高分一號02/03/04星在森林火災監測中的應用

文| 中國林業科學研究院資源信息研究所 劉樹超 覃先林 李曉彤 劉倩

本文介紹了高分一號衛星的概況和利用高分一號 02/03/04星在我國森林火災監測中開展的應用實例，表明這三顆衛星數據可在我國森林火災應急監測領域發揮重要的作用，并對利用空間技術實現我國“十三五”森林防火二期規劃目標的發展方向進行了展望。

本文介紹了高分一號衛星的概況和利用高分一號 02/03/04星在我國森林火災監測中開展的應用實例，表明這三顆衛星數據可在我國森林火災應急監測領域發揮重要的作用，并對利用空間技術實現我國“十三五”森林防火二期規劃目標的發展方向進行了展望。

一、高分一號衛星

高分一號衛星是我國高分辨率對地觀測系統重大專項天基系統中的第一顆衛星，于2013年4月26日在酒泉衛星發射中心成功發射。其搭載了兩臺2 m分辨率全色/8 m分辨率多光譜相機（PMS），四臺16 m分辨率多光譜相機（WFV），位于太陽同步軌道。高分一號衛星突破了高空間分辨率、多光譜與寬覆蓋相結合的光學遙感等關鍵技術，在分辨率和幅寬的綜合指標上達到了目前國內外民用光學遙感衛星的領先水平。

高分一號 02/03/04星是我國國家民用空間基礎設施規劃的首批業務化應用衛星星座，也是我國首顆民用高分辨率光學業務星座，于2018年3月31日在太原衛星發射中心以“一箭三星”的方式發射成功，2018年10月交付使用。三顆衛星均搭載了兩臺全色多光譜相機，全色波段影像的空間分辨率均為2 m，多光譜波段影像的空間分辨率均優于8 m，單顆衛星成像幅寬大于60 km。與2013年發射的高分衛星相比，高分一號 02/03/04星量化位數提高20%，同時提高了低輻亮度條件下的信噪比，降低了噪聲等效反射率差，圖像質量顯著提高。三顆衛星組成的應用衛星星座，對同一地區可以實現2天的重訪周期觀測，15天實現對全球地區的覆蓋觀測；同時具有多種星座運行模式，可采用立體成像模式實現立體成像，也可采用圖像拼接模式實現大幅寬成像；也可以與2013年發射的高分一號衛星及2018年發射的高分六號衛星組網運行，共同構建陸地資源調查監測業務衛星星座，在此狀態下，重訪周期為1天，可以實現11天對全球地區的覆蓋觀測。高分一號 02/03/04星可以為國家自然資源資產管理和自然生態監管提供精準信息保障，并廣泛應用于防災減災、環境保護、城鄉建設、交通運輸、農業農村、應急管理等領域[1]。

二、森林火災監測應用

森林火災，是指失去人為控制，在林地內自由蔓延和擴展，對森林、森林生態系統和人類帶來一定危害和損失的林火行為。森林火災是一種突發性強、破壞性大、處置救助較為困難的自然災害。森林火災的發生既具有隨機性、突發性的特點，又具有一定的規律性，當具有一定的氣象、森林植被和地形地理等條件時，才能發生森林火災。森林火災不只是燒毀成片的森林，傷害林內的動物，而且還降低森林的更新能力，導致土壤的貧瘠，破壞了森林結構，進而導致生態環境失去平衡[2]。及時準確掌握森林火災的地理位置、火場面積、蔓延情勢以及火燒強度等信息，對森林火災撲救力量部署、應急決策實施以及林火管理和預防尤為重要。然而，林火多發生于邊遠、道路稀少、可進入性極差的林區。歷史上許多森林大火都是由于在森林火災發生初期發現不及時從而釀成森林大火，給林火撲救帶來極大挑戰。長期以來，國內外的專家學者結合出現的新型監測技術手段特性，開展了大量的森林火災監測應用方法研究。近年來，衛星遙感技術在林火監測領域的應用越來越成熟，衛星遙感能夠監測和記錄全球地表信息，尤其適用于地表異變現象特別明顯的火災事件，已經在林火預警、火點識別、火情評價和火燒跡地恢復監測等領域中發揮了出色的作用[3]。

1.森林火災監測實例

選取兩處森林火災探究高分一號 02/03/04星在森林火災監測中的應用能力。2018年6月1日19時，內蒙古大興安嶺重點國有林管理局汗馬國家級自然保護區因雷電擊中樹木發生森林火災，火場過火面積約5100公頃（其中，內蒙古境內約4500公頃，黑龍江境內約600公頃）。2018年6月2日10時，內蒙古大興安嶺北部原始林區奇乾林業局阿巴河林場同樣因雷電擊中樹木發生森林火災，過火面積約1000公頃。森林火災發生后，中國資源衛星應用中心調用高分一號 02/03/04星對兩處火燒跡地進行了拍攝成像，獲取了火燒跡地的高分辨率衛星影像，為火燒跡地的森林火災受害程度評價和災后植被恢復等提供數據支持。

（1）過火區邊界提取

將高分一號 02/03/04星的衛星影像的全色波段數據與多光譜數據進行融合，得到空間分辨率為2 m的多光譜合成影像，利用融合后的衛星影像數據對兩處森林火災的過火區邊界進行目視解譯。其中，高分一號02星影像覆蓋了阿巴河林場火燒跡地，高分一號03星和04星覆蓋了汗馬國家級自然保護區火燒跡地。在ArcGIS軟件中目視解譯并勾繪火燒跡地的范圍邊界，解譯結果如圖1所示。

a.阿巴河林場（高分一號02星）

圖1 過火區邊界解譯結果圖

從圖1可以看出，融合后的高分一號 02/03/04星衛星影像，兼具高空間分辨率和多光譜的優勢，可以清晰地辨別出過火區域的邊界，及火燒跡地內不同區域的受災程度的情況；紅色區域是目視解譯勾繪得到的火燒跡地范圍邊界，通過計算可以分別得到兩次森林火災形成的過火區域的面積。

（2）火燒跡地識別

通過對三景融合后的高分一號 02/03/04星影像的森林火燒跡地及典型地物的識別，來評價高分一號 02/03/04星影像識別森林火燒跡地的能力。在經正射校正和融合等處理后的高分一號 02/03/04星影像中，分別選取植被、裸地、火燒跡地、水體、云陰影區、農田、云和建筑用地等八種地類作為分類和驗證樣本，進行最大似然法監督分類，分類結果如圖2所示。

圖2 火燒跡地識別結果圖

圖2中紅色區域為識別的火燒跡地，識別結果經精度驗證得出：高分一號02星影像得到的結果精度為84.46%，Kappa系數（一般介于0～1之間，越接近1精度越高）為0.71；高分一號03星影像得到的結果精度為89.75%，Kappa系數為0.88；高分一號04星影像得到的結果精度為91.57%，Kappa系數為0.89。三景影像的識別精度均優于80%，表明三顆衛星影像的光譜信息質量較好，監督分類結果符合實際火燒跡地的情況，有效地提取了森林火災的災害信息，通過該信息可以為災后受災程度評價和火燒跡地的植被恢復提供決策支持。

2.應用總結

利用選取的高分一號 02/03/04星衛星影像，對內蒙古大興安嶺地區的火燒跡地識別進行了應用評價，結果表明：高分一號 02/03/04星衛星影像能夠清晰地表現森林火燒跡地的細節，得到火燒跡地的邊界，提取森林火災的災害信息，其空間分辨率和輻射分辨率能夠滿足森林火災災情信息評價中對衛星數據質量的需求。通過三星組網的方式，衛星影像可以覆蓋更大的區域，彌補了單景影像不能覆蓋目標區域的不足，且有利于為森林火災災后恢復評價等工作提供更精細的數據資料。由于高分一號02/03/04星位于太陽同步軌道，具有嚴格的運轉周期，雖然森林火災發生時往往不能立即響應，但可在森林火災發生后通過多星對目標區域進行成像，獲取森林火燒跡地的衛星影像，及時為森林火災的受災程度評價和植被恢復提供數據決策支持。

三、發展展望

《全國森林防火規劃（2016－2025年）》提出了二期規劃的總目標，其中充分利用空間技術，提高森林火災預警監測能力、健全全國森林火險分級預警模式和預警模型、提高預警時效和精度、提高衛星監測林火時效性和識別能力；重點區域火情瞭望覆蓋率近期達到85%，規劃期末達到95%以上等建設工作是主要的目標。為全面落實提升我國森林火災預警監測能力的目標，需要將多源遙感監測技術和多平臺監測技術相結合。應用多源衛星遙感監測技術，可以顯著提高衛星監測森林火災的時效性和識別能力。我國每年接收處理風云三號、EOS－MODIS、NOAA等氣象衛星數據，可以在全國范圍內實時監測森林火災，特別在我國高分系列衛星成功發射并投入使用，尤其是高分四號搭載的衛星傳感器具有分鐘級對地觀測能力，可實現對森林火災發生區域的實時快速成像；同時利用高分一號、高分二號、高分六號、Landsat－8等極軌衛星數據提高森林火災監測的識別精度，共同為服務全國森林防火監測提供可靠的技術和資料保障[4]。同時，還需要將不同空間平臺的監測技術相結合，包括衛星遙感監測技術、航空監測技術（飛機、小型無人機等）和地面監測技術（視頻監控、人工巡護等），構建天－空－地一體化森林火災監測體系，提高我國森林火災的預警監測能力。隨著我國高分系列衛星的陸續發射，高分一號 02/03/04星可以與其他衛星進行組網觀測，憑借其高空間分辨率、大覆蓋范圍和高時間分辨率的優勢，在時間和空間上為我國森林火災監測提供有效的數據支持，指導我國森林防火的工作，為我國森林防火應急監測提供更好的應用服務。