MODIS數(shù)據(jù)解譯及其在森林火險(xiǎn)中的應(yīng)用研究

劉蓉 劉平波 吳鑫

摘? 要：中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectrometer，MODIS），是EOS計(jì)劃中一個(gè)重要的傳感器，對(duì)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品在森林火險(xiǎn)中的研究具有重大意義，文章主要介紹了MODIS數(shù)據(jù)解譯方法及MODIS數(shù)據(jù)在森林火險(xiǎn)中的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：MODIS;數(shù)據(jù)解譯;森林火險(xiǎn)

中圖分類號(hào)：TP75? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）03-0177-02

Abstract： Moderate Resolution Imaging Spectrometer（MODIS） is an important sensor in the EOS project， which is of great significance to the research of MODIS data products in forest fire insurance. This paper mainly introduces the interpretation methods of MODIS data and the research progress of MODIS data in forest fire.

Keywords： MODIS; data interpretation; forest fire

前言

1994年，美國宇航局（NASA）啟動(dòng)了對(duì)地觀測(cè)計(jì)劃（EOS）， EOS的核心傳感器是中分辨率成像光譜儀（中等分辨率成像光譜儀），它同時(shí)搭載在Terra和Aqua衛(wèi)星上。它通過X波段直接向世界廣播遙感數(shù)據(jù)。黑體定標(biāo)器、太陽漫射儀、太陽光穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)儀和光譜輻射校正器是MODIS的關(guān)鍵部件。MODIS具有36個(gè)離散的光譜帶，它的空間分辨率為250米、500米和1000米，具備同時(shí)提供反映大氣、陸地、云特性等特征信息，用于長期觀測(cè)全球動(dòng)態(tài)變化等。MODIS儀器由于具有森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)能力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的其它遙感儀器。所以目前對(duì)于森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)主要依賴于MODIS，其產(chǎn)品包括各類火點(diǎn)的識(shí)別、火災(zāi)面積的估算、火災(zāi)釋放能量的估算等，為自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究帶來了新的研究思路和方法。

1 MODIS儀器數(shù)據(jù)格式

1.1 數(shù)據(jù)格式-HDF

HDF（Hierarchical data format）是分層數(shù)據(jù)格式，屬于超文本文件格式，由美國國家高級(jí)計(jì)算應(yīng)用中心NCSA（National Center for Supercomputing Application）研制開發(fā)，HDF因可移植性強(qiáng)、可存儲(chǔ)并處理大數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)類型包括圖像、多維數(shù)組、文本數(shù)據(jù)以及指針等，已作為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，被廣泛用于許多國家和地區(qū)。

1.2 MODIS儀器數(shù)據(jù)產(chǎn)品及分級(jí)

根據(jù)不同的加工技術(shù)，將其產(chǎn)品以HDF格式存儲(chǔ)，可分為0-5級(jí)數(shù)據(jù)，包括3種主要標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型，如地面標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品、大氣標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和海洋標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，可將其分解為44個(gè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型[1]。其中0級(jí)為未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)產(chǎn)品，一級(jí)為賦予了定標(biāo)參數(shù)的L1A數(shù)據(jù)產(chǎn)品，第二級(jí)是在校準(zhǔn)和定位之后的L1B數(shù)據(jù)產(chǎn)品，而第三級(jí)是基于L1B校正邊緣失真的第三級(jí)產(chǎn)品。第四級(jí)產(chǎn)品由參數(shù)文件提供以校正圖像的幾何形狀和輻射，使得圖像的每個(gè)點(diǎn)具有精確的地理編碼、反射速率和輻射速率。第五級(jí)產(chǎn)品是根據(jù)各種應(yīng)用模型開發(fā)的L5產(chǎn)品。

2 MODIS數(shù)據(jù)的解譯方法研究

MODIS L1B數(shù)據(jù)中主要的兩種數(shù)據(jù)對(duì)象SDS和Vdata。根據(jù)HDF軟件庫中HDF底層、HDF應(yīng)用層以及HDF頂層三個(gè)接口層的特點(diǎn)，可以使用SD API接口和VS API接口來管理科學(xué)數(shù)據(jù)集SDS和Vdata[2]。HDF文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被存儲(chǔ)在許多類型中，所以比較復(fù)雜。HDF4文件的函數(shù)庫只支持C語言和FORTRAN語言，系統(tǒng)沒有其他語言讀寫HDF4文件。雖然ArcGIS支持大多數(shù)光柵數(shù)據(jù)格式，但ArcGIS不支持存儲(chǔ)在固定級(jí)別上的HDF數(shù)據(jù)格式。基于C#的HDF4文件中間件在處理MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品時(shí)，解決了C語言不能生成多個(gè)數(shù)據(jù)集HDF4文件的問題，并通過環(huán)保部生態(tài)環(huán)境遙感產(chǎn)品生產(chǎn)子系統(tǒng)項(xiàng)目驗(yàn)證了該中間件的實(shí)用性[3]。

地表反照率反映著地球表面對(duì)太陽輻射的反射能力，同時(shí)它對(duì)地球大氣系統(tǒng)能量平衡的維持也起著關(guān)鍵作用，所以地表反照率在遙感成像和大氣輻射傳輸研究應(yīng)用比較廣泛。使用C++語言進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的查詢軟件，數(shù)據(jù)源為MODIS遙感數(shù)據(jù)，軟件可以查詢地表反照率經(jīng)緯度。功能有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)、經(jīng)緯度坐標(biāo)獲取、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及查詢地表反照率等[4]。建立了我國大陸地區(qū)地表反照率數(shù)據(jù)庫，并可以做到根據(jù)經(jīng)緯度參數(shù)查詢得到某一具體地理位置的反照率。大多采用門戶網(wǎng)站提供MODIS的數(shù)據(jù)方式是HDF文件縮略圖及下載服務(wù)，李雙青等在.net平臺(tái)下，基于REST風(fēng)格，使用GDAL開源庫，實(shí)現(xiàn)了MODIS數(shù)據(jù)服務(wù)和簡單預(yù)處理成果數(shù)據(jù)服務(wù)功能，從而更好地為用戶提供遙感數(shù)據(jù)服務(wù)[5]。Dwyer M J等人利用腳本表單R語言，綜合利用http協(xié)議、MRT（MODIS重新投影工具）工具[6]和其他有效的處理工具，以實(shí)際數(shù)據(jù)產(chǎn)品為例，分析出MODIS官方數(shù)據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)流程、實(shí)現(xiàn)機(jī)制和過程[7]。

3 基于MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品的森林火災(zāi)相關(guān)研究

林業(yè)作為我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，也是我國重要的公益事業(yè)。開展森林火災(zāi)研究對(duì)保護(hù)森林資源、促進(jìn)生態(tài)建設(shè)及可持續(xù)發(fā)展具有長遠(yuǎn)意義。遙感技術(shù)應(yīng)用在森林防火工作各個(gè)階段也越來越深入。在預(yù)防期，根據(jù)可燃物所處氣象特點(diǎn)、地形、干燥指數(shù)和濕度、類型等特點(diǎn)預(yù)報(bào)森林可燃物的危險(xiǎn)性。森林火災(zāi)發(fā)生后，有關(guān)單位和部門要組織人力資源，及時(shí)對(duì)火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、原因、損毀面積和堆積物、撲救情況、物資損失、投入和傷亡等進(jìn)行評(píng)估，為災(zāi)后清理提供更科學(xué)的依據(jù)，植被恢復(fù)、火災(zāi)事故鑒定和宏觀決策部門。因MODIS數(shù)據(jù)免費(fèi)，價(jià)格低廉且易于獲取，使得其在這一領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)非常明顯。最主要的是時(shí)間和空間分辨率非常適用于森林火災(zāi)預(yù)警和災(zāi)害監(jiān)測(cè)。

MODIS數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)使得MODIS數(shù)據(jù)在森林防火中得到了廣泛的應(yīng)用。來自美國航天局的戈達(dá)德個(gè)航空航天中心的Coffman博士領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)研究小組，研究在非洲和巴西的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中，基于MODIS數(shù)據(jù)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)算法的應(yīng)用。聯(lián)合環(huán)境監(jiān)測(cè)部門，美國一些大學(xué)對(duì)全球森林火災(zāi)進(jìn)行日常監(jiān)測(cè)，并利用地理信息系統(tǒng)發(fā)布監(jiān)測(cè)結(jié)果。

利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)基本原理遵循斯蒂芬-波爾茲曼定律，周小成等利用我國9起森林火災(zāi)事件驗(yàn)證了基于MODIS的火點(diǎn)識(shí)別理論，并分析認(rèn)為：MODIS火點(diǎn)識(shí)別理論算法在我國是可行的，但由于區(qū)域和季節(jié)的變化，將錯(cuò)過低溫陰燃的熱點(diǎn)[8]。基于MODIS數(shù)據(jù)，盛世杰構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量數(shù)據(jù)集，用于生成具有很強(qiáng)識(shí)別火災(zāi)痕跡能力的火災(zāi)特征數(shù)據(jù)集。利用SGB（Stochastic Gradient Boosting）算法即隨機(jī)梯度算法進(jìn)行森林火燒跡地提取，分析總結(jié)了火場(chǎng)的時(shí)空變化。用MODIS比較火災(zāi)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品和地面數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和評(píng)價(jià)[9]。周利霞等利用MODIS數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個(gè)火點(diǎn)指數(shù)FPI，修正火點(diǎn)提取精度利用的是歸一化植被指數(shù)（NDVI），通過研究去除了地表不是植被、或植被稀少的不足以引起火災(zāi)的區(qū)域，有效減少了因裸土或城市熱島引起的誤判。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證分析，相對(duì)于MODIS絕對(duì)火點(diǎn)識(shí)別算法，F(xiàn)PI-NDVI的方法精度及提取速度都有提高[10]。

利用灰色建模理論，獲取數(shù)據(jù)后，李勇等將八叉樹理念運(yùn)用到林火蔓延邊界重心確定過程，將穩(wěn)健估計(jì)引入到灰色理論建模中，為了保證林火蔓延模型的建模精度，提出了ER算法和LIR算法[11]，首次提出基于灰色林火蔓延模型的改進(jìn)元胞自動(dòng)機(jī)模型的概念。以云南昆明林火進(jìn)行識(shí)別研究，以MODIS L1B數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源[12]，經(jīng)過數(shù)據(jù)識(shí)別，預(yù)處理數(shù)據(jù)，提取火點(diǎn)背景信息、火點(diǎn)確認(rèn)、林地提取、最后進(jìn)行火點(diǎn)識(shí)別。為高山峽谷地區(qū)的西南林區(qū)火災(zāi)監(jiān)測(cè)和損失評(píng)估提供科學(xué)合理的依據(jù)。在森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)中，氣象資料，如溫度和相對(duì)濕度，植被資料，如生、死可燃物濕度，植被指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，植被綠度等，都可以從MODIS獲取。周永寶利用以上因子，輸入火險(xiǎn)模型并得到火險(xiǎn)指數(shù)圖。同時(shí)結(jié)合云南省實(shí)際情況，從MODIS數(shù)據(jù)中依次得到與火災(zāi)密切相關(guān)的溫度、濕度、可燃物種類、數(shù)量、含水量等參數(shù)因素，建立了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)模型[13]，并通過實(shí)際森林火災(zāi)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的可行性。森林火點(diǎn)檢測(cè)算法很好地提高了火點(diǎn)檢測(cè)的精度。通過分析選擇MODIS數(shù)據(jù)的波段和應(yīng)用參數(shù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到每個(gè)MODIS通道的值，并根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)與背景像素之間特征參數(shù)的類方差閾值判斷是否存在著火點(diǎn)，提出了一種基于類間方差的火點(diǎn)識(shí)別算法對(duì)林火進(jìn)行監(jiān)測(cè)[14]，有效地消除了背景圖像元素特征參數(shù)大小對(duì)判斷結(jié)果的影響，避免了傳統(tǒng)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法中火點(diǎn)和漏判的誤判。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及森林對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)開展大范圍的反演研究是其中一個(gè)重要領(lǐng)域。隨著應(yīng)用的普及，對(duì)MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)解譯研究具有重大意義，對(duì)L1B數(shù)據(jù)的特征進(jìn)行了分析，以及數(shù)據(jù)提取方法的研究，綜合說明了MODIS數(shù)據(jù)在林業(yè)、海洋、大氣等相關(guān)自然災(zāi)害的數(shù)據(jù)解譯和反演研究進(jìn)展。

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