衛星遙感火情綜合監測服務應用平臺

中國空間技術研究院 孫秀平

北京空間機電研究所 孫曉敏 徐崇斌

一、火情監測的背景及意義

森林火災極大地影響森林資源安全，造成生態平衡嚴重破壞，威脅生物多樣性，同時，也嚴重損害人民生命財產安全。因此，需要對森林草原火災進行及時、準確的監測與定位。而依靠傳統地面設備、人工服務和航空器對火情進行監測，不僅費用高，存在盲區，而且在時效性及監測精度等方面都較差強人意。

與傳統的火情監測手段相比，衛星遙感火情監測系統以其動態實時監測、更新速度快、覆蓋面積大等優點，已成為火災預防和監測的重要手段，并廣泛應用于森林草原火災的預警、動態監測和災后評估工作。近年來，北京航天創智科技有限公司（以下簡稱“航天創智公司”）的研究團隊發揮航天系統工程優勢，致力于開展衛星遙感火情綜合監測服務系統解決方案的研究工作，開發出衛星遙感火情綜合監測服務應用平臺。該平臺的開發基于高頻次遙感衛星影像數據源，利用衛星遙感技術、大數據智能計算技術，可以對大區域目標特別是邊遠地區和人煙稀少地區進行無死角、全天候、連續實時監控，能夠及早發現早期地面火情，第一時間將報警信息推送至權責人聯系電話上；對于已發現的火情，可以根據下墊面信息自動判定火災類型，對火災的蔓延情況進行連續跟蹤監測，為撲火提供輔助決策信息。同時，該平臺融合了氣象及地理信息系統，可提供各類氣象信息、地理信息，便于輔助進行災后評估、統計分析等工作。圖1為衛星遙感火情監測平臺架構情況。

圖1 衛星遙感火情監測平臺架構

衛星遙感火情監測平臺立足現狀、著眼未來，重點突出“多源數據融合、全自動化智能處理、多手段警報推送、靈活的部署與集成方式”，在火情的早期預警發現、火情蔓延發展監測、災后損失評估上，提供了以消防應急業務流程為核心的成熟、穩定的綜合性解決應用方案。該平臺在標準規范的層面上，參考并遵循最新的國家規范及行業標準，提供標準化的火情監測輸出產品，最大程度滿足各應用管理部門的業務流程需要，降低部署集成成本，提高火情監控的管理效率。

二、平臺服務概述及處理流程

（一）火情平臺服務概述

衛星遙感火情綜合監測平臺的服務主要由后端數據處理和前端展示兩部分組成。地理信息、遙感影像及地物識別分類信息組成平臺后端基礎數據。利用氣象衛星數據，通過遙感算法模型，可準確提取地面異常高溫點，進而判識地面火情。由于單一衛星數據不足以支撐平臺對時空分辨率的要求，因此，利用人工智能技術、大數據技術對多源衛星遙感數據源進行綜合應用分析，保證了監測平臺自動解譯結果的準確性。在該平臺中，對火點的判識、多源數據的整理分發工作，都在后端數據中心服務器完成。經過一系列的數據加工流程，火情信息被及時推送到前端，向用戶展示圖形化運算結果。前端界面目前能夠提供實時監測、歷史回放、應急指揮、災情評估、火情專報、環境污染監測等6項專業模塊化信息服務。

該平臺服務可以有效覆蓋傳統森林草原火情監控的盲區，縮短從起火到發現的報警間隔，智能提供解譯成果并自動生成統計分析報告；利用多源數據，其能同時兼顧火點識別的時間頻次和空間精度；其靈活的部署方式，能夠匹配不同地區及不同部門原有火情監控系統的建設進度，實現“1+1＞2”的共贏生態模式，避免公共資源浪費；除必要的服務端后臺及平臺端界面以外，該平臺還提供包括APP、微信公眾號等便利的信息終端服務，能夠確保報警信息在第一時間傳達。圖2為衛星遙感火情綜合監測服務平臺主界面示例。

圖2 衛星遙感火情綜合監測服務平臺主界面示例

（二）火情監測涉及衛星數據源分析

目前，衛星遙感監測火情主要依靠地球同步軌道衛星，常用的衛星主要有美國的GOES衛星系列、MODIS衛星系列，歐洲的Meteosat衛星系列，日本的Himawari-8系列衛星，國內的風云衛星系列等。衛星傳感器的參數情況詳見表1。其中，Himawari-8衛星能夠提供每10min一次的衛星數據，這對火情的及時發現和控制非常重要，本文所述平臺即以Himawari-8衛星為主進行火情監測，同時接入其他衛星作為輔助，以進一步提高該平臺對火情的監測能力。

表1 衛星傳感器相關參數情況

（三）火情監測處理流程

衛星遙感火情綜合監測服務平臺基于地理信息、遙感影像及地物識別分類信息等基礎信息，在攻克了定位和空間分析準確性等難題的基礎上，利用大數據技術實現了災情評估的無人值守一鍵式報告生成及推送。圖3為平臺數據處理流程圖。

圖3 衛星遙感火情監測處理流程圖

三、技術創新

航天創智公司以空間遙感技術為核心開發的高頻次衛星遙感火情監測平臺，在多遙感數據源融合、遙感數據全自動化解譯處理、氣象遙感數據火點判識等關鍵技術上進行了創新，從整體化、常態化和自動化等3個視角，完成了從技術到應用的轉化。該平臺的主要技術創新點包括以下幾方面。

（一）多源衛星數據融合

近年來，我國政府職能部門陸續應用遙感技術開展對地火點及高溫異常的常態化監測，例如，生態環境部門進行秸稈焚燒監測，林業和草原管理部門進行森林火災監測，應急管理部門進行危險品爆炸事故監測等。可以說，通過遙感衛星對地面火點及高溫異常點的識別，目前已經形成了穩定的市場需求。但是，航天創智公司在進行市場調研的過程中發現，無論是從事技術研究還是承擔監測服務的實施單位，之前普遍使用的數據源基本都是基于美國NOAA/AVHRR和EOS/MODIS數據，鮮有國內的數據產品可以替代。隨著我國遙感技術的自主創新及技術進步，尤其是以“風云”系列、“高分”系列為代表的過程空間遙感衛星星座的入軌及投入運營，無論是技術上還是效益上，國產衛星的數據應用已越來越成為很多用戶的第一選擇，而且，國內數據應用后還可以與國外數據形成優勢互補。例如，以MODIS、“風云”3號衛星為代表的極軌衛星，重訪時間為每天2次，白天、晚上固定時間各1次，在火點識別的應用中，無法做到全時段監控，存在很多的監控時間盲區，但定位精度一般較高；以“風云”4號、“葵花”8號為代表的靜止軌道衛星，雖然空間精度略差，但可實現每10min一次的全時段對地觀測頻次。航天創智公司的技術團隊，創造性地將極軌衛星和靜止軌道衛星兩類多星的遙感數據源作為研究目標，且主要針對國產衛星數據的應用進行技術攻關，同時吸納國外數據應用的成熟經驗，最終形成高低搭配，可同時兼顧對地監控的定位精度和監控頻次。得益于該項技術創新，衛星遙感火情綜合監測服務平臺實現了以下技術指標：監控頻次高，每10min/次，全天144個頻次；識別精度高，可識別面積大于10m×10m的明火。多源衛星數據融合情況如圖4所示。

（二）全自動化的數據處理及火點判別

基于遙感衛星影像技術進行火情監測預警、對地面火點監測的基本原理為運用遙感衛星對地球表面進行連續不間斷的掃描，通過衛星地面站把掃描信息接收下來，再利用計算機對這些信息進行處理。當地面出現火點時，明火處在遙感影像數據中紅外波段的輻射率急劇增高，混合像元亮溫迅速增加，遠紅外通道混合像元亮溫也有所增加，但遠小于中紅外通道。這將造成含有火點的中紅外通道混合像元亮溫明顯高于周邊無火點像元，而遠紅外通道的混合像元亮溫增量與周邊無火點像元的差異一般不明顯，且遠遠沒有中紅外通道高。利用這一特點，即可以準確判識火點信息。

由于現有遙感數據的時間頻次已達分鐘級別，數據量呈指數型增長態勢，傳統使用人工或人機交互的半自動化數據處理技術，已無法匹配衛星數據的更新速度。為突破該瓶頸，航天創智公司技術團隊通過運用云計算、大數據技術，成功研發出一套數據解譯分析系統。通過數據云端分布式存儲、大數據實時自動解算，該系統實現了對海量遙感數據的預處理及自動化火點判別監測。衛星遙感火情綜合監測服務平臺系統后臺目前已實現無人值守，能夠智能識別出火點且結合地理信息系統對熱點進行定位，同時，分析下墊面植被類型及所屬行政區劃單位，主動推送火情報警。該平臺系統具有覆蓋范圍廣（可同時完成對全國范圍內的火點監控）、傳輸時效強（連續監測）的特點，目前，其最大延遲時間（衛星原始數據接收至火點數據提取總時長）不超過15min。圖5為全自動化數據處理流程示意圖。

（三）氣象信息的全方位服務接入

圖4 多源衛星數據融合情況

圖5 全自動化數據處理流程示意圖

無論是森林火險、工廠消防還是秸稈焚燒、草原火災，事故發生前的氣象預警、過程中的應急處置，以及災后的隱患排查，都離不開氣象信息的輔助決策及數據參考。航天創智公司依托股東單位中國航天科技集團有限公司中國空間機電研究所的相關技術儲備，整合行業優質資源，在衛星遙感火情綜合監測服務平臺中提供氣象信息的云服務接入功能，系統后臺接入氣象衛星數據鏈路，自動對數據流進行解譯，其可視化成果通過云服務進行推送，系統前端展示氣象實時/預報/預警專題數據。實時數據包括氣象云圖、氣溫、氣壓、相對濕度、風、降水；預報數據包括氣溫、降水；預警數據包括權威氣象部門發布的火險、暴雨、大風、高溫、雷電、大霧、雷雨大風預警等信息。每年夏季提供實時的雷擊數據每1min更新一次。圖6為平臺系統中顯示的氣溫、降水、相對濕度、氣壓等方面的氣象信息。

（四）遙感數據輔助災情評估

當災害發生的第一時間，及時為消防、應急處置部門提供第一手現場資料；在火情處置過程中，提供可靠的連續數據監控；災后通過多期影像進行損失評估，這些都需要高分辨率遙感衛星影像數據的支持。因此，在衛星遙感火情綜合監測服務平臺中，航天創智公司又根據實際工作需要，開發了災情評估的相關功能模塊。通過服務協議，客戶可獲取火場災前災后兩期或多期遙感影像，對比發現準確過火面積；通過遙感影像非監督分類解譯的方法獲取NDVI值，疊加前期二類調查卡片、林相圖、土地利用現狀圖、土壤類型分布圖、人工林造林設計、驗收圖、經濟林基地建設材料等基礎數據，并結合現場人工實際調查數據，評估災情損失情況。圖7為該平臺輔助數據示例。

四、行業應用

航天創智公司團隊緊跟市場需求，腳踏實地，結合各行業實際應用，不斷完善衛星遙感火情綜合監測服務平臺的功能設計，在項目實踐中，同用戶一起打磨細節、改善流程、完善功能，使技術研究以行業應用為牽引，在項目實踐中對研究成果進行考驗。衛星遙感火情綜合監測服務平臺自推出以來，自主進行了多輪技術迭代，已經在多個行業中實現成功應用。

圖6 平臺系統中顯示的氣象信息

圖7 平臺系統中輔助數據示例

（一）森林草原火災

衛星遙感火情綜合監測服務平臺可為森林草原防火應急指揮提供服務，綜合應用衛星遙感技術（RS）、地理信息技術（GIS）、火點空間精準定位技術（GNSS）等3S技術，在各級基礎空間數據庫、林業草業基礎數據庫和防火數據庫的支持下，采用各種監控手段，及時、準確掌握森林草原火情，通過各種渠道和手段，及時發布高森林火險警報和預警信號，實現森林草原防火動態管理，對撲火指揮和火災損失評估等各環節實行全過程管理，全面提高森林防火管理的現代化水平, 提高公眾在防火方面的參與度，為降低火災發生率和火災損失提供技術支撐，為決策者提供基礎信息、技術支撐保障和決策依據，輔助決策者進行撲火指揮和災后評估，及時、快速、準確地完成撲火救援，并在第一時間提供火災經濟損失評估報告。該平臺基本實現了火災全過程監控，災后全方位、一體化的管控和決策輔助，為建立健全智能化防火體系提供了技術方案。

2019年3月，云南建水發生森林大火，該平臺自動監測到火情的時間是16∶50，而當地森林公安的接警時間為同一天的21∶34。3天后，山西沁源發生“3.29”森林火災，當地接警時間為3月29日13∶10，該監測平臺首次發布王陶鄉山火的預警時間為13∶20。上述案例有力地驗證了該平臺在森林草原火情監測識別的高時空分辨率及高精度定位等方面具有的優勢。圖8為森林草原火災監測年報樣例。

圖8 森林草原火災監測年報樣例

（二）秸稈焚燒

衛星遙感火情綜合監測服務平臺可為生態環保部門提供高頻次、全時段、全區域覆蓋的秸稈焚燒監測服務，將傳統衛星遙感監測手段的時間間隔從12h減少到10min，將數據處理時間從數天降低到15min，將執法處置的響應時間從數小時降低到分鐘級別。該平臺可按時間段、行政區劃、火情類型等，一鍵式自動生成秸稈焚燒報告，且格式規范，數據準確。2019年年底，航天創智公司與黑龍江省某區政府及當地地面火情監測單位聯合，將火情綜合監測服務平臺接入當地大數據中心，與傳統監測手段聯合，共同保障了當地防火季用火安全，確保秸稈焚燒及時發現、及時撲滅。圖9為秸稈焚燒遙感監測年報樣例。

圖9 秸稈焚燒遙感監測年報樣例

（三）電網及管線走廊監控

近年來，隨著電力和石油天然氣管線資源的開發力度加大，越來越多的輸電輸油線路需要穿過高山峻嶺地帶，這些地區獨特的地形地貌、氣候條件極易引發山火。近幾年由山火造成的線路跳閘、停運等事故明顯增多，給電網和輸油管線安全穩定運行帶來了巨大壓力。為切實提高防災減災綜合監測預警和應急處置輔助決策能力，火點及時準確判識成為亟待解決的問題。傳統的山火監測手段是通過眺望塔進行人工實地觀測、飛機巡航、砍伐輸電線路隔離帶等方式來預防山火。這些方法在一定程度上雖然能夠有效避免火勢蔓延，但是，由于缺乏精確的火情數據，以及觀測范圍和觀測次數有限，因此難以及時提供有效的火情應對措施。衛星遙感火情綜合監測服務平臺開發和應用后，以遙感衛星數據為基礎的熱源探測技術為高溫目標的識別提供了更為方便、快捷的監控手段，彌補了人工參與模式的眾多不足，成為目前監測山火目標的重要手段和方式。

五、結論

本文所述衛星遙感火情綜合監測服務應用，是一項基于多源衛星大數據基礎，結合人工智能、地理信息系統，利用云計算及云服務，能夠實現后臺無人值守自動化監測、智能判別火點信息、前臺自動定位，以及主動推送火情報警與相應專題報告的系統化服務體系。目前其應用情況表明，相較于傳統火情監測報警系統，該衛星遙感火情綜合監測服務平臺具有空間智能化程度高、時空分辨率高、定位精度高的優勢，能夠為用戶提供更具有宏觀指導意義的決策信息支持。