青海高寒草地春季火情的多源衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

陳國(guó)茜， 祝存兄， 肖建設(shè)， 校瑞香

(1.青海省氣象科學(xué)研究所，西寧 810001； 2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810001)

青海高寒草地春季火情的多源衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

陳國(guó)茜1，2， 祝存兄1，2， 肖建設(shè)1，2， 校瑞香1，2

(1.青海省氣象科學(xué)研究所，西寧 810001； 2.青海省防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810001)

多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)源能為現(xiàn)場(chǎng)撲火指揮決策提供快速、準(zhǔn)確的空間信息。根據(jù)火點(diǎn)在中紅外波段輻射率和亮溫急劇增大的特點(diǎn)，利用10個(gè)時(shí)次的國(guó)內(nèi)外極軌氣象衛(wèi)星資料(包括首次利用了NPP衛(wèi)星數(shù)據(jù)),針對(duì)2016年3月18—19日發(fā)生在青海省果洛藏族自治州久治縣的草原火災(zāi)進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并采用高分?jǐn)?shù)據(jù)提取了災(zāi)后過(guò)火面積。研究結(jié)果表明，氣象衛(wèi)星火點(diǎn)判識(shí)方法及閾值設(shè)定同樣適用于青海高寒草地春季的火情監(jiān)測(cè)； 快速判識(shí)閾值的確定，可為日常火情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)提供快速、有效的技術(shù)支持。

火情監(jiān)測(cè)； 高寒草地； 衛(wèi)星遙感； 多源數(shù)據(jù)

0 引言

草地是青海省畜牧業(yè)生產(chǎn)的重要資源[1]，而草原火災(zāi)特發(fā)性強(qiáng)、蔓延速度快，若不能及時(shí)控制，則會(huì)對(duì)草原生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞。不少學(xué)者對(duì)青海省草地火災(zāi)發(fā)生的規(guī)律與成因等方面進(jìn)行了研究，認(rèn)為冬春季，特別是3月份為草原火災(zāi)多發(fā)的時(shí)間[2]。綜合利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，能對(duì)草原火災(zāi)進(jìn)行快速、全面監(jiān)測(cè)，為現(xiàn)場(chǎng)撲火指揮決策提供快速、準(zhǔn)確的空間信息支持； 利用空間分辨率較高的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，能得到更詳細(xì)的受災(zāi)程度和準(zhǔn)確的空間分布信息，支持災(zāi)后草地生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工作。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用時(shí)間分辨率較高的FY3/VIRR，NOAA/AVHRR，EOS/MODIS及NPP/VIIRS等極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行火情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，取得了較好的成果，形成了氣象行業(yè)的火情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[3]； 利用空間分辨率較高的Landsat，CBERS，HJ1A/B，GF-1和GF-2等數(shù)據(jù)提取過(guò)火面積，進(jìn)行災(zāi)后評(píng)估分析。但是，在青海高寒草地使用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)火災(zāi)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并使用高分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行災(zāi)后評(píng)估的案例不多。本文以2016年3月18—19日青海省果洛藏族自治州久治縣的草原火災(zāi)監(jiān)測(cè)為例，首次利用NPP數(shù)據(jù)對(duì)高寒草原火災(zāi)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估分析。同時(shí)，本文對(duì)各種極軌衛(wèi)星傳感器的火情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了本地化閾值調(diào)整，所確定的快速判識(shí)閾值能為日常火災(zāi)監(jiān)測(cè)提供一定的技術(shù)參考。

1 研究區(qū)概況

青海省果洛藏族自治州，地處青藏高原腹地、黃河源頭，地勢(shì)自西北向東南傾斜，平均海拔4 000 m以上，屬于高原大陸性氣候區(qū)； 主要草場(chǎng)類(lèi)型為高寒草甸，具有優(yōu)良的放牧草場(chǎng)，是青海省重要的牧業(yè)生產(chǎn)基地之一。然而每年冬春季，受干旱氣候影響，草原火災(zāi)頻發(fā)； 特別是冬春交替時(shí)期，氣溫上升，積雪融化導(dǎo)致地表裸露，加之大風(fēng)天多，空氣干燥，造成了火災(zāi)頻發(fā)[1-2]。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

2016年3月18日，青海省果洛藏族自治州久治縣的智青松多鎮(zhèn)(E101°25′10.22″，N33°37′27.11″)發(fā)生了草原火情。其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于青海省衛(wèi)星遙感中心自主接收的極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)，包括FY3/VIRR，NOAA/AVHRR，EOS/MODIS和NPP/VIIRS(表1)。通過(guò)對(duì)這些軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行解包預(yù)處理、輻射定標(biāo)和地理定位后，形成火情監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。災(zāi)后評(píng)估數(shù)據(jù)為中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心提供的高分?jǐn)?shù)據(jù)，包括R，G，B和NIR 4個(gè)通道，空間分辨率分別為16 m(GF-1/WFV)和4 m(GF-2/PMS2)，能較精細(xì)地提取過(guò)火面積。高分?jǐn)?shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)輻射定標(biāo)和正射校正后用于災(zāi)情評(píng)估分析。

表1 幾種極軌氣象衛(wèi)星的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)通道參數(shù)Tab.1 Parameters of fire monitoring channels of polar-orbit meteorological satellites

2.2 火點(diǎn)監(jiān)測(cè)及明火區(qū)面積估算方法

2.2.1 火點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法

由于火點(diǎn)在中紅外波段輻射率和亮溫會(huì)急劇增大，根據(jù)此特點(diǎn)，采用文獻(xiàn)[3,5]提供的火點(diǎn)判識(shí)方法，即

T3-T3bg>8 K且T3-4-T3-4bg>8 K，

(1)

式中：T3和T3bg分別為被判識(shí)像元中紅外通道亮溫和中紅外通道背景亮溫；T3-4和T3-4bg分別為被判識(shí)像元中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異和中紅外與遠(yuǎn)紅外背景亮溫差異。背景溫度計(jì)算對(duì)判識(shí)精度有直接影響，對(duì)于下墊面單一的植被覆蓋密集區(qū)，由鄰近像元取平均(文中取周?chē)且伤苹瘘c(diǎn)5像元×5像元窗口的算術(shù)平均)，對(duì)被判識(shí)像元有較好的代表性。在植被與荒漠交錯(cuò)地帶，利用背景像元亮溫標(biāo)準(zhǔn)差決定判識(shí)閾值。

2.2.2 明火區(qū)面積估算方法

明火區(qū)面積估算采用氣象業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)實(shí)用的估算方法[3,5-6]，即

P=[I3(T3mix)-I3(Tbg)]/[I3(Tf)-I3(Tbg)] ,

(2)

式中：P為亞像元火點(diǎn)面積占像元面積的百分比；I3(T3mix)，I3(Tbg)和I3(Tf)分別為中紅外通道混合像元、背景和明火區(qū)的輻亮度。其中明火區(qū)溫度Tf采用設(shè)定值750 K。當(dāng)中紅外通道飽和時(shí)，利用遠(yuǎn)紅外通道估算。

3 結(jié)果分析

3.1 火情動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

利用10個(gè)時(shí)次的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)(表2)，采用ENVI軟件提取了疑似火點(diǎn)周?chē)?像元×5像元窗口的非火點(diǎn)像元，得到疑似火點(diǎn)及其背景的中紅外通道、遠(yuǎn)紅外通道信息。利用GF-1和GF-2數(shù)據(jù)提取了過(guò)火面積信息，進(jìn)行災(zāi)后評(píng)估分析。

表2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所使用的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)及其火點(diǎn)判識(shí)結(jié)果Tab.2 Remote sensing data and results used by fire real-time monitoring (K)

從表2衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，在3月18日15:07的FY3B/VIRR圖像上首次發(fā)現(xiàn)火情，確認(rèn)火點(diǎn)個(gè)數(shù)為4個(gè)，明火面積約為1 886.90 m2(表3)；

表3 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的明火區(qū)面積Tab.3 Open fire areas of remote sensing data in fire real-time monitoring

此后火勢(shì)減弱，15:45明火面積減少為292.45 m2； 然而傍晚時(shí)分(18:53)火勢(shì)加大； 至21:28，從FY3A/VIRR圖像上仍能監(jiān)測(cè)到明火信息； 在22:36的FY3C/VIRR圖像上未發(fā)現(xiàn)明火信息； 23:43的TERRA/MODIS圖像至次日凌晨02:26的NPP/VIIRS圖像上再次發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)，明火面積較小，僅為109.86 m2。在03:30的FY3B/VIRR、04:09的NOAA19/AVHRR及07:17的NOAA18/AVHRR圖像上均未發(fā)現(xiàn)明火信息，說(shuō)明此次火災(zāi)過(guò)程在3月18日21:28—23:43之間火勢(shì)減弱，撲火工作有效，但是仍有暗火未被撲滅。這使得尚未被撲滅的暗火在23:43后復(fù)燃，至3月19日03:30火勢(shì)才基本被控制，此后2次過(guò)境衛(wèi)星均未監(jiān)測(cè)出明火信息，說(shuō)明火情已基本被撲滅，此次火災(zāi)過(guò)程結(jié)束(圖1)。

根據(jù)地方政府上報(bào)的災(zāi)情得知： 當(dāng)?shù)叵啦块T(mén)在3月18日17：00接到火情信息，組織人員赴火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展撲救工作，至3月19日00: 32基本控制火勢(shì)； 04：00左右，3處暗火在風(fēng)力作用下復(fù)燃，至07: 45火災(zāi)區(qū)域火勢(shì)已全部撲滅。說(shuō)明此次火災(zāi)變化過(guò)程的遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果與地方政府上報(bào)的救災(zāi)情況基本一致，火點(diǎn)判識(shí)方法及閾值設(shè)定同樣適用于青海高寒草地春季的火情監(jiān)測(cè)。

(a) 3月18日15:07的FY3B火情監(jiān)測(cè)結(jié)果 (b) 3月18日15:45的NOAA19火情監(jiān)測(cè)結(jié)果

(c) 3月18日18:53的NOAA18火情監(jiān)測(cè)結(jié)果 (d) 3月18日21:28的FY3A火情監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖1-12016年3月18—19日久治縣火情遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果

Fig.1-1FiremonitoringresultsofremotesensingdatainJiuzhiCountyonMarch18—19,2016

(e) 3月18日22:36的FY3C火情監(jiān)測(cè)結(jié)果(f) 3月18日23:43的TERRA火情監(jiān)測(cè)結(jié)果

(g) 3月19日02:26的NPP火情監(jiān)測(cè)結(jié)果 (h) GF-2/PMS2過(guò)火面積結(jié)果

(GF-2 B3(R)B4(G)B2(B)假彩色合成)

圖1-22016年3月18—19日久治縣火情遙感監(jiān)測(cè)結(jié)果

Fig.1-2FiremonitoringresultsofremotesensingdatainJiuzhiCountyonMarch18—19,2016

3.2 火點(diǎn)快速判識(shí)中的閾值確定

在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)中，經(jīng)常使用快速判識(shí)法進(jìn)行火點(diǎn)快速識(shí)別，但由于地表的季節(jié)性變化及區(qū)域性差異，在火點(diǎn)粗判時(shí)，不同區(qū)域不同衛(wèi)星傳感器所使用火點(diǎn)判識(shí)閾值不同。如在青海省內(nèi)，馮蜀青等[7]在2002年4月6日青海省玉樹(shù)藏族自治州囊謙縣的草原火情監(jiān)測(cè)中，使用白天MODIS中紅外通道亮溫大于300.0 K進(jìn)行火點(diǎn)判識(shí)； 在2015年3月14日青海省果洛藏族自治州班瑪縣火情監(jiān)測(cè)中，使用夜間Terra/MODIS中紅外通道亮溫大于281.0 K、上午FY3A中紅外通道亮溫大于313.0 K進(jìn)行火點(diǎn)判識(shí)。但尚未有適合于青海省高寒草地、基于多種極軌衛(wèi)星遙感資料的判識(shí)閾值。為此，從本次火情監(jiān)測(cè)中總結(jié)了青海省果洛地區(qū)草地3月份火點(diǎn)判識(shí)閾值，共分為3種情況：

1)白天，下午時(shí)分，中紅外通道亮溫大于317.0 K，建議在業(yè)務(wù)中使用316.0 K； 遠(yuǎn)紅外通道亮溫大于290.0 K。而在上午時(shí)分，應(yīng)該適當(dāng)將閾值調(diào)低，建議中紅外通道亮溫大于310.0 K。

2)夜間，中紅外通道亮溫大于268.5 K，建議在業(yè)務(wù)中將閾值設(shè)定為272.0 K； 遠(yuǎn)紅外通道亮溫大于260.0 K。

3)在白天與黑夜交替時(shí)，中紅外通道亮溫大于285.0 K； 遠(yuǎn)紅外通道亮溫大于272.0 K。

上述閾值亦可為青海省內(nèi)其他地區(qū)草地的火情監(jiān)測(cè)提供參考。

3.3 過(guò)火面積提取

采用3月2日GF-1多光譜數(shù)據(jù)(16 m)和3月20日GF-2多光譜數(shù)據(jù)(4 m)對(duì)圖像進(jìn)行輻射定標(biāo)和正射校正等處理后，進(jìn)入過(guò)火面積的提取流程： 首先，對(duì)比火災(zāi)前后2幅圖像，確定過(guò)火區(qū)位置； 再利用單波段閾值法，對(duì)GF-2的B4波段進(jìn)行閾值劃分，提取過(guò)火區(qū)范圍； 將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量數(shù)據(jù)，建立拓?fù)潢P(guān)系，獲取過(guò)火區(qū)面積； 最后，手動(dòng)修改部分與實(shí)際不符的過(guò)火區(qū)范圍，形成最終的過(guò)火區(qū)范圍(圖1-2(h))，計(jì)算得到過(guò)火面積為0.68 km2。

4 結(jié)論與討論

1)在本次火情監(jiān)測(cè)中，綜合利用了國(guó)內(nèi)外多種極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，首次使用了NPP衛(wèi)星數(shù)據(jù)，提高了監(jiān)測(cè)頻次，3 h左右就能為現(xiàn)場(chǎng)撲火工作提供最新的火情信息。同時(shí)使用高分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行災(zāi)后評(píng)估分析，提供了更精細(xì)的過(guò)火面積估算結(jié)果。為了在業(yè)務(wù)中快速識(shí)別火點(diǎn)，確定了各種極軌氣象衛(wèi)星的火點(diǎn)快速判識(shí)閾值，發(fā)現(xiàn)了日夜交替時(shí)應(yīng)使用第3種閾值判識(shí)，可為青海省內(nèi)其他地區(qū)草地的火情監(jiān)測(cè)提供參考。

2)在監(jiān)測(cè)中還發(fā)現(xiàn)，利用青海省衛(wèi)星遙感中心衛(wèi)星直收系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外極軌氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行火點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)到的火點(diǎn)位置普遍存在位置偏移問(wèn)題。國(guó)產(chǎn)極軌氣象衛(wèi)星火點(diǎn)位置偏移大小排序?yàn)椋?FY3A>FY3B>FY3C; 國(guó)外氣象衛(wèi)星火點(diǎn)位置偏移大小排序?yàn)椋?NPP>NOAA19>TERRA>NOAA18。NOAA18所監(jiān)測(cè)的火點(diǎn)位置與實(shí)際火點(diǎn)位置最為接近。氣象衛(wèi)星火點(diǎn)位置偏差可能造成對(duì)火勢(shì)蔓延方向的誤判，影響現(xiàn)場(chǎng)撲火指揮決策，造成損失。這些位置偏移是否具有一定的規(guī)律性，有待進(jìn)一步研究。

3)本次火情監(jiān)測(cè)中，被監(jiān)測(cè)地區(qū)天氣在整個(gè)火災(zāi)過(guò)程中都為晴天，為本次火情監(jiān)測(cè)提供了有利條件。但若被監(jiān)測(cè)地區(qū)存在著云的影響，則會(huì)造成火點(diǎn)的漏判、誤判。如何使用靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)減少云影響，同時(shí)科學(xué)確定青海省不同區(qū)域不同季節(jié)火點(diǎn)快速判識(shí)閾值，加快適用性驗(yàn)證與業(yè)務(wù)化應(yīng)用，則是下一步重點(diǎn)研究的方向。

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DynamicmonitoringtechnologyofQinghaialpinegrasslandfireinspringbasedonmulti-sourcesatelliteremotesensingdata

CHEN Guoqian1,2, ZHU Cunxiong1,2, XIAO Jianshe1,2, XIAO Ruixiang1,2

(1.QinghaiInstituteofMeteorologicalSciences,Xining810001,China; 2.QinghaiKeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigation,Xining810001，China)

Multi-source satellite remote sensing data can provide rapid and accurate spatial information on blazes. According to the fire spot characteristics of sharply increasing in mid-infrared emissivity and brightness temperature, the authors analyzed the real-time dynamic monitoring of fire process, which happened in Jiuzhi of Guoluo Tibetan Autonomous Prefecture in Qinghai Province from March 18 to 19, 2016. Ten times of polar-orbit meteorological satellite data, especially NPP, were used to perform real-time monitoring, and GaoFen(GF) data were used to extracted the fire area. Finally, the fire distinguishing thresholds of Qinghai alpine grassland in spring were obtained. The results show that the fire-monitoring method could be applied to Qinghai, and that quick recognition threshold setting could meet the fast and effective requirements in daily real-time monitoring.

fire monitoring; alpine grassland; satellite remote sensing; multi-source data

10.6046/gtzyyg.2017.04.28

陳國(guó)茜,祝存兄,肖建設(shè),等.青海高寒草地春季火情的多源衛(wèi)星遙感動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[J].國(guó)土資源遙感,2017,29(4):185-189.(Chen G Q,Zhu C X,Xiao J S,et al.Dynamic monitoring technology of Qinghai alpine grassland fire in spring based on multi-source satellite remote sensing data[J].Remote Sensing for Land and Resources,2017,29(4):185-189.)

TP 751.1

A

1001-070X(2017)04-0185-05

2016-05-18；

2016-09-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高寒草甸冬季枯草的遙感識(shí)別與監(jiān)測(cè)方法”(編號(hào)： 31560671)、青海省科技廳國(guó)際合作項(xiàng)目“高寒冬季牧草的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)方法”(編號(hào)： 2016-HZ-807)和青海省氣象局重點(diǎn)科研項(xiàng)目“基于衛(wèi)星遙感結(jié)合氣象要素的森林草原火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)評(píng)估”(編號(hào)： 2016-8)共同資助。

陳國(guó)茜(1986-)，女，碩士研究生，工程師，主要從事RS與GIS技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究。Email： guoxi_chen@163.com。

(責(zé)任編輯：張仙)