高分衛星助力云南省森林防火監測與評估應用

文｜陳晨 王力 杜新 李雁 李衛海 包婭萍 王艷英 邵妍妍

1.云南省國防科技工業局綜合研究所（高分辨率對地觀測系統云南數據與應用中心）2.國家國防科工局重大專項工程中心3.北京航天泰坦科技股份有限公司

一、前言

云南屬山地高原地形，山地面積33.11 萬平方千米，占全省國土總面積的84%，是中國的主要林區，同時也是中國重要的森林資源基地之一。2015 年以來，云南省森林資源加速增長，森林覆蓋率增加了9.34 個百分點，高達65.04%，森林面積達到23.93 萬平方千米，居全國第二位，森林蓄積量達到20.67 億立方米，居全國第三位，是名副其實的“千山之省”。云南還是我國物種豐富度最高的省區之一，動物種類數為全國之冠，也是全國植物種類最多的省份，豐富的森林資源和物種資源讓防火工作面臨巨大壓力。森林火災是全球最主要的自然災害之一，由于森林是極難控制的天然火災源，對森林防火的要求更高，森林火災一旦發生，不僅會給生態環境和人民生命財產造成巨大損失，還會對國民經濟發展帶來不利影響。目前，我國森林火災的發生具有明顯的季節性特征。每年的3—9 月是我國森林火災易發、高發期，其中3—4 月又是我國森林防火期內高火險時段[1]。同時，由于南方多雨濕熱氣候的影響，山火發生前往往會有較多積雨云覆蓋，使得山火易發、難控、易成災。森林防火工作具有復雜性和艱巨性，是確保森林資源和生態安全的重要保障，也是生態環境保護工作的重要組成部分。

火災發生后必須盡快采取應急措施，針對林火易發生的時段和區域，做到早發現、早處置，防止生命、財產的意外損失和環境的破壞。加強災后評估和管理，逐步完善森林災害的全過程監控機制，利用高科技手段提高森林火災的預防和預警、分析和決策、規劃和調度，為森林消防贏得寶貴的時間，最大限度減少損失，是森林防火發展的必然趨勢。目前，云南省森林防火工作多采用視頻監測、遠程廣播、巡護值守等結合的模式。本文以高分衛星遙感森林防火監測系統及應用為切入點，介紹了高分辨率對地觀測系統云南數據與應用中心（以下簡稱“云南高分中心”）在森林防火監測與評估方面的探索與嘗試。

二、森林防火遙感監測需求

云南省豐富的森林資源、多樣的氣候條件、復雜的地形地貌和近年來快速發展的社會經濟帶來的資源消耗、生態壓力越來越大，致使森林火災頻發、火險氣象等級居高不下，森林防火工作依然面臨嚴峻挑戰。目前，我國森林防火工作存在森林防火基礎設施建設薄弱、監測手段落后、預警能力不強、應急響應能力不足等問題。

隨著現代科學技術的發展，衛星遙感技術作為一種重要的空間觀測技術，已成為林火監測和撲救工作中不可或缺的技術手段之一。《云南省數字政府建設總體方案》中提到，聚焦資源管理、森林草原防火等監測，構建衛星遙感、低空巡航、視頻監控、定點觀測、地面巡護一體化的生態物聯網綜合監測控體系，不斷提升林草資源監測能力。高分衛星具有全天候、全天時、高空間分辨率和高光譜分辨率的特點，具有覆蓋范圍廣、采集速度快、成本低等優勢[2]，可應用于城市森林防火監測[3]、森林火險預警[4]和撲救等方面，為森林火災監測提供全新途徑。利用高分衛星遙感、云計算、大數據、人工智能等現代信息技術，建立高分衛星遙感森林防火監測系統，提升林火衛星遙感預警監測業務應用能力，使其具有高效、高精度的生成林火預警監測專題產品的能力，進而形成“高分衛星數據獲取—火情產品生產—火情信息共享服務”的業務流程，有助于森林火險的科學預防、撲救與災后恢復重建。

三、森林防火監測系統建設

1.云南省森林防火監測系統建設情況

近些年來，高分云南中心依據數字林業總體建設方案的規劃部署，全面加快全省各地林草感知“一張網”及森林防火監測系統建設，基于國產自主高分遙感數據、基礎地理數據、無人機數據、實時視頻監控數據、森林資源數據、森林火災歷史數據，重點從衛星遙感視頻監控聯查、GIS 與視頻監控和護林員指揮調度聯動等方面進行研制，實現并突破3S 技術與視頻監控技術的融合應用，形成以視頻監控為主，融合衛星監測、無人機監測、人工巡護的“空、天、地、人”立體化的森林防火預警監測體系。目前，已有多個州、市完成森林防火監測系統建設并投入使用，該系統的運用為云南森林防火工作提供數字化賦能，在提升火情處置能力，協助做好火情早發現、早報告、早處置，實現森林草原火災的“打早、打小”方面產生了積極作用，切實為森林防火工作的高效、有序開展夯實基礎。其中，衛星林火監測應用依托多源高分辨率衛星，同時整合森林防火相關數據與應用，開發出衛星林火熱點視頻核查系統，實現衛星林火監測與視頻監控、護林員端移動巡檢的有機結合，真正建立天地一體化森林火災監測體系，進一步擴大數據采集范圍，提高森林火災監測覆蓋率，提升預防和控制森林火災的綜合能力。

2.高分衛星遙感森林防火監測系統

高分衛星遙感森林防火監測系統基于高分一號、高分四號等衛星數據，采用實時數據傳輸、分析、反饋，為云南提供了火點監測預警、時段火情查詢、短信自動推送、區域氣象實況等服務，實現林火“識別—預警—定位—分析—處置”的業務流程，提供衛星熱點實時接收、衛星林火地理定位、衛星林火報警通知推送、衛星林火警報處理、衛星歷史火情管理、衛星熱點視頻核查等功能應用，其最大優勢是對大面積森林的無死角、全天候、實時監控，不僅可以及時發現早期林火，特別是邊遠地區和人煙稀少地區的林火，還可以對已發現的林火，特別是重大林火蔓延情況進行連續跟蹤監測，為撲火救火工作提供輔助決策，也可以為日常森林防火及航空護林提供氣象、地理信息。

四、森林防火遙感應用

1.數據源

《國家綜合防災減災規劃（2016—2020 年）》明確指出，在重點區域開展“天空地”一體化綜合應用示范，帶動區域和省級衛星減災應用能力發展。建立衛星減災應用信息綜合服務平臺，具備產品定制和全球化服務能力，為我國周邊及“一帶一路”沿線國家提供災害遙感監測信息服務。利用高分一號、高分六號衛星大幅寬、高分二號衛星高空間分辨率、高分四號衛星高時間頻次動態實時等優勢，開展火災近實時跟蹤監測，為森林火災預防監測研究工作提供重要數據來源，可應用于森林火災智能預警、動態監測、災損評估等。

2.應用

（1）森林火災智能預警

通過衛星遙感林火監測，進行大面積、常態化、持續性監測，有效彌補林火視頻監測覆蓋率不足的問題，根據火點位置近實時模擬火災的傳播方向和蔓延速率，為火災的救援提供科學指導。強化衛星遙感、大數據、云計算、物聯網等技術融合創新應用，加強綜合監測預警系統建設，提高預報預警時效性準確性[5]。

（2）森林火災動態監測

高分衛星結合3S 技術、物聯網、工業互聯網、視頻識別、5G 等技術，可提高災害事故監測感知能力[6]，實時獲取衛星覆蓋區域內的火點數據，對火點位置進行高精度定位和監控，對火點態勢進行及時探測和監測，實現融合應用與動態監測。

2020 年3 月27 日麗江市寧蒗縣紅橋鎮，3 月29日香格里拉市虎跳峽鎮金星村、麗江市玉龍縣九河鄉、大理州鶴慶縣草海鎮，3 月30 日大理州賓川縣拉烏鄉碧雞村委會小龍潭村等多地相繼發生森林火災。通過高分四號衛星影像可以清晰看到火災發生的著火點及煙霧蔓延情況，及時提供給相關指揮決策部門，為火情撲救及災后評估提供信息支撐（圖1-2）。

圖1 麗江市、大理市、香格里拉市高分四號火災點及煙霧擴散情況監測

圖2 香格里拉市高分四號火災點及煙霧擴散情況監測

（3）森林火情災損評估

基于高分衛星數據，獲取過火區邊界，并實現災情分級、災情統計分析、計算受災面積和蓄積、災情統計報表生成，輔助災損評估和恢復評估。

2020 年3 月30 日18 時許，云南省昆明市祿勸縣翠華鎮爛泥箐突發森林火災。森林火災發生后，地物的光譜特征與火災前存在較大差異，受災地物顏色會變暗，利用大幅寬、高時間、高空間分辨率高分一號、高分六號衛星對火災發生區域進行觀測，快速實現火災前后信息識別與評估，提取受災面積（圖3）。

圖3 祿勸縣翠華鎮受災情況監測

（4）森林防火監測系統

高分衛星遙感森林防火監測系統可實現對衛星遙感林火熱點數據的實時接收、監測管理，24 小時不間斷地搜索用戶地區范圍內的火情實時監測數據，進行大面積、常態化、持續性監測，每10 分鐘完成一次全圓盤觀測，火點判識平均精度保持在85%以上。同時，對衛星熱點進行電子地圖位置標注，根據衛星熱點位置信息，自動反選監控范圍內的所有視頻設備，從不同視線角度對衛星熱點位置進行視頻聯動核查、火情態勢持續追蹤（圖4）。

圖4 高分衛星遙感森林防火監測系統應用

五、結語

在森林防火中科學合理地引入與應用遙感技術，可以顯著提升林火預測結果準確度、森林火災災情撲滅效率以及森林火災災情后評價的合理性[7]，有助于為后續森林防護提供科學的理論依據和指導。高分衛星森林防火監測分析與應用具有較高的精度和時效性，為防火工作提供決策支持，同時助力建設傳統調查與現代技術相結合的天、空、地一體化，點、線、面多尺度，“資源—生態環境—工程—災害”綜合的森林火災立體監測技術體系，全面提升國家森林資源監測、林火預警、林火災害監測和評價的水平，是推進森林防火工作的一項重要措施，對森林火災監測預警工作的意義重大，有利于推動全國應急管理部門信息化跨越式發展，為自然災害防治、生產安全事故預防、應急管理能力提升等提供有力支撐，切實保護人民群眾生命財產安全和國家安全。