FY-3衛(wèi)星對黑龍江省林火遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)的支撐

董曉銳，魏 迎

(佳木斯氣象衛(wèi)星地面站，黑龍江 佳木斯154007)

1 引言

近年來隨著信息技術(shù)尤其是 3S技術(shù)的飛速發(fā)展，遙感衛(wèi)星監(jiān)測森林火災(zāi)逐漸向遠距離，智能化，信息化方向發(fā)展。自20世紀(jì)80年代初開始，美國、加拿大、澳大利亞等國家根據(jù)自身國情先后展開了林火衛(wèi)星監(jiān)測研究，1972年，美國研制出國家級森林火險預(yù)報系統(tǒng)，并在GIS背景數(shù)據(jù)庫的支持下采用NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)生成 NDVI專題圖，結(jié)合氣象資料及可燃物類型等因子構(gòu)建了火災(zāi)潛在指數(shù)，為美國森林火災(zāi)預(yù)測作出了巨大貢獻。 加拿大等國利用人造衛(wèi)星搭載紅外裝置監(jiān)測林火，使其林區(qū)巡視速度、效率得以大大提升，同時降低了成本。國內(nèi)的相關(guān)學(xué)者也開始研究如何利用遙感對火情進行監(jiān)測，如楊蘭芳等用NOAA衛(wèi)星資料監(jiān)測了甘肅省森林草原火災(zāi)[1]。張貴等用NOAA/AVHHR衛(wèi)星分別對甘肅省森林草原火災(zāi)，青海省森林草場火險及內(nèi)蒙古自治區(qū)和黑龍江省進行了林火監(jiān)測研究，而后越來越多的研究和應(yīng)用趨向于具有更高時空分辨率的MODIS，但許多都只對大致方法做籠統(tǒng)描述，卻很少闡述火情監(jiān)測模型的詳細應(yīng)用與分析。黑龍江作為我國的主要林區(qū)，對林火的監(jiān)測有著迫切的要求。本研究目的正是利用現(xiàn)有的FY3遙感資料，對森林火災(zāi)進行監(jiān)測和分析，低成本，高效率，直觀準(zhǔn)確的對火情進行監(jiān)測，同時在災(zāi)害發(fā)生后形成分析與評估，為防災(zāi)減災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù)，具有十分重要的意義。

2 FY3-VIRR遙感數(shù)據(jù)

VIRR為可見光掃描輻射計，是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星-FY-3所攜帶的探測儀器，掃描范圍±55.4°,地面分辨率1.1 km。主要用于監(jiān)測全球云量、判識云的高度類型和相態(tài)、探測海洋表面溫度、監(jiān)測植被生長狀況和類型、監(jiān)測高溫火點、判識地表積雪覆蓋、探測海洋水色等領(lǐng)域。10個光譜通道，其中包括4個可見光通道、3個熱紅外通道、2個短波紅外和1個近紅外通道。

3 研究區(qū)概況

黑龍江省是森林火情防治的重點省份,其中森林覆蓋率為43.6%,林地面積為2.007×107hm2。森林資源包括：大小興安嶺、完達山脈、張廣才嶺及老爺嶺等。作為林業(yè)大省，林火監(jiān)測在資源保護和經(jīng)濟發(fā)展等方面占據(jù)著重要地位。過去的林火監(jiān)測主要依靠人為，在觀測范圍和監(jiān)測頻度上都有一定的局限性[2]。多年來,由于氣象條件多變和人類活動影響,森林火災(zāi)時常發(fā)生,著名的87.5.6大火、2003年黑河大火、2005年呼瑪大火都使寶貴的林業(yè)資源付之一炬。我國新一代的極軌氣象衛(wèi)星FY3上所攜帶的VIRR探測器能夠獲取地球探測環(huán)境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料，將其和新興的地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合運用到森林火災(zāi)的監(jiān)測、定位和防治中，依據(jù)動態(tài)熱點火情信息來快速發(fā)現(xiàn)和快速定位火情，可以為相關(guān)部門提供更有效的信息和服務(wù)。

4 原理及方法

4.1 監(jiān)測原理

1893年德國物理學(xué)家維恩指出黑體輻射場能量密度取極大值（對應(yīng)輻射曲線最高峰）時的波長 λm與熱力學(xué)溫度 T的乘積是常量，即維恩位移定律：T*λmax=2 897.8（K，μm），溫度越高，輻射峰值波長越小，即溫度T和輻射峰值波長λm成反比。針對可見光掃描輻射計VIRR的3、4、5通道進行分析，常溫（約300 K）地表輻射峰值波長在通道4的波長范圍左右，林火燃燒溫度一般在 550 K以上，根據(jù)公式，其熱輻射峰值波長靠近通道3的波長范圍。利用普朗克公式計算中紅外和遠紅外波長范圍的黑體輻射率隨溫度的變化,輻射率的增量在通道3增長高于通道 4，所以，用通道 3數(shù)據(jù)進行林火監(jiān)測具有理論可行性。

4.2 遙感林火監(jiān)測方法概述

4.2.1 人機交互判識

針對白天的遙感影像數(shù)據(jù)，對VIRR的3、2、1通道進行彩色合成，分別賦予其為紅色、綠色和藍色，則在圖像上明火區(qū)表現(xiàn)為鮮紅色，過火區(qū)表現(xiàn)為暗紅色，植被為綠色，水體為深藍色，云或煙霧則為灰色。夜間的軌道數(shù)據(jù)對3、4通道進行RGB假彩色合成，明火區(qū)為鮮紅色，灰色的為云，其他難以識別[3]。通過SMART軟件疊加經(jīng)緯度和行政邊界，對1、2通道進行曲線增強，3通道進行指數(shù)拉伸，均可以迅速準(zhǔn)確的掌握火情的發(fā)生發(fā)展情況。

4.2.2 計算機自動判識

人機交互判識依賴于經(jīng)驗及圖像的清晰度，雖然精度較高，但在大范圍火點出現(xiàn)時，則效率不高。計算機自動判識在某種程度上改善了人機交互在業(yè)務(wù)中的效率問題。

根據(jù)實際監(jiān)測效果和理論計算,判識火點條件主要根據(jù)中紅外通道的亮溫增量以及中紅外通道與遠紅外通道（CH4）亮溫差異的增量：

T3-T3bg＞ T3TH 且 T34-T34bg＞T34TH

這里 T3、T3bg、T3TH分別為被判識像元中紅外通道亮溫、中紅外通道背景亮溫、中紅外通道火點判識閾值。背景溫度計算對判識精度有直接影響。對于下墊面單一的植被覆蓋稠密區(qū)，由鄰近像元取平均對被判識像元有較好的代表性。而在植被與荒漠交錯地帶，由于各像元的植被覆蓋度可能有較大差異，由此計算的鄰近像元平均亮溫有可能與被判識像元有較大差異，因而判識閾值需要隨之調(diào)整。通過建立不同季節(jié),不同觀測時次的亮溫閾值數(shù)據(jù)集,將會使計算機的自動判識精度效率更高[4]，利于快速掌握林火發(fā)生和發(fā)展的動態(tài)，為林火發(fā)生時提供最佳方案。

5 結(jié)論

氣象衛(wèi)星遙感應(yīng)用于森林火情監(jiān)測，是氣象衛(wèi)星應(yīng)用服務(wù)的一個重要方面，氣象衛(wèi)星FY3上所攜帶的VIRR探測器對林火遙感的動態(tài)監(jiān)測非常有利。通過對FY3/VIRR波段特性的深入分析，確定基于FY3/VIRR的火情監(jiān)測系統(tǒng)。以期在火情發(fā)生時能夠精準(zhǔn)快定位火點信息，同時對火情的發(fā)展蔓延進行跟蹤監(jiān)測。災(zāi)情發(fā)生時能夠及時為相關(guān)部門提出較為經(jīng)濟實用的實施方案和技術(shù)措施，減少國民生產(chǎn)損失。

[1]李福堂 .基于EOS/MODIS森林火災(zāi)監(jiān)測模型及應(yīng)用研究[D].華中科技大學(xué)碩士論文,2005，（9）.

[2]王麗娜，孫丹.GIS和遙感技術(shù)在黑龍江省森林火災(zāi)監(jiān)測、輔助決策中的應(yīng)用[J].森林防火，2006,（2）：23.

[3]徐擁軍.基于FY-3A/VIRR數(shù)據(jù)火情監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].中國地質(zhì)大學(xué)，2002,5：24-26.

[4]李進文,鐘儒祥,吳小雅,羅祖紅.利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測森林火情的方法探討[J].廣東林業(yè)科技,2005,21（3）.