高分六號寬幅數據在森林火燒跡地識別中的應用
——以內蒙古大興安嶺汗馬自然保護區為例

文|李曉彤 覃先林 劉倩 劉樹超

中國林業科學研究院資源信息研究所

一、高分六號衛星

高分六號衛星是國家高分辨率重大專項衛星，又稱“高分陸地應急監測衛星”，于2018年6月2日在酒泉衛星發射中心由長征二號丁運載火箭成功發射升空[1]。高分六號衛星是一顆低軌光學遙感衛星，具有高分辨率、寬覆蓋、高質量成像、高效能成像、國產化率高等特點。它突破了單投影中心超大視場成像技術，提高了國產大視場相機圖像的精確度[2]。高分六號衛星搭載了一臺2m全色/8m多光譜高分辨率相機和一臺16m多光譜中分辨率寬幅相機，2m全色/8m多光譜相機觀測幅寬為90km，16m多光譜相機觀測幅寬為800km，均達到國際領先水平。

高分六號與高分一號衛星組網運行，數據每2天覆蓋全球1次，可為農業資源監測、林業資源調查、防災減災、生態環境等領域提供遙感數據支撐。與高分一號衛星相比，高分六號衛星性能指標進一步提升，它實現了8譜段CMOS探測器的國產化研制，是我國首顆設有反映植被特性的“紅邊”波段的多光譜遙感衛星，其“雙紅邊”植被敏感波段可有效提升植被、作物等的識別精度。

二、森林火災監測應用

森林火災是指發生在除城市市區以外，在開放的森林生態系統中失去人為控制的森林燃燒現象。在我國，森林火災具有隨機性、突發性、破壞性，是一種處置救助較為困難的自然災害，也是森林生態系統最主要的干擾因素之一[3]。森林火災的發生往往會造成森林資源的嚴重損失，破壞當地的生態系統，同時在火災發生時會釋放大量的CO2、CH4等溫室氣體，引起地表濕度和溫度等變化，對全球生態環境帶來影響。對火燒跡地的準確識別是開展森林火災災情監測的基礎工作。準確的過火面積信息可以反映森林植被的變化和經濟損失，也可以評估生態環境效應。近年來，較多研究表明利用衛星遙感技術進行火燒跡地的識別和火災損失評估是一種非常有效的方法[4]。遙感技術具有快速、經濟、宏觀的特點，適用于對森林火災監測和過火面積的估算，尤其是在人員難以到達的偏遠林區。目前，利用遙感數據識別森林火燒跡地的研究已取得顯著進展；在全球尺度或長時間序列的火燒跡地識別中，主要采用具有高時間分辨率、中低空間分辨率特性的AVHRR、MODIS等遙感產品[5-7]；而在小區域范圍內的火燒跡地識別中多采用中高空間分辨率的遙感數據，如TM影像[8]、高分一號影像[9]、CBERS影像[10]等。高分六號衛星增加了能夠有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段?；诟叻至枌挿鶖祿倪@一優勢，本文選取2018年6月1日發生在內蒙古大興安嶺重點國有林管理局汗馬自然保護區的森林火災形成的火燒跡地為研究區，分析并評價該數據在森林火燒跡地識別中的應用能力，以期為我國森林火災監測應用提供技術參考。

1.森林火災監測實例

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自然保護區發生的森林火災，經3620人（其中林業撲火隊1940人、森警1680人）的全力撲救，于6日10時全線合圍，外線明火全部撲滅，過火總面積約5100公頃（其中，內蒙古境內約4500公頃，黑龍江境內約600公頃）。著火區域位于大興安嶺北段西坡，呼倫貝爾市北部，屬于溫帶濕潤季風氣候區，年降水量400～500mm，平均氣溫-5.5℃，優勢樹種為興安落葉松、白樺、山楊、樟子松等。本文獲取該區域2018年7月30日高分六號寬幅數據，作為火燒跡地識別的數據源。

（1）典型地物光譜分析

對經輻射定標和正射校正等預處理后的高分六號寬幅數據，分別選取森林、灌木、裸地、火燒跡地、水體、云和云陰影區等七種樣本，將選取的典型地物樣本分為分類樣本和評價樣本，分別用于七種類型識別以及精度驗證。利用分類樣本對其在各波段的輻射亮度進行統計分析，其結果如圖1所示。從圖1中可以看出，火燒跡地在高分六號寬幅數據的可見光近紅外區間各通道（1-4波段）的輻射亮度值與水體對應通道值相差較少，而在其兩個紅邊波段（5波段和6波段）均表現出一定的差異，利用這兩個紅邊波段數據與其他波段數據結合，有利于火燒跡地的識別和提取。

圖1 典型地物輻射亮度統計分析結果

（2）樣本分離性評價

利用ENVI5.3.1軟件，對已選取的分類樣本森林、灌木、裸地、火燒跡地、水體、云和云陰影區等七類樣本進行評價，計算任意類別間的統計距離，用以確定兩個類別間的差異性程度，從而衡量所選類型樣本的可分離性，結果見表1。

表1 高分六號寬幅數據分類樣本分離性評價結果

從表1可以看出，云陰影與火燒跡地的可分離度最低，但所有地物間的可分離度均大于1.9，這說明所選各類典型地物樣本間的可分離性較好，有利于不同地物類型的識別。

（3）火燒跡地識別

采用最大似然法，分別利用高分六號寬幅數據的1-4波段（不包含紅邊波段信息）、1-5波段和1-6波段影像來識別森林火燒跡地，并對識別結果的精度進行評價。

圖2 高分六號寬幅數據火燒跡地識別結果圖（a為研究區假彩色合成圖R：3波段、G：4波段、B：2波段 ；b為1-4波段識別結果；c為1-5波段識別結果；d為1-6波段識別結果）

圖2中黑色區域為識別的火燒跡地，經精度驗證得出：精度最高的是采用高分六號寬幅數據1-5波段影像時生成的結果，火燒跡地識別精度為87.25%，總精度為87.71%，Kappa系數為0.81；而利用其1-6波段影像火燒跡地識別精度為85.72%，總精度為85.82%，Kappa系數為0.79；不利用其紅邊波段信息火燒跡地識別精度為83.80%，總精度為85.66%，Kappa系數為0.79。三種識別總精度均優于80%，采用紅邊波段信息可使火燒跡地識別精度有所提高。結果表明，高分六號影像的光譜質量較好，監督分類結果符合實際火燒跡地的情況，可較好地表現森林火燒跡地細節和識別火燒跡地等，新增的紅邊信息可提高森林火燒跡地的識別精度。

2.應用總結

利用選取的高分六號16m多光譜中分辨率寬幅影像，采用最大似然法，分別利用影像的1-4波段、1-5波段和1-6波段，對內蒙古大興安嶺汗馬自然保護區開展了火燒跡地等類型識別研究，結果表明：高分六號寬幅數據可較好地表現森林火燒跡地細節和識別火燒跡地等，新增的紅邊信息可提高森林火燒跡地的識別精度，能夠滿足我國森林火災災情信息評價中對衛星數據質量的要求，有助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。

三、發展展望

《全國森林防火規劃（2016-2025年）》提出了二期規劃總目標，我國將重點實施林火預警監測系統建設[11]。為實現這一目標，需要形成一個將多源遙感監測相結合集成高效、全面靈活的監控體系。我國高分專項衛星的陸續發射和廣泛應用，極大豐富了我國自主的對地觀測數據源。高分六號與高分一號衛星組網運行，大大縮短了數據的更新周期，也彌補了單顆衛星在短期內影像不能覆蓋目標區域的不足。隨著我國高分系列衛星成功發射并投入使用，結合具有亞米級空間分辨率的高分二號和具有分鐘級對地觀測能力的高分四號等衛星數據，可實現對森林火災的實時監測，在時間和空間上為森林火災應急指揮工作提供數據資料和技術保障。與此同時，在未來的森林火災監測體系建設中，還需結合航空監測、地面監測與衛星監測等不同監測平臺，逐步構建天-空-地一體化森林火災監測體系，為我國森林資源高效管理和陸地生態系統可持續發展服務。