簡(jiǎn)析衛(wèi)星遙感信息技術(shù)在東北林區(qū)森林防滅火工作中的應(yīng)用

李洪雙

東北林區(qū)是我國(guó)最大的林區(qū)之一，包括黑、吉、遼及內(nèi)蒙古部分區(qū)域，主要分布在大興安嶺、小興安嶺、完達(dá)山、張廣才嶺和長(zhǎng)白山一帶，全區(qū)共有森林面積6.8億畝，占全國(guó)森林總面積的37%，木材蓄積量達(dá)32億立方米，占全國(guó)木材總蓄積量的1/3。隨著我國(guó)造林綠化和退耕還林工程大面積的實(shí)施，使得森林覆蓋率大幅提升，加大了基層防火部門(mén)的工作任務(wù)。同時(shí)，受全球氣候變化異常和林區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁等因素的影響，森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，森林生態(tài)系統(tǒng)遭到不同程度的破壞，林區(qū)人民的生命安全受到一定影響。東北林區(qū)作為我國(guó)最大的天然林區(qū)，切實(shí)做好東北林區(qū)的森林防滅火工作對(duì)保護(hù)我國(guó)森林資源顯得尤為重要。為此，如何有效防范和化解森林火災(zāi)，積極應(yīng)用衛(wèi)星遙感信息高新技術(shù)為森林防滅火服務(wù)，從根本上把森林火災(zāi)的損失減少到最低限度，已成為鞏固綠化成果，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)林業(yè)跨越式發(fā)展和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

衛(wèi)星遙感技術(shù)是通過(guò)人造地球衛(wèi)星裝載的傳感器對(duì)地球表面的電磁波輻射信息進(jìn)行探測(cè)，經(jīng)信息的傳輸、處理和分析，判識(shí)地球環(huán)境和資源的現(xiàn)代化高新技術(shù)。在森林環(huán)境監(jiān)測(cè)中，特別在森林資源調(diào)查、林業(yè)生態(tài)工程監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)警、森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，它具有的探測(cè)范圍廣、周期短、連續(xù)性強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前，衛(wèi)星遙感技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于我國(guó)的森林防滅火工作中，其應(yīng)用技術(shù)亦日臻成熟，其重要作用愈來(lái)愈凸顯。

一、遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)工作原理

遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)是以衛(wèi)星作為空間平臺(tái)，通過(guò)傳感探測(cè)器發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)并監(jiān)測(cè)其行為的航天遙感技術(shù)手段。由于具有一定溫度（高于絕對(duì)溫度）的物體會(huì)不斷產(chǎn)生紅外輻射能量這一特性，借助衛(wèi)星裝載的高分辨率輻射計(jì)通過(guò)大氣窗口從幾百公里高空對(duì)地球表面進(jìn)行掃描，探測(cè)出地面物體發(fā)出的熱輻射能。

通常林火的輻射溫度在900 K左右，而其背景林地植被的地表溫度一般僅為300K左右，與林火溫度有較大的溫度反差。根據(jù)斯特藩一玻爾茲曼定律：黑體的輻射強(qiáng)度（E）與其絕對(duì)溫度（T）的關(guān)系，可以從物體的輻射強(qiáng)度反推出物體的溫度。根據(jù)維恩位移定律：可以計(jì)算出林火的輻射能峰值波長(zhǎng)為3.6μm左右（為絕對(duì)溫度為T(mén)時(shí)黑體輻射能峰值的波長(zhǎng)）。衛(wèi)星遙感器的中紅外通道可以探測(cè)到此光譜波長(zhǎng)范圍，可有效地監(jiān)測(cè)林區(qū)的高溫?zé)狳c(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)。

二、應(yīng)用于森林防火領(lǐng)域遙感衛(wèi)星概述

目前，應(yīng)用于東北林區(qū)森林防火的在軌遙感衛(wèi)星主要有美國(guó)NOAA系列、EOS系列和我國(guó)FY-3系列衛(wèi)星。

（一）NOAA系列衛(wèi)星

NOAA系列衛(wèi)星是美國(guó)國(guó)家海洋大氣局的第三代實(shí)用氣象觀(guān)測(cè)衛(wèi)星，第一代稱(chēng)為T(mén)IROS系列，第二代稱(chēng)為ITOS系列，第三代稱(chēng)為NOAA系列。目前，用于東北林區(qū)森林防滅火監(jiān)測(cè)的為NOAA系列衛(wèi)星（主要包括N OAA-18和NOAA-19），其軌道是接近正圓的太陽(yáng)同步軌道，軌道高度為870Km和833Km，軌道傾角為98.9°和98.7°，周期為101.4Min，星下點(diǎn)分辨率為1.1Km。NOAA衛(wèi)星搭載的探測(cè)器主要有甚高分辨率輻射計(jì)（AVHRR）和泰羅斯垂直分布探測(cè)儀（TOVS），NOAA/AVHRR的第3通道對(duì)溫度反應(yīng)較為敏感，適合林區(qū)森林火災(zāi)的宏觀(guān)監(jiān)測(cè)和災(zāi)后植被恢復(fù)情況的跟蹤監(jiān)測(cè)。由于1顆衛(wèi)星每日至少可以對(duì)地面同一地點(diǎn)進(jìn)行2次觀(guān)測(cè)，所以利用NOAA系列衛(wèi)星（NOAA18和NOAA19）每日可以對(duì)東北林區(qū)同一區(qū)域進(jìn)行4次林火監(jiān)測(cè)。

（二）EOS系列衛(wèi)星

EOS系列衛(wèi)星上裝載有先進(jìn)的空間熱輻射反射輻射計(jì)（ASTER）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）、多角度成像光譜輻射計(jì)（MISR）、中分辨率成像光譜儀（MODIS）、對(duì)流層污染探測(cè)裝置（MOPITT）5種對(duì)地觀(guān)測(cè)儀器，其中MODIS分別搭載在Terra （EOS-AMl）和Aqua （EOS-PMl）兩顆太陽(yáng)同步極軌衛(wèi)星上，MODIS數(shù)據(jù)具有多光譜分辨率（36個(gè)波段）、多空間分辨率（可見(jiàn)光具有250m、500m、1000m=種）、高時(shí)間分辨率（每日過(guò)頂2次）等特點(diǎn)，衛(wèi)星軌道高度為705km，掃描寬度為2330km。其中Terra由南向北降軌運(yùn)行，當(dāng)?shù)貢r(shí)間10：30通過(guò)赤道，Aqua由北向南升軌運(yùn)行，當(dāng)?shù)貢r(shí)間13：30通過(guò)赤道，這兩顆衛(wèi)星的軌道重復(fù)周期約為1.2天，MODIS數(shù)據(jù)在時(shí)間更新頻率上相配合，可以得到每日最少2次白天和2次黑夜的數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)更新頻率，對(duì)東北林區(qū)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)和救災(zāi)具有十分重要的實(shí)用價(jià)值。

（三）FY-3系列衛(wèi)星

FY-3系列衛(wèi)星是為滿(mǎn)足中國(guó)天氣預(yù)報(bào)、氣候預(yù)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的迫切需求建設(shè)的第二代極軌氣象衛(wèi)星，其目標(biāo)是獲取地球大氣環(huán)境的三維、全球、全天候、定量、高精度資料。衛(wèi)星搭載的可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）共有10個(gè)光譜通道，其中既有高靈敏度的可見(jiàn)光通道，又有3個(gè)紅外大氣窗區(qū)通道，星下點(diǎn)分辨率為1.1Km。從2008年5月27日FY-3A發(fā)射以來(lái)FY-3系列衛(wèi)星已成功發(fā)射5顆衛(wèi)星（FY-3A. FY-3B、FY-3C、FY-3D、FY-3E）。FY-3NIRR主要用途是監(jiān)測(cè)全球云量，判識(shí)云的高度、類(lèi)型和相態(tài)，探測(cè)海洋表面溫度，監(jiān)測(cè)植被生長(zhǎng)狀況和類(lèi)型，廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等重要領(lǐng)域，可探測(cè)地物溫度異常，適用于對(duì)森林火災(zāi)等災(zāi)害的監(jiān)測(cè)及評(píng)估等。目前，用于東北林區(qū)森林防火監(jiān)測(cè)的FY-3系列在軌衛(wèi)星為FY-3C，它接替FY-3A作為監(jiān)測(cè)林區(qū)森林火災(zāi)的主要星源，在東北林區(qū)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警中發(fā)揮著重要作用。

三、衛(wèi)星遙感信息技術(shù)在森林防火應(yīng)用中存在的不足

衛(wèi)星遙感信息技術(shù)為東北林區(qū)森林火災(zāi)的預(yù)防和撲救提供了重要的科技手段。隨著近年來(lái)衛(wèi)星遙感信息技術(shù)的迅速發(fā)展和配套設(shè)備及軟件水平的升級(jí)，其精度和效率已有了較大進(jìn)步。但是，衛(wèi)星遙感信息技術(shù)在森林防滅火領(lǐng)域的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題和不足。

（一）林火高發(fā)時(shí)段星源偏少且過(guò)境時(shí)間不均衡

根據(jù)森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律，林火大概率發(fā)生在中午時(shí)段。如果林火初發(fā)階段不及時(shí)被發(fā)現(xiàn)處置，極易釀成較大森林火災(zāi)，進(jìn)而造成國(guó)家森林資源的破壞。目前，用于東北林區(qū)森林火災(zāi)在軌運(yùn)行的NOAA系列、EOS系列和FY-3系列極軌衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間主要集中在當(dāng)?shù)貢r(shí)間7時(shí)至11和13時(shí)至16時(shí)。雖然衛(wèi)星每日可對(duì)同一區(qū)域覆蓋2次，但是在下午林火高發(fā)時(shí)段過(guò)境東北林區(qū)的衛(wèi)星短缺且監(jiān)測(cè)時(shí)間分布不均衡，不能滿(mǎn)足東北林區(qū)森林防滅火工作的需求。

（二）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受干擾因素較多

衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)受季節(jié)、大氣云層、軌道漂移等因素干擾使監(jiān)測(cè)結(jié)果存在偏差。地表植物隨季節(jié)的變化表現(xiàn)出不同的季相特征，對(duì)電磁波輻射的吸收和反射能力表現(xiàn)不同，導(dǎo)致同一地物因季節(jié)不同表現(xiàn)不同的衛(wèi)星遙感影像信息，由于大氣及地面對(duì)電磁波的散射、吸收和折射，使電磁波能力衰竭損耗影響了衛(wèi)星遙感圖像灰度值，同時(shí)，遙感氣象衛(wèi)星還不具備穿透較厚云層探測(cè)云下高溫?zé)彷椛淠芰Γl(wèi)星監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)容易受到云霧的遮擋，隨著衛(wèi)星使用年限的增長(zhǎng)、衛(wèi)星軌道的漂移及衛(wèi)星姿態(tài)等因素影響，可導(dǎo)致遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)林火熱點(diǎn)位置、像素大小存在誤差。

（三）衛(wèi)星空間分辨率較低并產(chǎn)生混合像元現(xiàn)象

目前，應(yīng)用于東北地區(qū)林火監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)主要以NOANAVHRR、EOS/MODIS和FY-3NIRR等中低空間分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為主，因空間分辨率低對(duì)監(jiān)測(cè)林區(qū)較小熱點(diǎn)靈敏度不高。同時(shí)，東北林區(qū)有許多農(nóng)林交錯(cuò)地帶，存在農(nóng)林間種等現(xiàn)象，加之遙感衛(wèi)星分辨率較低導(dǎo)致衛(wèi)星圖像同一像元包含不同種地物，且地物間存在著不同比率的組合，造成在對(duì)一個(gè)像元進(jìn)行分析時(shí)，不能通過(guò)遙感衛(wèi)星圖像準(zhǔn)確判斷出林區(qū)熱點(diǎn)屬性，存在著熱點(diǎn)不確定性。