環境減災二號衛星林草火災信息監測應用

文|覃先林 胡心雨 楊馨媛 劉倩

中國林業科學研究院資源信息研究所/國家林業和草原局林業遙感與信息技術重點實驗室

一、前言

森林草原火災具有突發性強、破壞性大、處置和撲救較為困難等特點，各國紛紛投入大量人力、物力以加強森林草原防火管理和預防撲救技術研究，并已取得了較多成果。隨著全球氣候變暖和極端天氣事件增加，近年來，國內外森林草原大火頻發，造成大量的森林草原資源和財產損失，有時還釀成慘重的人身傷亡事件，如我國四川省涼山州2019年和2020年發生的森林火災均造成了多人遇難。減少森林草原火災發生次數、降低火災造成的損失，是我國森林草原防火業務面臨的一項十分重要的工作任務。我國從“十一五”末期開始實施“高分辨率對地觀測系統重大專項”（簡稱高分專項），以滿足國民經濟建設、社會發展和國家安全的需要。在2013年到2019年期間，成功發射了7顆民用高分衛星，并應用于全國及周邊區域的森林草原火情監測、損失評估中，已成為我國森林草原防火管理的一種重要監測技術手段。

2020年9月27日，環境減災二號A、B（HJ-2A/B）衛星成功發射，衛星均配置了16m相機、高光譜成像儀、紅外相機和大氣校正儀等4種載荷，可提供16m多光譜（CCD）、48m高光譜（HSI）和48/96m紅外圖像（IRS）數據。HJ-2A/B衛星用于接替在軌超期運行的環境減災一號A、B（HJ-1A/B）衛星，以防災減災、環境保護為主要業務，可為自然災害要素監測、土地利用宏觀監測、水資源監管與保護、農作物面積動態監測與產量評估、地震應急救援等提供支撐。為探究該衛星數據在林業和草原行業的應用潛力，中國林業科學研究院資源信息研究所參與了該衛星的在軌測試工作，結合我國林業和草原行業衛星遙感監測業務需求，分別從森林資源、濕地、荒漠化和森林草原火災等監測應用領域開展了測試。本文介紹了利用HJ-2A/B衛星在軌測試階段獲取到的16m CCD 數據和48/96m的IRS數據，對其在森林草原火災監測中的應用能力進行測試評價。

二、測試數據與方法

1.測試數據

為降低森林草原火災發生，四川省涼山彝族自治州于2020年12月在所轄林區內實施了計劃燒除活動，林內可燃物燃燒釋放出大量的煙，并形成了火燒跡地。本文選取了2020年12月覆蓋該區域的HJ-2A/B衛星16m CCD數據，通過CCD影像中的煙區分布特征和植被燃燒后特征，對該影像中的燃燒點和火燒跡地進行判識；利用覆蓋云南省華坪縣2021年2月2日發生森林火災的HJ-2A/B衛星的48/96m IRS數據獲取影像中的燃燒點，從而對HJ-2A/B衛星這兩種傳感器在森林草原火災監測中的應用能力進行測試評價。所選取的HJ-2A/B衛星數據見表1。

表1 測試評價所選用的HJ-2A/B衛星數據

在分析中，為對比HJ-2A/B衛星數據林火災情信息提取的能力，還選取了2020年4月16日的高分六號（GF-6）衛星2/8m多光譜高分辨率相機（PMS）影像，及其獲取的火燒跡地邊界數據作為參考數據，因該數據可清晰顯示出2020年3月30日發生在四川省涼山彝族自治州西昌市內森林火災形成的火燒跡地。

2.測評方法

在對選取的HJ-2A/B衛星16m CCD數據進行輻射定標、幾何校正、計算大氣上界反射率等處理后，通過多通道合成增強處理，并根據多光譜影像中煙區的分布和植被燃燒后形成的影像特征，采用目視解譯方法，判斷解譯得出CCD影像中正在燃燒的區域和火燒跡地；并根據收集的森林草原火災信息，以及與GF-6 衛星PMS的2/8m數據解譯得到的火燒跡地結果進行對比，評價利用HJ-2A/B衛星多光譜數據進行林草火情信息提取的應用能力。

在對選取的HJ-2A/B衛星IRS影像進行輻射定標、幾何校正、計算大氣上界反射率和亮溫值等處理后，采用閾值方法自動判識出影像中的燃燒點，并與其影像疊合來評價該數據識別森林草原火災監測應用能力。

三、結果與分析

1.HJ-2A/B衛星CCD數據林草火情信息監測

利用經預處理后的2020年12月25日的HJ-2B衛星多光譜影像數據和2020年12月27日的HJ-2A衛星多光譜影像數據，通過利用其不同波段組合并增強處理后，采用目視解譯方法，結合影像中煙區分布和植被燃燒后形成的特征，判讀解譯出火燒跡地的邊界范圍及林內可燃物的燃燒點位置，所得結果如圖1和圖2所示。

圖1 HJ-2B CCD數據燃燒點和火燒跡地解譯結果

圖2 HJ-2A CCD數據燃燒點解譯結果

從圖1中可以看出：利用HJ-2B衛星多光譜影像的波段5、4、1進行R、G、B組合，并采用線性增強處理后，不僅可以較好地顯示出林內植被的分布，還能夠根據組合后的影像，判讀解譯出影像中的燃燒點和火燒跡地。

從圖2中可以看出：利用HJ-2A衛星多光譜影像的波段3、2、1進行R、G、B組合，并采用線性增強處理后，影像中的煙區分布非常明顯，通過煙區的空間分布，不僅可以目視判讀出正在燃燒的區域，而且還可以結合周圍植被分布狀況，判斷出火勢將會蔓延的方向，這樣有利于對火場的防控部署；并且還可以根據解譯判讀燃燒點結果，得出該區域燃燒點的位置和數量。

2.HJ-2A衛星IRS燃燒點識別應用

利用2021年2月2日的HJ-2A衛星IRS數據，采用2021年4月1日中國資源衛星應用中心提供的定標參數，進行輻射定標、幾何校正、計算大氣上界反射率和亮溫等處理后，通過目視選取HJ-2A衛星IRS影像中的著火點和非著火點樣本，并對選取的樣本進行統計分析，發現著火點位置在中心波長約4.0μm波段的亮溫值比中心波長11.0μm波段的亮溫均值超過20K，表明HJ-2A衛星IRS影像可較好地反映異常高溫信息，有利于進行林內可燃物燃燒形成的燃燒點識別和火情監測。

采用閾值方法，對IRS影像中的高溫目標進行識別，并將其與IRS合成影像疊加制圖，結果如圖3（a）所示。

圖3 HJ-2A衛星IRS影像火情檢測結果

從圖3（a）可以看出，利用IRS的熱紅外數據判識出的燃燒點與影像中的位置和數量均較一致，表明該衛星數據可有效識別出森林火災發生中的燃燒點信息；同時，利用該衛星的1.64μm、0.82μm和0.67μm波段進行假彩色增強處理后，如圖3（b）所示，可以看出剛被火燒的區域呈現出褐色影像色調，與周圍的裸土區別比較明顯，從而有利于對森林火災形成的火燒跡地區域的提取與災后損失的評估應用。

3.火災后植被恢復狀況監測應用

利用2020年4月16日的GF-6衛星PMS影像，獲取四川涼山州西昌市“3.30”森林火災形成的火燒跡地邊界，與用2020年12月25日的HJ-2A衛星CCD多光譜影像數據對該森林火災發生后的植被恢復監測狀況進行比對，結果如圖4所示。

圖4 HJ-2A衛星CCD多光譜數據西昌市森林火災后植被恢復狀況監測結果

從圖4（a）中可以發現，在HJ-2A衛星多光譜合成影像上，已基本看不到該區域在2020年3月30日發生森林火災后形成的火燒跡地，該區域裸露地表極少；但從圖4（b）中的歸一化植被指數（NDVI）分級來看，該區域中大部分區域的NDVI值都在0.4以下，說明該區域雖然被植被覆蓋，但其長勢并不太好。當地政府為防止水土流失等次生災害發生，在火災發生后便開展了對該火燒跡地災后恢復治理工作，包括撒播了大量的草籽，表現在影像上，該區域基本已被綠色的植被覆蓋。

四、結論

測試工作表明，HJ-2A/B衛星CCD數據和IRS數據在林內可燃物燃燒形成的煙、燃燒點和火燒跡地的識別能力上均表現較好，尤其是16m的CCD影像，可較好地反映林內可燃物燃燒形成的煙區和火燒跡地等信息，利用煙區信息可判識出正在著火的區域，從而用于森林草原火災的早期發現和預警；同時，其空間分辨率和輻射分辨率可滿足森林火災災情信息評價中對HJ-2A/B衛星CCD和IRS數據質量的需求，且有利于為森林火災災后恢復評價等工作提供更精細的數據資料。

由于獲取到的可用HJ-2A/B衛星CCD和IRS數據的限制（尤其是僅有1景紅外數據上有燃燒信息），本次僅對四川省涼山彝族自治州和云南省華坪縣的煙、燃燒點和火燒跡地進行了測試。對于HJ-2A/B衛星數據是否能完全滿足森林火災災后定量評價業務的需求，還有待進一步驗證。隨著HJ-2A/B衛星投入業務運行，將為我國及周邊區域的森林草原火災預警監測工作提供大量的觀測數據，并發揮重要支撐作用。

致謝：感謝中國資源衛星應用中心為本研究提供了環境減災二號衛星數據。