通道的水汽訂正。

4火點識別

4.1火點提取的背景信息

建立監測火點與周圍像素的溫度間的定量關系。火點像元的周圍像素用于背景溫度估算。此火點識別方法是建立在火點像素背景溫度與周圍像素的溫度間的相關性隨著像元間的距離增大而減小的假設上。