中國林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測的應(yīng)用及評價

賈斌英

(遼寧省林業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 沈陽 110031)

1 引言

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助較為困難的自然災(zāi)害。一旦發(fā)生森林火災(zāi)，將對森林資源、陸地生態(tài)系統(tǒng)、社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展甚至人民生命財產(chǎn)安全造成極大威脅。因此，加強(qiáng)對森林火災(zāi)的監(jiān)測和預(yù)警，盡早發(fā)現(xiàn)和掌握火情信息，將森林火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)，提高災(zāi)情處置的時效性，實現(xiàn)“打早、打小、打了”，減少火災(zāi)損失，是現(xiàn)階段森林防火工作的重點(diǎn)。衛(wèi)星遙感監(jiān)測作為現(xiàn)代化監(jiān)測手段，具有覆蓋面積大、時效性高、連續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]，可以實現(xiàn)大范圍監(jiān)測、快速發(fā)現(xiàn)并定位火場位置、及時預(yù)警、跟蹤火場情況和估算火災(zāi)面積等功能[2～4]，彌補(bǔ)了地面監(jiān)測和航空監(jiān)測等常規(guī)監(jiān)測易受地面及近地環(huán)境影響，時間、人力、物力消耗大和效率低等問題[5]，為實現(xiàn)森林火災(zāi)早期防控爭取了更多機(jī)會，在森林防火工作中已得到了廣泛應(yīng)用。本文將梳理衛(wèi)星遙感監(jiān)測森林火災(zāi)的原理和發(fā)展進(jìn)程，對目前行業(yè)應(yīng)用情況進(jìn)行介紹，并評價現(xiàn)有衛(wèi)星系統(tǒng)監(jiān)測效率，分析存在的問題，提出進(jìn)一步提高衛(wèi)星監(jiān)測能力的建議。

2 基本情況

2.1 衛(wèi)星遙感監(jiān)測的原理

衛(wèi)星遙感主要是通過探測熱紅外電磁波輻射強(qiáng)度的方式監(jiān)控地面火情。自然界的物體在常溫(300 K)地表輻射峰值波長在10 μm左右，當(dāng)燃燒時，溫度升高，達(dá)500～700 K以上，對應(yīng)輻射峰值波長位于3.86～5.8 μm，輻射增強(qiáng)[6]。衛(wèi)星遙感正是通過傳感器接收地表輻射信息，利用物體未發(fā)生燃燒時的輻射與燃燒輻射間不同波長熱輻射的差異性判定火點(diǎn)，監(jiān)控火災(zāi)。并結(jié)合地理信息系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)技術(shù)，采用目視判讀法、自動檢測法或像元分析法[2～5]，實現(xiàn)低成本、全覆蓋、高時效的林火監(jiān)測。應(yīng)用于林火監(jiān)測的衛(wèi)星主要包括極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星兩大類。

2.2 我國林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測發(fā)展進(jìn)程

我國自20世紀(jì)80年代開始利用NOAA系列衛(wèi)星和風(fēng)云系列衛(wèi)星開展林火監(jiān)測，1987年實現(xiàn)了對大興安嶺5.6特大森林大火的監(jiān)測。1999年和2002年美國EOS系列TERRA衛(wèi)星和AQUA衛(wèi)星投入使用，搭載MODIS傳感器，支持林火探測。2013年后我國發(fā)射的高分系列一號、二號、六號等極軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)也提高了森林火災(zāi)監(jiān)測的識別精度。2014年日本向日葵八號衛(wèi)星入軌，對高溫輻射熱源探測性強(qiáng)。2015年后，我國相繼發(fā)射了高分四號衛(wèi)星和風(fēng)云四號衛(wèi)星，提升了林火監(jiān)測的水平，尤其是高分四號搭載了具有分鐘級對地觀測能力的傳感器，可實現(xiàn)對森林火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的實施快速成像[7～9]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，我國在北京、昆明、烏魯木齊和哈爾濱建立了衛(wèi)星林火監(jiān)測站，目前，主要利用AQUA衛(wèi)星、FY-3、NOAA-18、NOAA-19、TERRA衛(wèi)星數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對全國林火的發(fā)現(xiàn)與跟蹤監(jiān)測。

同時，中國科學(xué)院、中國林業(yè)科學(xué)研究院、氣象中心、各相關(guān)高校等單位，在衛(wèi)星遙感監(jiān)測研究上，開展了森林火險預(yù)測、監(jiān)測算法、林火蔓延模型構(gòu)建、受害程度監(jiān)測、過火面積評估、火燒跡地制圖和災(zāi)后恢復(fù)評估等相關(guān)研究，并探索高分衛(wèi)星及向日葵八號衛(wèi)星在林火監(jiān)測上的應(yīng)用[1～9]。

3 效果評價

結(jié)合2010～2019年林火衛(wèi)星熱點(diǎn)數(shù)據(jù)與同期全國森林火災(zāi)數(shù)據(jù)，評價目前應(yīng)用的衛(wèi)星遙感監(jiān)測預(yù)報森林火災(zāi)的準(zhǔn)確性(表1)。

表1 2010～2019年林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測分衛(wèi)星情況

2010～2019年全國共發(fā)生森林火災(zāi)37887次，衛(wèi)星監(jiān)測熱點(diǎn)72497個，是森林火災(zāi)次數(shù)的1.9倍。這其中主要包括林火(含灌木火)、草原火、計劃燒除、農(nóng)用火、煉山、工礦用火、境外火、未找到及其他熱點(diǎn)。其中反饋為農(nóng)用火的最多，占熱點(diǎn)總數(shù)的29%。其次為煉山，占22%，未找到占13%。反饋為林火的熱點(diǎn)數(shù)占熱點(diǎn)總數(shù)的10%，預(yù)報森林火災(zāi)的準(zhǔn)確率(反饋為林火的熱點(diǎn)數(shù)占同期森林火災(zāi)總數(shù)的比)為19%。

目前，監(jiān)測數(shù)量排在前三位的衛(wèi)星分別是：FY-3、NOAA-18和NOAA-19，占總監(jiān)測數(shù)的74%。其中NOAA系列衛(wèi)星監(jiān)測熱點(diǎn)多，占66%，F(xiàn)Y系列衛(wèi)星監(jiān)測熱點(diǎn)少，占8%。三顆衛(wèi)星監(jiān)測熱點(diǎn)均呈現(xiàn)出農(nóng)用火最多、煉山其次的特征。其中FY-3監(jiān)測到的林火占其監(jiān)測熱點(diǎn)總數(shù)的12%，占監(jiān)測到的林火總數(shù)的10%；NOAA-18和NOAA-19監(jiān)測到的林火占其監(jiān)測熱點(diǎn)總數(shù)的9%，占監(jiān)測到的林火總數(shù)的6%。

從表2可見，監(jiān)測熱點(diǎn)數(shù)在2015年后明顯減少，其中反饋為林火的熱點(diǎn)數(shù)占熱點(diǎn)總數(shù)的比在2010～2012年和2017～2019年，均超過或接近均值10%，在2013～2016年處于較低水平，尤其是2015～2016年，僅占4%。占各年份森林火災(zāi)總數(shù)的比在2014年前，均超過均值19%，在2015年后，均未超過15%，尤其是2015～2016年，僅達(dá)到9%和7%。

表2 2010～2019年林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測分年度情況

可見，林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測在火點(diǎn)識別上具有明顯優(yōu)勢，但林火初判的準(zhǔn)確性較低，虛警率較高。NOAA衛(wèi)星監(jiān)測的熱點(diǎn)數(shù)量大，但準(zhǔn)確率較低，F(xiàn)Y-3衛(wèi)星監(jiān)測的熱點(diǎn)數(shù)少，但準(zhǔn)確率較好。這可能與NOAA衛(wèi)星采取雙星運(yùn)行模式，衛(wèi)星圖像覆蓋寬，識別火點(diǎn)范圍廣，接收火點(diǎn)多有關(guān)。從不同時期來看，監(jiān)測的熱點(diǎn)數(shù)量和準(zhǔn)確率在2015年后明顯降低，這可能與衛(wèi)星運(yùn)行時間長，探測器衰減嚴(yán)重，監(jiān)測效率降低有關(guān)[7]。

4 工作展望

國內(nèi)外學(xué)者在衛(wèi)星遙感技術(shù)上做了大量的研究，但在林火監(jiān)測方面，從有效性分析可見，衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的林火僅占森林火災(zāi)總數(shù)的一小部分，監(jiān)測準(zhǔn)確性還需要進(jìn)一步提高。為此，建議未來可從以下幾方面開展工作。

4.1 完善“天—空—地”一體化監(jiān)測體系

衛(wèi)星遙感監(jiān)測受天氣影響大，遇云層遮擋時，難以獲得有效數(shù)據(jù)。同時，受重復(fù)周期及探測分辨率限制，在高精度監(jiān)測及靈活性上表現(xiàn)較差。因此，應(yīng)構(gòu)建地面巡護(hù)、瞭望塔監(jiān)測、航空巡護(hù)和衛(wèi)星遙感監(jiān)測行結(jié)合的一體化、全方位、立體式、連續(xù)性監(jiān)測體系，綜合多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成監(jiān)測規(guī)模化運(yùn)行，提升林火監(jiān)測準(zhǔn)確率。

4.2 建立衛(wèi)星監(jiān)測子系統(tǒng)，提升監(jiān)測分辨率

日常衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理多依賴人工目視判識，隨著衛(wèi)星的增多，數(shù)據(jù)量的加大，面向全國范圍的林火監(jiān)測業(yè)務(wù)難于保證需求。因此，應(yīng)通過省級網(wǎng)絡(luò)傳輸或采取建站等方式，增加區(qū)域衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收處理站，在微觀尺度上實現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域的高頻次、分時段、全覆蓋監(jiān)測。

4.3 提升著火點(diǎn)識別技術(shù)，完善監(jiān)測業(yè)務(wù)系統(tǒng)

衛(wèi)星遙感監(jiān)測在判識林火時，容易受到噪聲點(diǎn)、水面耀斑、云頂耀斑等因素的干擾[10]。存在火場面積小難于探測、衛(wèi)星定位火點(diǎn)與實際火點(diǎn)偏差較大等問題。因此，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)先進(jìn)的研究成果轉(zhuǎn)化率，完善數(shù)據(jù)接收、處理平臺，完善“林地一張圖”，優(yōu)化地圖配置，減少其他熱點(diǎn)誤差。同時，建立核查反饋機(jī)制，做好系統(tǒng)校準(zhǔn)修正。

4.4 探索與先進(jìn)項目對接，進(jìn)一步推動森林防火工作高效發(fā)展

近年來，國家相繼發(fā)射了多顆高分衛(wèi)星，并大力發(fā)展5G技術(shù)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。未來，應(yīng)積極探索高分衛(wèi)星等新型衛(wèi)星的應(yīng)用技術(shù)，充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能和云計算等分析技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器等觀測技術(shù)，融合信息化指揮巡護(hù)系統(tǒng)。