西南衛星林火監測技術現狀與思考

徐盛基

(國家林業局西南航空護林總站,云南 昆明 650021)

1 西南衛星林火監測概況

國家林業局森林防火辦公室衛星林火監測系統,由國家林業局防火辦衛星林火監測中心和西南林火監測分中心、西北林火監測分中心組成。西南衛星林火監測分中心自1997年初建成并投入運行至今已10余年,主要負責華南、中南、西南地區林火的日常和宏觀監測工作,并按照國家林業局防火辦以及各省(區、市)森林防火指揮部門的要求完成其它監測任務,具體負責下列省(區、市)：云南省、四川省、貴州省、廣西自治區、重慶市、廣東省、海南省、湖南省、湖北省、西藏自治區東部。多年來為華南、中南、西南林區即使發現森林火災,減少火災損失,提供了較好的服務,尤其是對云南、廣西、西藏國界線上或國界附近的熱點進行重點監測,彌補了地面和護林飛機巡護監測的空白和死角。自1997年投入運行以來,處理2個以上像素熱點超過7萬余個。實踐證明,衛星林火監測系統在對重大森林火災進行連續跟蹤中,不僅可以克服火勢變化地面無法了解的弊端,而且還能克服因天氣或邊境地區航空飛行困難的林火進行連續監測,從而向各級領導提供火場實況,為制定撲救森林火災決策提供有力的支持。

2 西南衛星林火監測的技術現狀分析

2.1 用于西南衛星林火監測的氣象衛星及其參數

西南監測分中心已經常年開展監測工作。由于靜止氣象衛星分辨率較低,目前多選用極軌氣象衛星用于森林火災的監測工作。監測期間,對FY1D、FY3、NOAA-16、NOAA-17 、NOAA-18 及 FY1_C、FY1D、TERRA、AQUA等極軌氣象衛星過境軌道圖像進行接收處理,每天接收處理10～20條衛星軌道,覆蓋東南、西南監測區域6次以上。

2.1.1 美國國家海洋大氣局NOAA/AVHRR系列衛星

目前正在使用的美國NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)系列氣象衛星有NOAA-16、NOAA-17、NOAA-18 共 3 顆。NOAA/AV HRR(The Advanced Very High Resolution Radiometer)氣象衛星是美國第3代雙星系統極軌氣象衛星,屬于近極軌太陽同步衛星,軌道平均高度833km,林火監測的信息來自NOAA氣象衛星上的AVHRR甚高分辨率輻射儀,星下分辨率1.1km,繞地球周期為102min,地面掃描寬度2 700 km,對同一地區的覆蓋頻率高達每天4次,因而具有最大的獲取無云影像的動態遙感能力,特別適合對大面積森林的動態觀察。AVHRR甚高分辨率輻射儀有5個通道,其指標和主要用途見表1。該星的第3通道(3.55～3.93μm)對溫度反應極其敏感,為森林火災的監測創造了條件。

表1 NOAA/AVHRR衛星各通道指標

2.1.2 EOS/MODIS衛星

地球觀測衛星EOS(The Earth Observing Satellites)是美國新一代地球觀測系統計劃的組成部分,設計為近太陽同步極軌的雙星系統,目前在軌運行的有 TERRA和AQUA兩顆,衛星軌道高度705km,掃描軌道寬2 330km,一顆衛星24h掃描全球2遍。EOS衛星上搭載了多種探測設備,MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer中等分辨率圖像分光輻射儀)是EOS衛星上搭載的關鍵光學探測設備,共有36個通道,其中對熱源敏感、可用于林火監測的通道有7個(7通道和20～25)通道,可見光通道的星下點分辨率是 250～500m,紅外通道的星下點分辨率是500～1 000m,主要通道技術指標和用途見表2。

表2 EOS/MODIS衛星用于火災監測的通道指標

EOS衛星不僅應用于對森林火災的直接監測,同時可以進行地表溫度、濕度的監測,還可以用于森林火險等級的預報,在林火監測中有很好的應用前景,在林火監測的準確率和定位精度等方面比NOAA大大提高了。

2.1.3 風云(FY)系列衛星

我國發射成功的風云系列極軌氣象衛星在監測林火方面具有監測范圍廣、及時準確的特點。其主要探測儀器是多通道可見光紅外掃描儀輻射儀(MV IRS),基本包括了NOAA衛星和陸地衛星的主要通道(表3),衛星每天可以獲得4個通道、分辨率為4km的全球觀測資料以及10個通道20min的分辨率為1.1km的局地觀測資料,為林火監測提供了必要的基本資料。

表3 FY系列衛星多通道可見光紅外掃描儀輻射儀的通道指標

目前用于西南衛星監測的主要是美國NOAA系列氣象衛星,我國的FY衛星系列,EOS衛星3種衛星系統,在林火監測的可靠性、穩定性以及高精準性互為補充,為火災的撲救提供更多更詳細的監測成果。

2.2 西南衛星林火監測圖像識別技術

目前用于森林火災圖像識別的方法主要有像元分析法、自動檢測法和目視判讀法3種。由于西南衛星林火監測區域地理情況較為復雜,像元分析法及自動檢測法在林火監測工作中還受一定的限制,目視判讀法是目前西南衛星林火監測工作采用的主要方法。其原理是利用三通道合成技術,將紅外遙感儀器感應到的熱點在衛星云圖上以亮紅點的形式表現出來,再對亮紅點進行定位,根據紅點的大小、數量和位置來判斷其危險程度。氣象衛星攜帶的遙感探測器上3.7μm光譜通道具有對高溫熱源敏感,而對常溫背景不敏感的特性,森林的背景溫度一般為32℃左右,而森林火災明火溫度可達 500～1 000℃(暗火200～500℃),即使是夜間也很容易將火災從森林背景中區分出來。

監測衛星系統不同地區不同,監測圖像表現有所差異。西南衛星林火監測區域部分地區晝夜溫差大,濕度差也大,一般早上時段森林火災較少,此時的圖像重點用于分析當日的天氣形勢,即便有火,火勢也較弱,所以在監測圖像上熱點較少,此時的圖像較易識別,山脈、河谷、湖泊分布較為明顯,有森林的山梁呈綠色,河谷地帶呈暗紅色;湖泊呈暗紅色或墨藍色;云層為白色或灰色,呈塊狀或連續分布;在高原積雪呈絮狀沿山脊分布;林火等熱點表現為紅色;中午開始,特別是下午,由于溫度升高,風勢變大,濕度減小,火災開始增多,在圖像上看到的熱點也相應增多,此時段山脈、河谷的分布更為明顯,植被、云層、積雪的圖像與上午的一致,林區熱點較明顯;傍晚至夜晚時段的圖像,由于此時衛星監測系統可見光通道的信號逐漸變弱,圖像主要由紅外通道信號組成,故此時的圖像整個呈現為暗紅色,但圖像上亦能分辨出部份山脊和主要的河谷,它們均呈淺紅色線狀分布,此時可根據這些河谷來尋找所要查看的區域。晚間的圖像熱點分布最為明顯,此時熱點均為亮紅色,熱點越明亮則溫度越高,若該熱點為森林火災,即火勢較強。

2.3 西南衛星林火監測衛星接收系統

西南監測分中心1997年初建時,選用的是極軌氣象衛星接收處理系統。2002年西南監測分中心建成PS-2001極軌氣象衛星VSAT小站應用系統。2004年底西南衛星林火監測衛星接收系統從“PS-2001”極軌氣象衛星VSAT小站應用系統升級為DVB-S系統。西南衛星林火監測分中心目前接收處理的氣象衛星數據來自該系統廣播數據。國家衛星氣象中心有3個衛星接收地面站(分別位于北京、廣州和烏魯木齊),每天可以接收多顆國內外的氣象、資源遙感衛星,國家氣象衛星中心資料中心每天對這3個地面站接收到的數據進行實時資料預處理,生成1A/1B級數據,然后通過DVB-S系統近實時發布數據。西南衛星林火監測分中心根據前端站管軟件提示的衛星軌道時間,自動啟動作業,接收并處理中國 FY-1D、FY-2C,美國 NOAA 16、NOAA17、NOAA18,美國 EOS/TERRA 、EOS/AQ UA氣象衛星數據。系統采用計算機雙機模式,前端機完成自動接收,通過網絡傳輸到后端機。后端機包括預處理和投影,圖像處理、地理信息設置、火點自動識別、人機交互訂正及簡單的數據庫管理功能。DVB-S系統整體技術成熟先進,為林火監測提供了穩定、可靠、全面的遙感資料數據源。

3 西南衛星林火監測技術的問題分析

3.1 衛星林火監測數據源問題

DVBS林火監測系統自2004年建成后,暫時解決了西南衛星林火監測數據源問題,在森林防火工作中發揮了重要作用,但該系統的不足之處逐漸突顯出來,尤其從2008年6月份以后尤為明顯。

(1)由于該系統采用“地面站接收衛星數據——地面線路傳輸到北京——北京站上傳通信衛星——通信衛星廣播——分中心地面接收處理”這樣復雜的數據傳輸鏈路,使得系統故障率較高。在高火險時段或較大火災發生時,一旦系統發生故障,就會造成無數據可用的尷尬局面。

(2)數據時效性差是該系統的最大缺陷,該系統接收數據比國家林業局監測中心自主接收系統晚30min以上,有時甚至晚1h以上,極大地影響了監測系統“火情早發現”作用的充分發揮。因此,建議建設一套氣象衛星數據自主接收系統來解決這個問題。

3.2 氣象衛星監測森林火情的局限性

氣象衛星監測森林火災具有監測范圍廣,監測頻率高,適應性強的特點,然而在追求高效的同時也產生了一些局限性,尤其表現在熱點的識別和熱點的定位兩個方面。除了衛星自身故障會影響熱點的定位和識別以外,目前使用的幾種氣象衛星探測設備還無法監測到較厚云層下發生的森林火災,容易受到云、霧的遮擋。由于森林熱輻射的影響,很小面積的強烈燃燒就會產生多個像元的異常熱點,很難根據熱點像素確定實際著火面積;由于衛星過境的姿態不同,在地物不明顯的夜間,定位誤差很難控制。在農林交錯地區,在目前衛星圖像分辨率能力和土地利用類型背景資料下還無法準確區分。隨著衛星空間分辨率和定位精度的提高,這些問題在將來會逐一得到解決[1]。

3.3 目視判讀法的潛在誤差

在西南衛星林火監測的實際運用中,目視判讀法仍然是主要技術。目視判讀法存在一些是目視判讀法技術體系本身不能克服的問題,目視判讀法十分依賴于監測人員的工作經驗、熟練程度和生理感應,這就使得判讀標準上差異性和變動性比較大。同一監測圖像,不同的人通過判讀得到的信息可能不同,難于制定比較客觀的標準。也就不得不面臨2個問題,一是沒有規范的判讀標準,使得判讀勞動強度增大,二是判讀結論不是定量化信息,使得進一步的定量化分析變得困難,嚴重影響了林火監測信息的共享和繼承性使用。進一步提高對林火監測圖像的判讀精度就必須在林火監測區域內建立一個區域性的林火圖像自動識別的專家系統,提高自動解譯的靈活性。

4 結語

在南方森林火災中,西南衛星林火監測發揮了不可替代的重要作用。氣象衛星用于林火監測,其優點是(1)監測范圍廣,時間頻率高;(2)能得到連續的資料,準確標明火場位置,大致確定火場面積,反映林火蔓延的動態變化;(3)收集數據快,節約時間,節約成本;(4)獲取火情資料不受地形條件的影響,能夠準確發現偏遠地區、人煙稀少、不易被人們發現的林火。隨著航天和衛星制造技術,以及計算機遙感技術的發展,西南衛星林火監測技術必將得到較為全面的提高,為森林火災的撲救提供更多高頻度、高精準、高可靠性的監測成果。

[1]閆 厚,王金海,吳宇平.氣象衛星在森林火災監測中的應用及其原理[J].森林防火,2005(3)：29～32.

[2]舒立福,王明玉,田曉瑞,等.NOAA/AVHRR和 EOS/MODIS林火監測比較[J].森林防火,2005(4)：27～29.