FY-3衛星對黑龍江省林火遙感監測業務的支撐

董曉銳，魏 迎

(佳木斯氣象衛星地面站，黑龍江 佳木斯154007)

1 引言

近年來隨著信息技術尤其是 3S技術的飛速發展，遙感衛星監測森林火災逐漸向遠距離，智能化，信息化方向發展。自20世紀80年代初開始，美國、加拿大、澳大利亞等國家根據自身國情先后展開了林火衛星監測研究，1972年，美國研制出國家級森林火險預報系統，并在GIS背景數據庫的支持下采用NOAA/AVHRR數據生成 NDVI專題圖，結合氣象資料及可燃物類型等因子構建了火災潛在指數，為美國森林火災預測作出了巨大貢獻。 加拿大等國利用人造衛星搭載紅外裝置監測林火，使其林區巡視速度、效率得以大大提升，同時降低了成本。國內的相關學者也開始研究如何利用遙感對火情進行監測，如楊蘭芳等用NOAA衛星資料監測了甘肅省森林草原火災[1]。張貴等用NOAA/AVHHR衛星分別對甘肅省森林草原火災，青海省森林草場火險及內蒙古自治區和黑龍江省進行了林火監測研究，而后越來越多的研究和應用趨向于具有更高時空分辨率的MODIS，但許多都只對大致方法做籠統描述，卻很少闡述火情監測模型的詳細應用與分析。黑龍江作為我國的主要林區，對林火的監測有著迫切的要求。本研究目的正是利用現有的FY3遙感資料，對森林火災進行監測和分析，低成本，高效率，直觀準確的對火情進行監測，同時在災害發生后形成分析與評估，為防災減災決策提供科學依據，具有十分重要的意義。

2 FY3-VIRR遙感數據

VIRR為可見光掃描輻射計，是我國第二代極軌氣象衛星-FY-3所攜帶的探測儀器，掃描范圍±55.4°,地面分辨率1.1 km。主要用于監測全球云量、判識云的高度類型和相態、探測海洋表面溫度、監測植被生長狀況和類型、監測高溫火點、判識地表積雪覆蓋、探測海洋水色等領域。10個光譜通道，其中包括4個可見光通道、3個熱紅外通道、2個短波紅外和1個近紅外通道。

3 研究區概況

黑龍江省是森林火情防治的重點省份,其中森林覆蓋率為43.6%,林地面積為2.007×107hm2。森林資源包括：大小興安嶺、完達山脈、張廣才嶺及老爺嶺等。作為林業大省，林火監測在資源保護和經濟發展等方面占據著重要地位。過去的林火監測主要依靠人為，在觀測范圍和監測頻度上都有一定的局限性[2]。多年來,由于氣象條件多變和人類活動影響,森林火災時常發生,著名的87.5.6大火、2003年黑河大火、2005年呼瑪大火都使寶貴的林業資源付之一炬。我國新一代的極軌氣象衛星FY3上所攜帶的VIRR探測器能夠獲取地球探測環境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料，將其和新興的地理信息系統（GIS）相結合運用到森林火災的監測、定位和防治中，依據動態熱點火情信息來快速發現和快速定位火情，可以為相關部門提供更有效的信息和服務。

4 原理及方法

4.1 監測原理

1893年德國物理學家維恩指出黑體輻射場能量密度取極大值（對應輻射曲線最高峰）時的波長 λm與熱力學溫度 T的乘積是常量，即維恩位移定律：T*λmax=2 897.8（K，μm），溫度越高，輻射峰值波長越小，即溫度T和輻射峰值波長λm成反比。針對可見光掃描輻射計VIRR的3、4、5通道進行分析，常溫（約300 K）地表輻射峰值波長在通道4的波長范圍左右，林火燃燒溫度一般在 550 K以上，根據公式，其熱輻射峰值波長靠近通道3的波長范圍。利用普朗克公式計算中紅外和遠紅外波長范圍的黑體輻射率隨溫度的變化,輻射率的增量在通道3增長高于通道 4，所以，用通道 3數據進行林火監測具有理論可行性。

4.2 遙感林火監測方法概述

4.2.1 人機交互判識

針對白天的遙感影像數據，對VIRR的3、2、1通道進行彩色合成，分別賦予其為紅色、綠色和藍色，則在圖像上明火區表現為鮮紅色，過火區表現為暗紅色，植被為綠色，水體為深藍色，云或煙霧則為灰色。夜間的軌道數據對3、4通道進行RGB假彩色合成，明火區為鮮紅色，灰色的為云，其他難以識別[3]。通過SMART軟件疊加經緯度和行政邊界，對1、2通道進行曲線增強，3通道進行指數拉伸，均可以迅速準確的掌握火情的發生發展情況。

4.2.2 計算機自動判識

人機交互判識依賴于經驗及圖像的清晰度，雖然精度較高，但在大范圍火點出現時，則效率不高。計算機自動判識在某種程度上改善了人機交互在業務中的效率問題。

根據實際監測效果和理論計算,判識火點條件主要根據中紅外通道的亮溫增量以及中紅外通道與遠紅外通道（CH4）亮溫差異的增量：

T3-T3bg＞ T3TH 且 T34-T34bg＞T34TH

這里 T3、T3bg、T3TH分別為被判識像元中紅外通道亮溫、中紅外通道背景亮溫、中紅外通道火點判識閾值。背景溫度計算對判識精度有直接影響。對于下墊面單一的植被覆蓋稠密區，由鄰近像元取平均對被判識像元有較好的代表性。而在植被與荒漠交錯地帶，由于各像元的植被覆蓋度可能有較大差異，由此計算的鄰近像元平均亮溫有可能與被判識像元有較大差異，因而判識閾值需要隨之調整。通過建立不同季節,不同觀測時次的亮溫閾值數據集,將會使計算機的自動判識精度效率更高[4]，利于快速掌握林火發生和發展的動態，為林火發生時提供最佳方案。

5 結論

氣象衛星遙感應用于森林火情監測，是氣象衛星應用服務的一個重要方面，氣象衛星FY3上所攜帶的VIRR探測器對林火遙感的動態監測非常有利。通過對FY3/VIRR波段特性的深入分析，確定基于FY3/VIRR的火情監測系統。以期在火情發生時能夠精準快定位火點信息，同時對火情的發展蔓延進行跟蹤監測。災情發生時能夠及時為相關部門提出較為經濟實用的實施方案和技術措施，減少國民生產損失。

[1]李福堂 .基于EOS/MODIS森林火災監測模型及應用研究[D].華中科技大學碩士論文,2005，（9）.

[2]王麗娜，孫丹.GIS和遙感技術在黑龍江省森林火災監測、輔助決策中的應用[J].森林防火，2006,（2）：23.

[3]徐擁軍.基于FY-3A/VIRR數據火情監測系統的設計與實現[D].中國地質大學，2002,5：24-26.

[4]李進文,鐘儒祥,吳小雅,羅祖紅.利用氣象衛星監測森林火情的方法探討[J].廣東林業科技,2005,21（3）.