靜止衛(wèi)星森林草原火情監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用

文 | 溫濤 劉博遠(yuǎn) 石劍岳 葛錫志 陳爍

中科星圖股份有限公司

一、應(yīng)用背景

我國(guó)幅員遼闊，森林草原分布范圍廣泛，森林草原火災(zāi)時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)1950-2015年均森林火災(zāi)次數(shù)1.1萬(wàn)次，年均面積56.3萬(wàn)公頃，死亡110人，傷1000余人。2018年，全國(guó)共發(fā)生森林火災(zāi)2478起。其中，一般森林火災(zāi)1579起、較大森林火災(zāi)894起、重大森林火災(zāi)3起、特大森林火災(zāi)2起，受害森林面積16309公頃，因?yàn)?zāi)造成人員傷亡39人（含死亡23人），國(guó)家、人民的生命和財(cái)產(chǎn)遭受了巨大損失。為從總體上減少損失，我國(guó)建設(shè)了包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、航空監(jiān)測(cè)、近地面觀測(cè)和地面巡邏四個(gè)層次的立體森林草原火情監(jiān)測(cè)體系。其中，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)手段憑借其覆蓋范圍廣、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)，已成為全國(guó)火情日常業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)的一種重要技術(shù)手段。衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測(cè)通常采取靜止氣象衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星兩種監(jiān)測(cè)手段，其中靜止衛(wèi)星具有高時(shí)效性，極軌衛(wèi)星具有較高的空間分辨率。然而，過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，由于當(dāng)時(shí)的靜止氣象衛(wèi)星傳感器的空間分辨率低、探測(cè)通道少，森林火災(zāi)不得不依賴(lài)極軌氣象衛(wèi)星進(jìn)行火點(diǎn)監(jiān)測(cè)，而極軌衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)方法在時(shí)效性方面依舊不能夠滿足林火監(jiān)測(cè)的需要。近年來(lái)，歐洲氣象衛(wèi)星第2代/第3代（MSG/MTG）、日本向日葵八號(hào)、九號(hào)（Himawari-8/9）、美國(guó)地球靜止業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星十六號(hào)、十七號(hào)（GEOS-16/17）、中國(guó)風(fēng)云四號(hào)A星（FY-4A）、高分四號(hào)衛(wèi)星（GF-4）、地球靜止軌道-韓國(guó)多用途衛(wèi)星2A（GK-2A）等新一代靜止氣象衛(wèi)星相繼投入使用，其搭載的可見(jiàn)光和紅外傳感器在空間時(shí)間分辨率和光譜設(shè)置方面有了顯著提高，進(jìn)一步提升了森林草原火情監(jiān)測(cè)的空間分辨能力。

中科星圖股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科星圖）在GEOVIS數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)的基礎(chǔ)上致力于靜止衛(wèi)星森林草原火情遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)研發(fā)與攻關(guān)，使用FY-4A、GF-4、Himawari-8等靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理、火情判識(shí)與提取、火情監(jiān)測(cè)產(chǎn)品制作等流程實(shí)現(xiàn)對(duì)森林草原火情的大范圍、高頻次監(jiān)測(cè)，結(jié)合現(xiàn)有的森林草原火情監(jiān)測(cè)體系，為應(yīng)急管理部、國(guó)家森林草原防滅火指揮部辦公室、各省級(jí)防滅火指揮部辦公室等單位提供高效、準(zhǔn)確的火情監(jiān)測(cè)服務(wù)。

二、靜止衛(wèi)星森林草原火情監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)

中科星圖發(fā)揮GEOVIS數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)優(yōu)異的兼容性、擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì)，結(jié)合森林草原火情監(jiān)測(cè)具體業(yè)務(wù)，采用深度學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)，基于FY-4、GF-4、Himawari-8等靜止軌道衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行靜止衛(wèi)星森林草原火情遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)平臺(tái)）建設(shè)，為森林草原火情遙感綜合監(jiān)測(cè)提供支撐，平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖 1 靜止衛(wèi)星森林草原火情遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)圖

靜止衛(wèi)星森林草原火情遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)主要分為基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)支撐層、應(yīng)用層等四層。

（1）基礎(chǔ)支撐層

為系統(tǒng)提供相應(yīng)的計(jì)算、存儲(chǔ)等資源，同時(shí)利用數(shù)據(jù)專(zhuān)線連接中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，申請(qǐng)GF-4衛(wèi)星數(shù)據(jù)、定制拍攝申請(qǐng)、下載數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)專(zhuān)線連接中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心，獲取其推送的FY-4衛(wèi)星數(shù)據(jù)和日本Himawari-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)，預(yù)留韓國(guó)GK-2A衛(wèi)星數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接收接口。

（2）數(shù)據(jù)層

包括基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)、衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、衛(wèi)星影像歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、林區(qū)資源區(qū)劃數(shù)據(jù)庫(kù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，為平臺(tái)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）服務(wù)支撐層

GEOVIS數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)具備統(tǒng)一時(shí)空的基準(zhǔn)以及算法集成框架，可以承載FY-4數(shù)據(jù)預(yù)處理、GF-4數(shù)據(jù)預(yù)處理、Himawari-8數(shù)據(jù)預(yù)處理算法以及火點(diǎn)判識(shí)與提取算法、非火情熱異常點(diǎn)排除算法，同時(shí)預(yù)留GK-2A數(shù)據(jù)預(yù)處理算法接口，為上層應(yīng)用提供服務(wù)支撐。

（4）應(yīng)用服務(wù)層

基于服務(wù)支撐層，按照“微內(nèi)核+插件”的技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)火情監(jiān)測(cè)專(zhuān)題產(chǎn)品制作、火情監(jiān)測(cè)產(chǎn)品發(fā)布、火情監(jiān)測(cè)信息綜合展示與核查反饋等應(yīng)用。

三、平臺(tái)主要功能

1.靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用智能降噪等方法識(shí)別并去除原始影像數(shù)據(jù)壞點(diǎn)，集成輻射校正、大氣校正、幾何精糾正、正射校正、波段合成、增強(qiáng)/濾波、投影/坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、圖像定位等算法模型，實(shí)現(xiàn)GF-4、FY-4、Himawari-8等靜止衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，生成可直接用于火情信息提取的高精度產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

2.火情信息判識(shí)與提取

基于火點(diǎn)和非火點(diǎn)像元時(shí)序特征，根據(jù)對(duì)火敏感的通道亮溫的時(shí)相變化，即利用相鄰時(shí)次的通道亮溫差值，并結(jié)合其他波段的特性，進(jìn)行波段組合運(yùn)算，設(shè)定閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)晴空條件下陸地火點(diǎn)的檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)影像出現(xiàn)異常，如大量高層云、中低層云覆蓋，地面洪澇災(zāi)害和太陽(yáng)耀斑影響等，系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化火點(diǎn)識(shí)別模型參數(shù)，提示用戶和管理人員進(jìn)行人機(jī)交互，調(diào)整火點(diǎn)識(shí)別參數(shù)，提高火點(diǎn)識(shí)別精度。建設(shè)異常火點(diǎn)庫(kù)，自動(dòng)更新異常火點(diǎn)信息數(shù)據(jù)，提升火情信息判識(shí)準(zhǔn)確率。

3.火情監(jiān)測(cè)產(chǎn)品制作

通過(guò)對(duì)衛(wèi)星林火判識(shí)結(jié)果進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，結(jié)合基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)火情監(jiān)測(cè)專(zhuān)題產(chǎn)品的制作（包括火情監(jiān)測(cè)專(zhuān)題圖、火點(diǎn)強(qiáng)度專(zhuān)題圖以及火情監(jiān)測(cè)報(bào)告等），并依據(jù)多時(shí)次衛(wèi)星影像及火情信息，制作火情演變動(dòng)畫(huà)，動(dòng)態(tài)反映重要火情火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展蔓延過(guò)程。圖2為利用Himawari-8監(jiān)測(cè)到的四川省西昌市2020年3月30日15時(shí)和16時(shí)的火點(diǎn)信息。

圖 2 四川省西昌市火點(diǎn)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)圖

4.火情監(jiān)測(cè)成果發(fā)布與推送

與移動(dòng)終端APP結(jié)合，實(shí)現(xiàn)火情監(jiān)測(cè)信息的發(fā)布和核查反饋信息的上傳，為各級(jí)業(yè)務(wù)部門(mén)聯(lián)合進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)以及火情核查提供技術(shù)支撐。

四、平臺(tái)主要優(yōu)勢(shì)

（1）快速高效的數(shù)據(jù)處理能力

本平臺(tái)基于GEOVIS數(shù)字地球基礎(chǔ)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，采用存算一體化、混合異構(gòu)計(jì)算等多種并行計(jì)算策略，實(shí)現(xiàn)了海量靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)全自動(dòng)、高效率、高精度的快速處理和實(shí)時(shí)響應(yīng)。

（2）智能精準(zhǔn)的火情判識(shí)

平臺(tái)采用深度學(xué)習(xí)、決策樹(shù)等人工智能技術(shù)，通過(guò)自適應(yīng)的調(diào)整火情識(shí)別算法閾值參數(shù)，有效提高了火點(diǎn)判識(shí)的靈敏度，結(jié)合自動(dòng)更新的異常火點(diǎn)庫(kù)，剔除非火情點(diǎn)干擾，進(jìn)一步提高了火點(diǎn)判識(shí)的準(zhǔn)確率。

（3）實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的火情推送

平臺(tái)與安卓APP結(jié)合，將熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的推送給轄區(qū)內(nèi)基層護(hù)林員，同時(shí)接收護(hù)林員的核查反饋信息，更新平臺(tái)異常火點(diǎn)庫(kù)，以進(jìn)一步提升火情判別算法準(zhǔn)確率。

五、結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)，靜止衛(wèi)星森林草原火情遙感監(jiān)測(cè)服務(wù)平臺(tái)將與其他包括極軌衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、航空監(jiān)測(cè)、近地面觀測(cè)和地面巡邏火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)協(xié)作配合，構(gòu)建立體的森林草原火情監(jiān)測(cè)體系，為各級(jí)防火部門(mén)實(shí)現(xiàn)“打早、打小、打了”提供有力支撐，為提高森林草原防火能力發(fā)揮積極作用。