氣象衛星監測技術在森林防火中的應用和發展

森林火災是危害林業發展和森林自然資源的主要因素。近年來，美國、澳大利亞等國家重特大火災頻發，不僅對當地的森林資源造成了毀滅性災害，山火產生的煙塵及其他附帶危害也嚴重影響了附近地區的社會經濟發展。由于森林面積廣袤、地形復雜、道路崎嶇，瞭望監測和視頻監控都有很大的局限性，很難全面監測森林中的火災情況。在這樣的情況下，利用氣象衛星宏觀監測森林火災就具有極強的現實意義，氣象衛星可遠距離、快速、全面地發現森林火災，及時掌握火災情況，并通報相關部門，實現森林火災早發現、控制火勢、盡快撲滅，最大限度減少損失。

1“葵花八號”氣象衛星概述

“葵花（HIMAWARI）”系列衛星是日本氣象衛星的一種，日本氣象廳從1978年開始使用“葵花”系列氣象監測衛星進行氣象觀測，共發射了10顆衛星，9顆發射成功?！翱ò颂枴毙l星發射于2014年10月，全長（含單太陽電池翼）約8 m，發射質量約3 500 kg，采用三菱電機公司DS-2000衛星平臺（三軸控制）為用戶設計的氣象衛星的組態，設計壽命15年，執行觀測任務壽命長于8年，搭載的探測儀器為Advanced Hi‐mawari Imagers（AHI）。相比之前發射的“葵花”系列衛星，“葵花八號”在衛星重量和觀測范圍以及觀測精確程度、效率上都有了較大的提升。中國也是“葵花八號”氣象衛星的用戶之一，“葵花八號”衛星在森林氣象監測過程中發揮著重要的作用，見表1。

2氣象衛星監測技術在森林防滅火工作中的應用

2.1森林火情監測

氣象衛星監測森林火情主要是通過高頻掃描實現的。眾所周知，物體在燃燒時因為熱能和發光會散發出非常高的輻射，而氣象衛星在運行的過程中，能夠有效地監測到這些異常的輻射現象，同時根據歷史數據和計算機算法對輻射現象進行分析，對可能出現火災的情況及時預警。

地面觀測和空中遙感實踐證明，3～5μm光譜對燃燒的火焰特別敏感，高精度分辨率輻射計（AVHRR）第三通道正處于3～5μm光譜范圍內，因此利用衛星遙感可以對森林中的火情進行有效的監測。

2.2森林火災面積和起火原因監測

一方面，氣象衛星能夠監測森林火災的起火原因，通過衛星監測和觀察記錄的數據，結合起火時的氣象情況以及火源附近的人居自然情況，分析出森林火災的起火原因，將起火原因反饋給林業管理人員或者氣象監測人員，就能夠及時地根據起火原因作出應對措施；另一方面，氣象衛星還能夠監測和計算森林火災的過火面積，通過前后衛星圖片資料的疊加分析，從而計算出森林火災的過火面積。

3氣象衛星監測技術在森林防火中的現狀

當前的森林防火監測當中，衛星監測是主要的監測手段，而利用氣象衛星監測的主要方式就是衛星遙感技術，即AVHRR，這是當前氣象衛星的主要監測技術手段，此外還有“葵花八號”搭載的“先進向日葵成像儀”（AHI）也是監測遙感的探測器，都能夠高速有效監測森林情況。

目前使用較多的衛星遙感監測技術為AVHRR，全稱為Advanced Very High Resolu‐tion Radiometer，是NOAA系列氣象衛星上搭載的傳感器，從1979年TIROS-N衛星發射以來，NOAA系列衛星的AVHRR傳感器就持續進行著對地觀測任務。

中國森林面積廣袤，森林自然情況復雜，為了能夠實現全天候、大范圍的監測森林火災，需要多顆氣象衛星協調工作，并且結合人工監測方式，多角度全方位地監測森林火災情況。

AVHRR是一種多光譜通道的掃描輻射儀，具有5個通道，各個通道波長不一樣，對不同的氣象條件具有不同的敏感程度。根據科學驗證，3～5μm光譜對燃燒的火焰特別敏感，所以能夠通過AVHRR探測器及時地監測到森林火災情況，各光譜通道的波長范圍及地面分辨率見表2：

根據上表可得知，通道3能夠有效地感應到地表的火災情況，因此也是當前使用的主要氣象監測手段，但是AVHRR監測存在的問題也很明顯，盡管它的三通道能夠對火焰做出敏感的反應，但衛星監測的范圍過大，而且掃描的頻率很快，所以在精確度較差，相比起AVHRR，日本的“葵花八號”衛星所采用的“先進葵花成像技術（AHI）”則在精確度上更勝一籌，它能夠精確地根據地表情況，繪制出立體的森林氣象藍圖，并且采用不同的顏色標注出輻射情況。另一方面，相比起AHI，AVHRR技術在圖像成像方面也還存在不足。

日本的“葵花八號”衛星屬于靜止氣象衛星，其搭載的“先進葵花成像儀”無論是在時間還是空間上都具有較高的分辨率，“葵花八號”氣象衛星具有10 min的時間分辨率和500 m的空間分辨率?！翱ò颂枴毙l星能夠識別紅藍綠光，能夠顯示彩色圖像，因此以茶色來表示沙塵以便與云區別開來，對于觀測和預報都有利。

“葵花八號”在森林防火方面的應用主要依賴于它極強的時間和空間分辨率，通過衛星的AHI探測器，能夠快速清晰地展示出森林中的煙塵和起火情況，尤其是對于火焰的觀察記錄能夠以不同的顏色顯示出來，并且快速更新火災信息及火災面積，通告相關林業人員進行處理。

在森林防火的過程中運用氣象監測衛星進行監測和預警是森林防火工作較常應用的一種方法，效果明顯，成功地阻止了許多萌芽期森林火災，避免了可能演變為大型火災的情況，但是由于氣象衛星在全球按照軌道運行，運行和掃描的速度較快，且掃描范圍過大，所以對于許多具體細致的情況就無法達到較好的監測。

4氣象衛星監測技術在森林防火中的未來發展趨勢

鑒于目前的氣象衛星存在的問題，由于氣象衛星在大范圍監測上存在著精細度較差的問題，所以將氣象衛星的尺度集中到中小尺度，就具有更強的發展潛力，隨著全球航空航天技術的發展，氣象監測衛星數量也在逐漸增加。所以，在森林防火工作中，可將氣象遙感監測衛星同全球定位系統GPS及地理信息系統GIS結合起來，形成一套完整的森林防火預警監測系統，通過衛星遙感技術確定出疑似森林火災的位置，然后利用全球定位系統迅速鎖定位置，接著使用地理信息系統檢查疑似起火點的地理信息情況，在最快的時間內明確火災情況，并且采取相應的處理措施，建立形成完整的森林火險預測預報體系及森林火災監測與指揮系統。

衛星在森林防火滅火工作中的應用主要體現在4個方面：第一，應用于森林火險預警階段。通過衛星遙感數據監測林區可燃物載量及可燃物含水率動態信息；第二，應用于發現森林火災階段。充分利用極軌、靜止等多源衛星監測森林火災的發生，增加衛星監測林火的密度和精度，盡可能最大限度實現森林火災早發現、早出動、早撲滅；第三，應用于森林火災撲救過程中。利用高分辨率靜止衛星遙感數據宏觀實時監控整個森林火場的發展態勢，科學實施搶救措施；第四，應用于森林火災災后評估。利用衛星遙感技術對森林火災的燃燒狀況、火災損失及災后森林植被恢復等進行長期連續跟蹤監測，并且衛星影像能夠獲取同一地區不同時間的衛星影像，可進行疊加對比，從而統計過火面積及測算森林燃燒受害程度。

森林火災是危害森林自然環境、森林資源及周邊地區物種的主要因素，尤其是大規模不可控的森林火災所帶來的經濟、生態、環境破壞都是不可估量的，因此，需要氣象衛星技術措施對森林火災進行監測，在最短的時間內撲滅火災幼苗，有效監控森林火災隱患。通過氣象衛星的遙感監測，能夠及時發現某地區的森林火災情況，尤其是日本的“葵花八號”衛星，能夠在較高的精度下發現森林火災的情況，并且形成清晰易識別的圖像。但是同樣存在精確度較差的情況，未來會將氣象監測衛星、全球定位系統和地理信息系統等技術有機整合，形成完整的森林火災預測與預報系統及森林火災監測和指揮系統，利用氣象衛星全面監測森林火災，服務于森林防滅火工作全流程。

基金項目：廣東省林業科技創新項目、廣東省林業廳課題（2016KJCX039）

【廣東省航空護林站（廣東省林火衛星監測中心）廖俊煒，曾慶峰】