高分四號衛星在森林火災監測中的應用——以2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災為例

文|胡心雨 蔣鳳 黃水生 楊馨媛 覃先林

1.中國林業科學研究院資源信息研究所

2.國家林業和草原局林業遙感與信息技術重點實驗室

一、引言

森林廣泛分布于陸地表面，是最為重要的陸地生態系統。火作為自然環境的重要干擾因子，其影響具有兩面性，小尺度低強度的火對森林生態系統常具有積極影響性，如促進植物再生發芽、加速枯落物營養礦化、增加本地物種豐富度等；而大尺度高強度的火則多具負面性，如減少森林自然資源，摧毀植被分布結構，破壞原有生態平衡等[1-3]。森林- 城鎮交界域是荒野（無人居住的土地）和人類活動開發的土地之間的過渡區域，也即人類環境與自然環境相遇或交織的區域[4-5]，國內外研究表明，交界域森林火災發生風險更大[6-7]。近年來我國城鎮化發展持續推進，森林- 城鎮交界域面積不斷增大，伴隨全球氣候變化加劇，多地極端天氣頻發，森林火災防治形勢日趨嚴峻。我國西南地區山多林密，城鎮村莊多沿山川而建，建筑民居散落分布，人類活動頻繁，是典型的森林- 城鎮交界域聚集區域，森林火災發生風險高，且該地區大多山高坡陡，地形復雜，交通不便，森林火災的早期發現和后續撲救等工作相對困難。衛星遙感以其覆蓋范圍廣、采集數據快、受限條件少等特點，已被證實是森林火災宏觀監測的重要手段之一[8-11]。如何充分利用高分四號衛星不同傳感器的優勢，實現森林火災持續動態監測，為該地區森林火災預警及撲救等災害防治提供相應科學決策支持的問題亟待解決。

二、火情動態監測方法

煙霧和著火點是森林可燃物燃燒過程的伴生現象，直接反映森林火災發生發展態勢，是實現衛星遙感火情動態監測的主要關注對象，對于森林火災發生預警、蔓延預測等至關重要[12-13]。衛星傳感器的可見光-近紅外波段常常可以較好地反映煙霧、火燒跡地等狀態信息[8]，煙霧的分布狀況（位置、范圍和形狀）變化間接反映火場即時風向，也即火場蔓延趨勢方向，尤其在中高空間分辨率的多光譜影像更為明顯；衛星傳感器的中遠紅外波段區間對于異常高溫熱點（如著火點）較為敏感，其影像上的著火點信息可反映森林可燃物燃燒狀況[8]。本文利用具有多光譜傳感器和中波紅外傳感器的高分四號衛星，將煙霧、著火點和過火區域等多種火場即時信息相結合，利用其中波紅外波段數據進行著火點識別來監測森林火災的發生及火場燃燒狀況，利用其多光譜數據進行煙霧擴散方向判別進而推斷火災蔓延方向，并利用其不同時間監測的過火區域發生的變化，結合氣象、地形等數據進行輔助補充并相互驗證。綜合利用該衛星不同類型傳感器的信息感知優勢，實現對森林火災不同階段火場即時信息持續動態監測，為森林防火和消防管理部門指導森林火災綜合風險監測預警、應急救援處置提供快速準確的輔助決策信息，切實提升衛星遙感技術對森林防火管理的支撐力度。

三、云南安寧“4·13”森林火災監測

1.火災概況

2023 年春季以來，云南省遭遇了1961 年以來平均強度最強、干旱日數最多、范圍最廣的嚴重氣象干旱，降水減少，氣溫上升，可燃物干燥，多地發生森林火災。4 月13 日16 時21 分，安寧市溫泉街道官莊村北側發生森林火災，其火場地形條件如圖1 所示，該區域城鎮村莊多依山川走勢而建，呈條帶狀分布于山腳河岸等處，混合型和交界型兩種森林-城鎮交界域均有存在。地勢北高南低，最大高差約為500m，村莊位于南部海拔較低處，平均海拔約為1800m；山頂位于北部海拔較高處，平均海拔約為2300m。坡度類型南北不同，南部多為緩坡和斜坡，坡度大小5°~25°；北部多為陡坡和急坡，坡度大小25°~45°，山頂附近常有險坡，坡度大小55°以上。坡向類型多為陽坡，以東南坡- 南坡- 西南坡為主。植被隨海拔變化分布各異，山腳多為闊葉純林，山腰多為針闊混交林，山頂多為灌叢化的針葉純林。如圖2a、2b、2c 所示為不同海拔植被分布狀況。此外，該區域春夏季多為西南風，經收集統計火災發生過程氣象數據（具體信息見表1），該區域除14 日晚至15 日晚風向為東北風/東南風/東風外，其他時段均以西風/西南風為主。

表1 2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災期間氣象數據信息表（白天/夜晚）

圖1 2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災火場地形分布圖（圖1a 為地形三維可視化圖，1b、1c、1d 分別為海拔、坡度、坡向分布圖）

2.數據及處理

高分四號衛星是我國第一顆地球靜止軌道高分辨率對地觀測衛星，其搭載的50m 空間分辨率全色多光譜傳感器（PMS），可用于煙霧及過火區域識別，400m 空間分辨率中波紅外傳感器（IRS）可用于著火點識別[14-15]，兩者結合可用于森林火災態勢分析。對云南省安寧市森林火災動態監測選取的高分四號衛星數據，時間跨度涵蓋整個火災燃燒周期（2023年4 月12 日至19 日），共有8 景GF-4 PMS 影像和44 景GF-4 IRS 影像；其中GF-4 PMS 影像經過輻射定標、大氣校正、正射校正及幾何精校正等處理，生成地表反射率數據；GF-4 IRS 影像經過輻射定標、亮溫計算、正射校正及幾何精校正等處理。輔助數據為土地利用類型數據、氣象數據、地形數據及調查數據等。

3.火情態勢分析

圖3 為利用GF-4 PMS 影像處理生成的地表反射率數據，先采用紅-綠-藍真彩色合成方式來增強煙霧區域，進而對該火場即時風向及火場蔓延方向進行判定，再采用紅-近紅外-綠假彩色合成來辨識過火區域，進而對以上火場蔓延方向進行驗證；圖4 為基于GF-4 IRS 影像處理生成的亮度溫度數據生成的著火點結果，以此來判斷火情燃燒狀況，并根據火場變化驗證前期火場蔓延預測方向。結合圖3 和圖4 可見，云南安寧“4·13”森林火災發展可分為初發、緩增、散發、聚集和漸熄五個階段，以下基于時序對不同階段火情態勢進行具體分析。

圖3 GF-4 PMS 影像煙霧及過火區域合成結果圖

圖4 GF-4 IRS 影像火點識別結果圖（時段為衛星過境采集數據臨近整點時間；Invalid data 表示沒有數據）

初發階段：4 月12 日全天影像呈現該區域亮溫分布及變化情況，可見城鎮村莊與森林植被間在各時段均存在相對溫差，城鎮部分區域亮溫值均較高，當日13 時37 分森林植被區域未出現煙霧，也無火燒痕跡。13 日16 時37 分，從IRS 影像上可見森林植被區域首次出現小范圍亮溫異常，同時官莊村北側森林植被區域出現煙霧，自煙點源頭向東北方向擴散，過火區域火燒痕跡較弱，在PMS 影像上不易識別，推測此時起火時間較短，火災尚在初始發生階段。

緩增階段： 13 日晚20 時02 分，火場自起始火點向東北方向擴大，火場形狀似橢圓形。到14日4 時52 分，火場南北兩翼火勢減弱，一是因為氣象及地形原因，南北側海拔變化，而此時風向為西南風，因風借勢火場形似橢圓；二是南側為村莊，撲火隊員人為遏制蔓延；到8 時07 分，火線向北側抬頭，開始向森林深處蔓延；10 時37 分，火場繼續向東北方向擴大，火場呈貓爪狀，北側三處高溫區域，南側一處高溫區域；同時煙霧區域持續擴大，冒煙處位于西南角，劇烈燃燒產生的濃煙向東北方向擴散開來，經過一天燃燒，早期煙點東北側植被被燒形成了過火區域；晚20 時02 分，火場仍向東北方向持續擴大，南側火勢減弱。

散發階段：15 日4 時52 分，火場化整為零分散四處；8 時07 分火場火勢均有所減弱，北側兩處僅有些許異常熱點可見，南側兩處則幾乎消失殆盡；10 時37 分火場火勢再次加強，恢復至四處火場；13 時37 分，四處火場開始向西北方向蔓延，大有連片之勢，火場面積不斷增大，此時冒煙處位于東南角，擴散方向轉為西北方向，前兩天過火區域西北側開始出現火燒痕跡；16 時37 分，火場上空出現云層遮擋，但仍可見有四處異常高溫區域；20 時02 分，火場火勢較14 時明顯減弱，僅剩三處分界明顯的異常高溫區域；14 日晚至15 日晚全天火場火勢呈現減弱- 增強- 減弱趨勢，這可能是由于15 日伴隨有多次陣雨所致。16 日4 時52 分，南側和東北側火場火勢基本熄滅，西北側火場火勢也有所減弱，該火場東南邊和東邊存在三處潛在火點；8 時07 分，原北側火場及其附近潛在火點火勢加強；至10 時37 分火勢略有減弱；13 時37 分，所有火場火勢又有所增強，此時煙霧自西南向東北方向擴散；16 時37 分，東南側兩處火場減弱至熄滅，西北側火場東西兩翼有減弱趨勢；20 時02 分，火勢再次減弱，西北側最大火場呈現條狀分布。

聚集階段：17 日4 時52 分，原火場火勢較16日晚再次減弱，數量由三處縮減為南北兩處；7 時27 分，北側火場火勢略有增強，兩處火場逐漸相接聚集；11 時07 分，火場基本相接，北側有向東蔓延之勢；13 時36 分，火場范圍全線向東擴增，形似倒“L”狀分布，火勢逐漸加強，此時冒煙處位于煙霧區域正西方向，煙霧向正東方向擴散；此后火場火勢持續增強至當日16時36分，火場向東、北、西三向蔓延連成一片劇烈燃燒。

漸熄階段：17 日晚20 時02 分，火場全線縮減，火勢漸弱。18 日早僅剩少量區域存在輕微亮溫異常，白天各時段可見過火區域亮溫明顯高于未過火區域；13 時36 分，火場北側中心區域仍見少量煙霧向東飄散；至晚20 時02 分，影像上森林植被區域亮溫異常全部消失，說明此時明火已被完全撲滅。19 日全天影像除過火區域亮溫較12 日火燒前明顯升高外，未見其他亮溫異常及煙霧區域，過火區域相比18 日未見面積變化。

綜上全過程火場火情態勢分析，結合云南省安寧市“4·13”森林火災期間的氣象數據（見表1）、火場地形分布數據（見圖1）和植被分布調查數據（見圖2），可見該次森林火災的火場發展態勢受氣象因素影響較大，蔓延方向與當日風向基本一致；此外也受地形及植被分布等因素不同程度的影響，如14 日上午為西南風，火場本應順風向東北蔓延，實際卻以北向為主，這主要是因為火燒已至較高海拔的灌叢化針葉純林，火順著山勢迅速攀升蔓延。由此可見，利用高分四號衛星搭載的傳感器探測的煙霧來表征風向，從而反映火場未來蔓延趨勢，以及著火點及過火區域來反映火場即時分布狀況，進而將火場多種即時信息相結合可有效反映森林火災發生發展過程。

四、結束語

本文利用時序高分四號衛星數據，以2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災發生過程的動態監測為例，探討并提出了一種多火場即時信息相結合的火情態勢分析方法。即利用高分四號中波紅外傳感器，感知森林植被區域亮溫變化，快速識別著火點，以此判定火災的發生、火點分布及熄滅狀況；利用高分四號多光譜數據，識別火場煙霧區域，判斷煙霧擴散走向，以此預測火災蔓延方向；此外，利用過火區域和火場分布及變化，結合氣象、地形及植被分布等數據進行輔助補充并相互驗證。基于以上森林火災態勢分析，深入明晰火場演變發展過程，為森林火災監測預警及撲救應急決策提供重要科學支撐依據。

本文以2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災全過程動態監測應用案例，僅探討了利用高分四號衛星獲取的“火點+煙霧+過火區域”結合利用的火情態勢分析方法的初步架構，后續還需繼續開展火場即時信息自動識別、分析及利用等綜合研究。