浙江省基于靜止氣象衛星的衛星林火監測系統構建思路

李少虹，潘穎瑛，趙晨晨，梁君瑛，王寧杭，張 耿

(浙江省航空護林管理站，浙江 杭州 310020)

森林火災是減少森林資源、破壞生態系統的主要因素之一，破壞性大、突發性強、災后修復周期漫長，被聯合國糧農組織列為世界八大自然災害之一。據統計，1950-2010年間，我國累計發生森林火災760961起，受害森林面積高達174.99萬hm2，年均分別高達12683起、7.95萬hm2[1]。浙江省森林火災也頻繁發生，僅1996-2019年這24年間就累計發生8808起，受害森林面積達58818.30hm2，年均分別為367起、2450hm2。林火監測是森林防火工作中重要環節之一，是實現“打早、打小、打了”目標的重要基礎，目前有地面巡護、瞭望監測、飛機巡護、衛星監測、視頻監控等手段。其中衛星監測具有覆蓋面積大、獲取數據便捷、監測成本低、受人為因素影響小等優點，被譽為森林防火工作的“千里眼”，特別是新一代靜止氣象衛星陸續發射上天，其應用是未來發展的一個重點方向。為提高浙江省森林火災監測能力，本文從氣象衛星發展和森林火災發生情況出發，提出了基于靜止氣象衛星的衛星林火監測系統構建思路。

1 衛星林火監測原理與發展應用

1.1 衛星林火監測原理

高于絕對溫度的物體都在不斷向外輻射電磁波，溫度升高會導致熱輻射增強[2]，衛星林火監測正是利用這一原理，根據不同物體熱輻射的差異性來判定火點。衛星所攜帶的探測器可以對不同波段的電磁波進行分辨，根據衛星接收到的不同波長的輻射，即可推算物體溫度。輻射波長包括可見光波段、紅外波段和微波波段，根據維恩位移定律，常溫地表輻射峰值波長在11μm左右，而物質著火時溫度可達750K以上，輻射峰值波長位于4μm左右的紅外通道上[3]。以AVHRR為例，AVHRR第3通道是波長為3.55～3.93μm的熱紅外線，對林火極為敏感，林火溫度的輻射波長正好對應衛星探測器的紅外通道，可明顯顯示為亮紅色熱點，與背景色進行清晰的區分[4,5]。而對火點進行快速、精準的定位則需將探測器獲得的信息與地理信息系統(GIS)技術相結合。運用GIS系統的地理信息數據庫將森林、水系、道路、森林分布等結合到三維地理坐標中去，經過分析、計算后得出森林火災的準確定位[5]，便于快速核查熱點的具體情況。

1.2 衛星林火監測應用與發展

衛星監測在森林火災防控方面具有很多作用，不僅能夠實現及早發現森林火災，也能通過連續跟蹤監測掌握森林火災的發展蔓延態勢并進行火場面積和損失情況估算。國際上美國、俄羅斯、日本、加拿大等發達國家都相繼開展了氣象衛星林火監測業務，目前已組成了全球氣象衛星觀測網。1987年“5.6”大火時，我國就開始嘗試使用氣象衛星監測森林火災；1993年由黑龍江政府、原國家計委和林業部組織實施了《提高氣象衛星探測森林火災精度和軟件包的研制》，建立了衛星林火監測業務系統；1995年原林業部建立了“全國衛星林火監測信息網”并先后設立4個衛星林火監測單位，對全國森林火災實施全面宏觀監測，并對重大森林火災實施連續跟蹤監測。經過30多年來的發展，已經在全國范圍內形成規模化業務，對森林火災監測和有效控制起到了重要的作用。

根據衛星運行軌道差異，氣象衛星可分為太陽同步軌道氣象衛星和地球同步軌道氣象衛星兩大類，即極軌氣象衛星和靜止氣象衛星。極軌氣象衛星是一種軌道與太陽同步、通過地球南北極的衛星，一晝夜可經過同一地點上空2次，軌道高度約為800km，其搭載的探測器具有較高的空間分辨能力和高溫敏感通道，具備較高的火點判別能力和定位精度，已廣泛應用于林火監測。目前我國主要應用的仍是極軌氣象衛星，主要有AVHRR/NOAA、MODIS/EOS、VIRR/FY-3和VIIRS/NPP等。其中FY-3號氣象衛星是我國自主研制并達到國際先進水平的新一代極軌氣象衛星，其搭載的可見光紅外掃描輻射計(VIRR)特設了T3(3.55～3.93μm)，結合T1～T4可見光波段，能夠較好地用來監測森林火災。經過多年的發展，極軌氣象衛星林火監測已成為各省尤其是國家宏觀層面監測森林火災動態最有效的技術手段之一。2001年以來，國家防火辦通過衛星監測到熱點149271個，核查反饋為森林火災的有16444起，年均843起(統計顯示年均6645起)，成效顯著。

靜止氣象衛星運行軌道距離地球約36000km，地星距離是極軌氣象衛星的4倍多。早先由于地星距離和探測器分辨率的限制，靜止氣象衛星無法用于林火監測，近來隨著科技進步，衛星軟硬件飛速發展，氣象衛星資料的應用技術有了長足進步。如2014年10月發射的日本Himawari-8靜止氣象衛星，搭載AHI成像儀，能夠在10min內完成全盤掃描，擁有16個通道，涵蓋0.46～13.3μm波段，空間分辨率最高可達0.5km[3]。中國氣象局國家氣象衛星中心可以實時接收Himawari-8全部通道原始分辨率的數據，相關科研人員利用這些數據對東北興安嶺林區、甘肅省迭部縣達拉林場以及廣東省等多地發生的森林火災進行了研究和對比分析，提供了相關應用實例[6～8]。而我國的FY-4是新一代靜止氣象衛星，于2016年12月發射成功，其擁有的微波大氣探測技術為世界首創。FY-4上搭載的AGRI成像儀特性與AHI相似，能夠在15min內完成全盤掃描，擁有涵蓋0.45～13.8μm的14個通道，空間分辨率有0.5km、1km、2km、4km等4種[3]，對比我國第一代靜止氣象衛星FY-2C(每小時觀測1次、空間分辨率為5km)，性能有了相當高的提升。目前AGRI/FY-4應用于林火監測還在研究中，部分科研單位已開發出相應算法，正在進行檢驗并不斷優化。

1.3 靜止氣象衛星的優勢

與FY-2等上一代靜止氣象衛星相比較，以Himawari-8、FY-4等為代表的新一代靜止氣象衛星的時空分辨率和通道數成倍增長；而與極軌氣象衛星相比，除了空間分辨率相對較低以外，新一代靜止氣象衛星在時間分辨率、連續觀測能力、覆蓋范圍等方面均有優勢，能夠彌補極軌氣象衛星監測存在空白時段這一不足(詳見表1)。通過新一代靜止氣象衛星的應用，不僅能夠實現及早發現森林火災，達到全覆蓋、高頻次的要求，還能夠對森林火災的發展態勢進行連續跟蹤，獲取火情發展的動態變化數據，為森林火災的科學撲救提供決策依據。

2 系統構建思路

從浙江省1996-2015年森林火災情況來看，一天中森林火災的發生高峰期在10至16時(占86.76%)，16時后次數明顯下降，但極軌氣象衛星在我省上空過境時間主要集中在6至9時和16至20時，中間時段少有觀測數據，等到衛星監測到熱點并推送報警時往往火勢較大或當地已接到群眾報警正在撲救，不利于實現森林火災的“打早、打小、打了”。2001年以來，浙江省通過國家防火辦衛星林火監測系統監測到熱點2556個，核查反饋為森林火災的有933起，年均約49起(統計顯示年均335起)。浙江省在國家防火辦衛星林火監測系統的基礎上運用靜止氣象衛星開展林火監測，能夠進一步補充我省森林火災監測手段，為森林防火工作提供更加準確、及時和穩定的火情監測信息，對提升森林火災綜合防控能力具有重大意義。

2.1 已具備的基礎條件

1)衛星數據資源日益豐富。我國和世界各國為應對氣象和其他自然災害的監測評估，發射了大量的遙感衛星，包括FY-3系列、NOAA系列、EOS系列等極軌氣象衛星和FY-4、Himawari-8、千里眼2號等靜止氣象衛星，能很好地覆蓋我國中東部地區，可初步滿足氣象和自然災害監測、評估的應用需求。目前國內氣象部門已運用靜止氣象衛星開展強對流天氣、臺風、霧霾等天氣過程的監測業務，省內氣象部門也已開展海上大霧、積雪等的監測，取得了一定的成效[9～12]。

2)衛星林火監測技術日趨成熟。衛星遙感特別是極軌氣象衛星林火監測技術經過30多年的發展已日趨成熟，其火點識別算法模型、火點定位精度、監測報告準確度、監測報告時效都有了大幅度提高。靜止氣象衛星熱點判識算法和定位精度能夠在極軌氣象衛星林火監測技術基礎上進行研究和優化，并與其開展對比驗證，進一步提高熱點判識精度，提高林火監測能力。

3)現代技術發展提供有力支撐。靜止氣象衛星觀測間隔短，數據量大，呈現出明顯的“大數據”特征，加上遙感數據的直接可讀性較差，往往依賴專業人員進行轉化，效率相對較低，一定程度上制約著應用和推廣。但是近年來大數據、云處理、人工智能等現代技術的發展，能夠高效率、低成本地處理原始數據，從而快速進行數據獲取傳輸、通道提取、耀斑濾除、熱點判識等流程，并不斷優化改進，實現高效、穩定、精確的林火監測。

4)優良經濟條件提供有力保障。浙江省是中國經濟最發達、最活躍的省(市、區)之一，地區生產總值和財政總收入均居全國前列，2019年全省生產總值(GDP)62352億元，財政總收入12268億元，一般公共預算支出10053億元[13]。浙江省經濟條件相對優越，完全具備系統建設所需經濟條件，對其后期運行維護也有足夠的資金保障。

2.2 建設內容

系統將開發建設靜止氣象衛星數據接收模塊、林火監測業務處理模塊及數據成果顯示發布共享模塊，同步應用FY-4、Himawari-8等多源衛星實時數據資料，實現衛星數據預處理、林火監測分析、衛星資料及產品顯示等三大功能，以提升衛星林火監測水平。根據相關要求，系統將建設在政務云平臺上運行。具體結構圖見圖1。

2.3 運行流程

浙江省衛星林火監測系統首先接收FY-4等靜止氣象衛星遙感數據，后續對其進行數據通道提取、區域投影、定位校準、火點自動判識、人機交互調整、常規熱源剔除、圖像保存輸出等流程，最終發布疑似火點及其監測圖像，并同步推送至浙江省自然災害防控平臺、短信、釘釘等進行實時報警，由疑似火點所在地進行核查反饋。其中火點判識算法將在已有算法基礎上進行參數本地化改進，建立更適合浙江區域的靜止氣象衛星林火監測算法。

2.4 建設目標

通過建立該系統，提供全天候、高頻次(10～60min間隔)、全覆蓋的衛星林火監測服務，實現及早發現200m2的初發火情，且報警準確率達到95%以上、定位精度達到1km；在發現熱點后立即通過聲光等方式報警，并同步推送至浙江省自然災害防控平臺和指定釘釘、短信；支持熱點信息在線查詢、動態顯示、多次反饋、分析導出等功能，顯著提高我省森林火災監測能力和技防能力。

3 結論與展望

綜上所述，靜止氣象衛星林火監測具有時間分辨率高、連續觀測能力強等優點，便于森林火災早期發現、早期處置、科學撲救。系統建成后，將同地面巡護、視頻監控、航空護林等形成“四位一體”的立體林火監測體系，切實提升浙江省森林火災實時監測能力，有效預防發生重特大森林火災，有利于保障森林資源和國土生態安全，助力推進生態文明建設以及“美麗浙江”、“森林浙江”和“平安浙江”的順利實施。