靜止衛星森林草原火情監測服務平臺構建與應用

文 | 溫濤 劉博遠 石劍岳 葛錫志 陳爍

中科星圖股份有限公司

一、應用背景

我國幅員遼闊，森林草原分布范圍廣泛，森林草原火災時有發生。據統計，我國1950-2015年均森林火災次數1.1萬次，年均面積56.3萬公頃，死亡110人，傷1000余人。2018年，全國共發生森林火災2478起。其中，一般森林火災1579起、較大森林火災894起、重大森林火災3起、特大森林火災2起，受害森林面積16309公頃，因災造成人員傷亡39人（含死亡23人），國家、人民的生命和財產遭受了巨大損失。為從總體上減少損失，我國建設了包括衛星監測、航空監測、近地面觀測和地面巡邏四個層次的立體森林草原火情監測體系。其中，衛星遙感監測手段憑借其覆蓋范圍廣、經濟高效等優勢，已成為全國火情日常業務監測的一種重要技術手段。衛星遙感火情監測通常采取靜止氣象衛星和極軌衛星兩種監測手段，其中靜止衛星具有高時效性，極軌衛星具有較高的空間分辨率。然而，過去很長一段時間，由于當時的靜止氣象衛星傳感器的空間分辨率低、探測通道少，森林火災不得不依賴極軌氣象衛星進行火點監測，而極軌衛星林火監測方法在時效性方面依舊不能夠滿足林火監測的需要。近年來，歐洲氣象衛星第2代/第3代（MSG/MTG）、日本向日葵八號、九號（Himawari-8/9）、美國地球靜止業務環境衛星十六號、十七號（GEOS-16/17）、中國風云四號A星（FY-4A）、高分四號衛星（GF-4）、地球靜止軌道-韓國多用途衛星2A（GK-2A）等新一代靜止氣象衛星相繼投入使用，其搭載的可見光和紅外傳感器在空間時間分辨率和光譜設置方面有了顯著提高，進一步提升了森林草原火情監測的空間分辨能力。

中科星圖股份有限公司（以下簡稱中科星圖）在GEOVIS數字地球基礎平臺的基礎上致力于靜止衛星森林草原火情遙感監測服務平臺研發與攻關，使用FY-4A、GF-4、Himawari-8等靜止衛星數據，通過數據預處理、火情判識與提取、火情監測產品制作等流程實現對森林草原火情的大范圍、高頻次監測，結合現有的森林草原火情監測體系，為應急管理部、國家森林草原防滅火指揮部辦公室、各省級防滅火指揮部辦公室等單位提供高效、準確的火情監測服務。

二、靜止衛星森林草原火情監測服務平臺設計

中科星圖發揮GEOVIS數字地球基礎平臺優異的兼容性、擴展性優勢，結合森林草原火情監測具體業務，采用深度學習、人工智能等技術，基于FY-4、GF-4、Himawari-8等靜止軌道衛星遙感觀測數據，進行靜止衛星森林草原火情遙感監測服務平臺（以下簡稱平臺）建設，為森林草原火情遙感綜合監測提供支撐，平臺架構如圖1所示。

圖 1 靜止衛星森林草原火情遙感監測服務平臺架構圖

靜止衛星森林草原火情遙感監測服務平臺主要分為基礎支撐層、數據層、服務支撐層、應用層等四層。

（1）基礎支撐層

為系統提供相應的計算、存儲等資源，同時利用數據專線連接中國資源衛星應用中心，申請GF-4衛星數據、定制拍攝申請、下載數據，利用數據專線連接中國氣象局國家氣象信息中心，獲取其推送的FY-4衛星數據和日本Himawari-8衛星數據，預留韓國GK-2A衛星數據的數據接收接口。

（2）數據層

包括基礎空間數據庫、基礎設施數據庫、衛星觀測數據庫、氣象觀測數據庫、衛星影像歷史數據庫、林區資源區劃數據庫和產品數據庫，為平臺運行提供數據支撐。

（3）服務支撐層

GEOVIS數字地球基礎平臺具備統一時空的基準以及算法集成框架，可以承載FY-4數據預處理、GF-4數據預處理、Himawari-8數據預處理算法以及火點判識與提取算法、非火情熱異常點排除算法，同時預留GK-2A數據預處理算法接口，為上層應用提供服務支撐。

（4）應用服務層

基于服務支撐層，按照“微內核+插件”的技術架構，實現火情監測專題產品制作、火情監測產品發布、火情監測信息綜合展示與核查反饋等應用。

三、平臺主要功能

1.靜止衛星數據預處理

采用智能降噪等方法識別并去除原始影像數據壞點，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/濾波、投影/坐標轉換、圖像定位等算法模型，實現GF-4、FY-4、Himawari-8等靜止衛星影像數據的自動化處理，生成可直接用于火情信息提取的高精度產品數據。

2.火情信息判識與提取

基于火點和非火點像元時序特征，根據對火敏感的通道亮溫的時相變化，即利用相鄰時次的通道亮溫差值，并結合其他波段的特性，進行波段組合運算，設定閾值來實現晴空條件下陸地火點的檢測。當檢測區域內影像出現異常，如大量高層云、中低層云覆蓋，地面洪澇災害和太陽耀斑影響等，系統自動優化火點識別模型參數，提示用戶和管理人員進行人機交互，調整火點識別參數，提高火點識別精度。建設異常火點庫，自動更新異常火點信息數據，提升火情信息判識準確率。

3.火情監測產品制作

通過對衛星林火判識結果進行圖像增強處理，結合基礎地理信息數據，實現火情監測專題產品的制作（包括火情監測專題圖、火點強度專題圖以及火情監測報告等），并依據多時次衛星影像及火情信息，制作火情演變動畫，動態反映重要火情火災發生、發展蔓延過程。圖2為利用Himawari-8監測到的四川省西昌市2020年3月30日15時和16時的火點信息。

圖 2 四川省西昌市火點衛星遙感監測圖

4.火情監測成果發布與推送

與移動終端APP結合，實現火情監測信息的發布和核查反饋信息的上傳，為各級業務部門聯合進行林火監測以及火情核查提供技術支撐。

四、平臺主要優勢

（1）快速高效的數據處理能力

本平臺基于GEOVIS數字地球基礎平臺開發，采用存算一體化、混合異構計算等多種并行計算策略，實現了海量靜止衛星數據全自動、高效率、高精度的快速處理和實時響應。

（2）智能精準的火情判識

平臺采用深度學習、決策樹等人工智能技術，通過自適應的調整火情識別算法閾值參數，有效提高了火點判識的靈敏度，結合自動更新的異常火點庫，剔除非火情點干擾，進一步提高了火點判識的準確率。

（3）實時動態的火情推送

平臺與安卓APP結合，將熱點監測結果實時、精準的推送給轄區內基層護林員，同時接收護林員的核查反饋信息，更新平臺異常火點庫，以進一步提升火情判別算法準確率。

五、結束語

未來，靜止衛星森林草原火情遙感監測服務平臺將與其他包括極軌衛星監測、航空監測、近地面觀測和地面巡邏火情監測系統協作配合，構建立體的森林草原火情監測體系，為各級防火部門實現“打早、打小、打了”提供有力支撐，為提高森林草原防火能力發揮積極作用。