高分四號衛(wèi)星在我國森林草原火情監(jiān)測中的應(yīng)用

一、引言

林業(yè)是一項重要的公益事業(yè)和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在維護生態(tài)平衡中起著決定性作用。黨的十八大以來，黨中央、國務(wù)院賦予了林業(yè)在建設(shè)生態(tài)文明和推動綠色發(fā)展中新的地位、新的使命和新的任務(wù)。森林和草原在其生長過程中，會受到火災(zāi)或病蟲災(zāi)害等干擾。在我國，森林草原火災(zāi)時有發(fā)生，常常造成森林和草原資源的破壞，甚至危及到人民生命財產(chǎn)的安全。建國至今，我國年均發(fā)生森林草原火災(zāi)1萬多次，年均受害森林草原面積超過80萬公頃，年均經(jīng)濟損失20多億元人民幣，每年全國累計傷亡近百人。減少森林草原火災(zāi)的發(fā)生次數(shù)、降低火災(zāi)造成的損失，是我國森林草原防火業(yè)務(wù)面臨的一項十分重要的工作任務(wù)[1，2]。

我國林業(yè)行業(yè)早在20世紀(jì)50年代就開展了利用航空遙感技術(shù)監(jiān)測林火的應(yīng)用技術(shù)研究；衛(wèi)星遙感因具有覆蓋范圍廣、觀測頻次高等特性，能夠準(zhǔn)實時地跟蹤與監(jiān)測森林草原火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展及變化情況。自1987年黑龍江大興安嶺“5·6”特大森林火災(zāi)發(fā)生后，衛(wèi)星遙感技術(shù)逐步在我國森林防火監(jiān)測業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用和發(fā)展；目前，我國已建立了基于中低空間分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)的火情衛(wèi)星監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)，每天對全國及周邊地區(qū)的森林草原火情進行監(jiān)測與信息服務(wù)，已經(jīng)成為我國森林和草原火災(zāi)監(jiān)測業(yè)務(wù)中一種不可或缺的重要監(jiān)測技術(shù)手段[3，4]。

高分四號衛(wèi)星（GF-4）于2015年12月29日，在我國西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空。該衛(wèi)星是我國第一顆地球靜止軌道高分辨率對地觀測衛(wèi)星，配置一臺空間分辨率為50m的可見光近紅外多光譜相機（PMS）和空間分辨率為400m的中波紅外（IRS）面陣相機，其影像幅面均大于400km×400km；其可見光近紅外傳感器具備分鐘級成像能力、中波紅外傳感器具有按秒成像的能力，且具有較高溫度飽和點，對于熱異常及地物動態(tài)變化監(jiān)測具有重要的應(yīng)用前景。林業(yè)行業(yè)作為該衛(wèi)星的主用戶之一，參與了該衛(wèi)星的研制、在軌測試和應(yīng)用示范等工作[5，6]。

二、應(yīng)用情況

自2016年6月13日高分四號衛(wèi)星正式交付運行以來，林業(yè)行業(yè)根據(jù)高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)特性和覆蓋狀況，分別開展了區(qū)域森林類型信息監(jiān)測、區(qū)域濕地類型識別、沙化土地類型識別、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測和火情監(jiān)測等典型監(jiān)測業(yè)務(wù)應(yīng)用示范工作。在此，僅對近兩年內(nèi)該衛(wèi)星在我國及周邊森林草原火情監(jiān)測中的應(yīng)用情況進行介紹。

1.煙區(qū)監(jiān)測

森林草原火災(zāi)發(fā)生時，生物質(zhì)因含有水分和燃燒不完全而導(dǎo)致產(chǎn)生大量煙的現(xiàn)象。由于煙的遮蓋，在森林草原火災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測過程中，煙覆蓋下的一些低溫燜燒火點常會被遺漏，從而影響火災(zāi)檢測的準(zhǔn)確性。煙通常是由高濃度懸浮物和氣溶膠組成，在衛(wèi)星影像上可反映煙的分布地點、濃度和面積大小等信息，為利用衛(wèi)星遙感技術(shù)檢測煙區(qū)提供了可行的條件。

基于GF-4可見近紅外通道具有對植被燃燒釋放的煙敏感的特性，利用經(jīng)輻射和幾何校正處理后的GF-4 PMS數(shù)據(jù)，對發(fā)生在我國甘肅省迭部縣、云南省玉龍縣等地的森林火災(zāi)釋放的煙區(qū)進行識別來監(jiān)測當(dāng)時火情的燃燒態(tài)勢，部分監(jiān)測結(jié)果圖1所示。

圖1 GF-4 PMS數(shù)據(jù)煙區(qū)分布監(jiān)測結(jié)果

從圖1中可以明顯地看出煙區(qū)的走向及分布情況，可有效地為森林火災(zāi)撲救決策提供科學(xué)技術(shù)支撐。

2.著火點識別

森林草原等植被燃燒亦會釋放出大量的熱量，通常在衛(wèi)星遙感熱紅外通道表現(xiàn)出典型熱異常特征現(xiàn)象。利用GF-4衛(wèi)星的IRS通道具備對異常高溫敏感的特性，以及其可見近紅外通道對植被、云體、水體等地物有較好的反映等特性，分別利用經(jīng)輻射和幾何處理后的GF-4 PMI和夜間的GF-4 IRS數(shù)據(jù)，對近兩年來發(fā)生在我國甘肅省迭部縣、云南省玉龍縣、內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺畢拉河林業(yè)局、內(nèi)蒙古陳巴爾虎旗、四川省涼山州以及俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)等地的森林火災(zāi)著火點進行了識別，部分結(jié)果如圖2所示。

圖2 GF-4衛(wèi)星數(shù)據(jù)著火點識別影像圖

3.森林火災(zāi)災(zāi)情評估

森林火災(zāi)發(fā)生后，由于森林草原等植被受火災(zāi)的損失而導(dǎo)致其在衛(wèi)星遙感影像上光譜特征的變化，通過衛(wèi)星遙感影像不同波段的結(jié)合，可以監(jiān)測得到火燒跡地的空間分布及其面積等災(zāi)情信息，從而為森林火災(zāi)的災(zāi)情評估和恢復(fù)重建等工作提供技術(shù)服務(wù)。

利用經(jīng)處理后的GF-4 PMS影像，對發(fā)生在我國四川省涼山州、內(nèi)蒙古畢拉河林業(yè)局和內(nèi)蒙古陳巴爾虎旗等地的森林火災(zāi)形成的火燒跡地進行監(jiān)測應(yīng)用；并通過與GF-1和LandSat-8等衛(wèi)星數(shù)據(jù)解譯的火燒跡地結(jié)果，以及現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果進行對比，評價了利用GF-4數(shù)據(jù)進行森林火災(zāi)災(zāi)情信息提取的應(yīng)用潛力；同時，還結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳仲Y源數(shù)據(jù)，對森林火災(zāi)造成的災(zāi)情損失情況進行了評價，部分結(jié)果如圖3所示。

由于GF-4 PMS的空間分辨率比GF-1 PMS/WFV、GF-2 PMS等影像的空間分辨率低，在體現(xiàn)森林火燒跡地細(xì)節(jié)方面不及GF-1 PMS/WFV、GF-2等數(shù)據(jù)那樣清晰，因此，在森林草原火災(zāi)災(zāi)情評價工作中，在條件允許的情況下，盡量選用空間分辨率較高的衛(wèi)星影像為好。但從圖3（a）可以看出：GF-4 PMS多光譜影像也可較好地反映森林火燒跡地邊界特征，尤其是在重特大森林火災(zāi)發(fā)生后的災(zāi)后評估中，可以利用其高時效性和中空間分辨率特性，及時為森林火災(zāi)撲救及災(zāi)后恢復(fù)等決策提供數(shù)據(jù)和技術(shù)服務(wù)。

三、結(jié)論

通過總結(jié)GF-4衛(wèi)星在我國近兩年的森林草原火情監(jiān)測中的應(yīng)用，表明GF-4衛(wèi)星空間分辨率為50m的可見近紅外通道可以較好地反映植被、火燒跡地和煙區(qū)等信息，而其空間分辨率為400m的中波紅外波段對熱輻射信息敏感，可以較好地應(yīng)用于著火點的識別、火勢狀況分析等中，并表明該衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用于我國及周邊地區(qū)的森林草原火災(zāi)的監(jiān)測和災(zāi)后評估中。另外，由于該衛(wèi)星具有高時間分辨率的特點，其IRS傳感器可以每隔一秒獲取一景數(shù)據(jù)，這使研究時序的火勢變化和火溫度變化成為可能。

由于該衛(wèi)星運行觀測服務(wù)模式及觀測范圍限制，并不是每天都能覆蓋我國全國林地或重點林區(qū)，目前單星還較難滿足我國森林草原防火日常監(jiān)測業(yè)務(wù)需求，但其具有機動靈活、快速成像觀測目標(biāo)的能力，可以作為我國及周邊地區(qū)森林草原火災(zāi)，尤其是森林大火發(fā)生撲救過程中應(yīng)急監(jiān)測的技術(shù)手段之一。隨著衛(wèi)星系統(tǒng)、地面系統(tǒng)等對GF-4衛(wèi)星的輻射校正、光譜校正等工作的深入開展，將會為用戶開展定量化的應(yīng)用提供可靠的GF-4衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，其在林業(yè)行業(yè)的監(jiān)測業(yè)務(wù)會更加深入，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)訌V泛，將為我國及周邊地區(qū)的林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)工作提供強有力的技術(shù)支撐和信息服務(wù)。