多源遙感數據在森林火災應急監測中的應用

文 | 劉錕 歐陽斯達 李鴻洲 李敏敏 高欣圓自然資源部國土衛星遙感應用中心

一、引言

森林資源是陸地生態系統的重要單元，對全球環境和氣候有重大影響，而森林火災是造成森林破壞的主要方式之一[1]。作為一種突發性、破壞性大、處置救援較為困難的自然災害，森林火災的發生位置、火場發展變化趨勢及面積等信息是開展應急決策、部署火災撲救力量的重要信息[2]。衛星遙感技術具有宏觀、快速的優勢，能夠為森林火災應急處置提供準確、及時的監測信息。然而由于遙感影像空間分辨率、光譜分辨率及時間分辨率間存在相互制約的關系，為滿足森林火災監測在時效性、準確性等方面的需求，需要利用不同衛星的優勢互補，開展森林火災應急監測[3]。本文利用高分一號02、03、04星數據，結合高分四號凝視衛星的中紅外數據及單日多次成像特點，探討了一種在森林火災監測中綜合應用多源遙感數據，及時開展火場定位、發展趨勢監測及過火面積分析的技術方法。

二、數據源及監測應用

1.數據源

（1）高分一號02、03、04星

高分一號02、03、04星衛星星座是我國高分辨率民用遙感系列衛星的重要組成部分，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，并于當年10月交付自然資源部使用，可為自然資源監測管理提供有效的數據保障，其主要技術參數如表1。

表1 高分一號02、03、04星及高分四號衛星主要技術參數

作為我國首個民用高分辨率光學業務衛星星座，采用三星組網的方式可實現3星15天全球覆蓋、2天重訪，能夠長期、連續、穩定、快速地獲取2m全色及8m多光譜影像。與高分一號衛星相比，該星座提高了衛星量化位數及信噪比，顯著提升了圖像質量；無控定位精度由50m提高至25m；側擺機動時間由200s減少至150s，單日成像圈數由8圈提升至14圈，數據獲取能力大大提高；首次采用低軌對月定標，降低了對地面校正系統的依賴；三顆衛星搭載的6臺相機輻射響應一致性誤差小于3%，具備良好的組網拍攝能力[4]。高分一號02、03、04星在火災發生后，其三星組網及高效側擺能力能夠及時獲取火場高分辨率影像，其較高的無控定位精度有助于迅速開展火場定位及過火面積評估，直觀地展示火場情況，為應急處置及部署提供影像參考。

（2）高分四號

高分四號衛星于2015年12月29日在西昌衛星發射中心成功發射，是我國第一顆地球靜止軌道高分辨率光學遙感衛星，搭載了一臺可見光50m/中波紅外400m分辨率、大于400km幅寬的凝視相機，采用面陣凝視方式成像，具備可見光及中紅外成像能力，設計壽命8年，通過指向控制，實現對中國及周邊地區的觀測，其主要技術參數如表1。

高分四號衛星具備普查、凝視、區域、機動巡查4種主要觀測模式，滿足不同情景下的觀測需求；憑借靜止軌道優勢，可隨時接收指令并下傳數據，實現一天多次可見光成像，并具備夜間中紅外成像能力。高分四號衛星的大范圍、高頻次、多通道觀測數據為災害風險預警預報、林火災害監測、地震構造信息提取、氣象天氣監測等業務提供了重要支撐，開辟了我國地球靜止軌道高分辨率對地觀測的新領域[5]。火情發生后，在高分四號可見光影像中可見濃煙，在中紅外影像中可見顯著高亮，能夠實現對火場位置的快速定位及火場變化情況的持續監測。

2.森林火災應用監測

（1）應災數據獲取及處理

為滿足高效準確的災前數據查詢及災后數據拍攝獲取需求，需要基于開放性的面向服務的結構體系設計理念，構建包括基礎設施層、數據層、業務層和表現層的數據管理系統，實現當森林火災發生后，第一時間在海量存檔數據中查詢滿足需求的影像數據，并實現該數據在生產、解譯、制圖和分析等環節的實時同步獲取。利用獨立于日常衛星觀測計劃編制作業的應急拍攝通道，針對應急目標預報所掌握衛星資源未來2～120小時的衛星星下點運行軌跡，結合各星的側擺機動能力，對多星的過境拍攝進行任務協同，消解多星多任務及接收資源使用沖突，對已編制或已下發的觀測計劃進行修訂，對未編制的計劃進行應急任務預留，保障災后數據的持續性獲取。

數據處理工作首先是開展災前高分辨率影像的糾正、融合和鑲嵌等處理，得到火場的災前影像。隨后對快速獲取的高分四號衛星影像進行粗校正和定位，以獲取火場最新的情況及影響范圍。對于災后高分一號02、03、04星影像，需要與災前影像進行精細化匹配和糾正處理，選取適合的融合算法進行影像融合處理，選取適當的光譜譜段組合，提取火災影響范圍。數據處理的成果主要面向兩類應用：一是用于后續解譯分析的影像成果；二是災前災后變化區域的影像制圖成果，可直觀展示或反映應急事件的影響。

（2）森林火災火點監測

森林火災發生在山地林區，很多火場距離居民點較遠，缺少必要的進入道路，難以迅速發現火情。而山區植被茂密，風向多變，火情發現不及時會顯著提高其擴散的范圍和不確定性，大大提升撲救難度，進而帶來更大的生態、經濟甚至人口損失。由表1可知，高分四號中紅外波長范圍為3.50～4.10μm，處于森林火災的輻射峰值，可使用該波段對火點進行監測。利用高分四號高頻次大范圍的成像能力，可以快速檢測新火點，結合可見光波段的煙火表現，可以實現對不易進入的山地林區火災的及時監測，利用遙感技術的優勢主動開展應急監測。圖1為2020年4月1日，利用當日獲取的高分四號數據發現云南永仁縣白馬河林場附近出現火點，立即向相關主管部門及云南省一線報送了火點位置，并啟動了應急監測。

圖1 云南永仁縣森林火災監測

采用該方法，2020年3月以來，持續對山西、四川、云南等多地森林火災進行了快速發現和定位，有效地為后續森林火災持續監測及高分辨率衛星編程獲取工作提供了位置信息。

（3）火場發展態勢監測

因此，利用高分四號衛星高頻次全天成像能力，采用長時間序列中紅外數據，能夠實現對火點發展變化的長時間動態監測。圖2為利用3月30日至4月2日拍攝的12期高分四號中紅外波段數據開展的四川西昌森林火災火場發展變化監測，可以看到火災由3月30日下午開始發展，3月31日上午顯著減弱，經過3月31日下午的一次明顯復燃，至4月2日逐漸撲滅的過程。

圖2 四川西昌森林火災火場發展遙感監測變化圖

（4）森林受損情況監測

高分四號中紅外數據分辨率400m，可見光分辨率50m，能夠滿足火點定位及火場發展變化趨勢監測的需求，然而過火面積提取等森林受損情況監測，需要在更高分辨率的影像數據支撐下才能順利開展。利用高分一號02、03、04星數據，能夠生產最高2m分辨率的多光譜融合影像，具備良好的目視可讀性，為勾畫火災影響范圍、精細識別過火區提供了可靠的數據保障；星座的波段設置可以生產歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），通過輻射校正等處理后，能夠為自動提取并分析植被受損情況等監測需求提供數據支撐。圖3為四川木里縣“3.28”森林火災截至4月1日的森林受損情況監測圖，從圖中可以清晰地看出森林火災影響的范圍，并可在該范圍中識別火燒跡地及未燃燒的植被，同時也可以根據濃煙的位置判斷火勢嚴重區域，對后續森林受損情況進行預判，合理部署應急處置力量。

圖3 四川木里森林火災4月1日森林受損情況

三、總結及展望

森林火災是影響森林生態系統最為嚴重的災害之一，嚴重威脅周邊經濟、生態及人口安全。對森林火災的快速發現及定位，能夠為及時開展應急處置、安排后續遙感觀測提供重要的區位參考信息；而火場的變化趨勢及森林受損情況監測，能夠為評估火災損失、合理部署救援力量提供客觀、有效的數據支持。遙感技術具備大范圍、周期性、綜合觀測等特點，是開展森林火災遙感監測的有效手段。由于遙感平臺及傳感器實際條件的限制，影像的空間、時間及光譜分辨率互相制約，在實際應用中應盡量綜合不同衛星數據的優勢，滿足森林火災監測的具體需求。

本文探討了一種綜合利用高分四號衛星一天多次、中紅外成像能力及高分一號02、03、04星的2m分辨率數據高效獲取能力，開展森林火災應急監測的技術方法。該方法在2020年3月以來的多次森林火災應急遙感監測工作中，及時定位了偏遠山地林區的火點位置，實現了對火場變化情況的一天多次連續監測，并支撐了森林受損情況的準確評估，及時為相關管理部門及救災一線單位提供了數據及信息服務，取得了良好的應用成果。

為了進一步發揮多源遙感數據在森林火災遙感監測中的應用潛力，應通過進一步完善數據快速幾何校正或配準技術，保證多源衛星數據具備正確、一致的空間定位，實現多源數據在統一的空間坐標系內準確疊合，保障相關空間分析工作及時、順利展開。同時，還應推進高分四號、高分一號02、03、04星等國產衛星數據的輻射校正及質量改進方法研發，提升數據的輻射質量，圍繞特定數據源研發反演模型等相關技術方法，提升監測結果的有效性，逐步形成高效準確的自動監測及分析能力。