高分四號衛(wèi)星在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用——以2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災(zāi)為例

文|胡心雨 蔣鳳 黃水生 楊馨媛 覃先林

1.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所

2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、引言

森林廣泛分布于陸地表面，是最為重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)。火作為自然環(huán)境的重要干擾因子，其影響具有兩面性，小尺度低強(qiáng)度的火對森林生態(tài)系統(tǒng)常具有積極影響性，如促進(jìn)植物再生發(fā)芽、加速枯落物營養(yǎng)礦化、增加本地物種豐富度等；而大尺度高強(qiáng)度的火則多具負(fù)面性，如減少森林自然資源，摧毀植被分布結(jié)構(gòu)，破壞原有生態(tài)平衡等[1-3]。森林- 城鎮(zhèn)交界域是荒野（無人居住的土地）和人類活動(dòng)開發(fā)的土地之間的過渡區(qū)域，也即人類環(huán)境與自然環(huán)境相遇或交織的區(qū)域[4-5]，國內(nèi)外研究表明，交界域森林火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)更大[6-7]。近年來我國城鎮(zhèn)化發(fā)展持續(xù)推進(jìn)，森林- 城鎮(zhèn)交界域面積不斷增大，伴隨全球氣候變化加劇，多地極端天氣頻發(fā)，森林火災(zāi)防治形勢日趨嚴(yán)峻。我國西南地區(qū)山多林密，城鎮(zhèn)村莊多沿山川而建，建筑民居散落分布，人類活動(dòng)頻繁，是典型的森林- 城鎮(zhèn)交界域聚集區(qū)域，森林火災(zāi)發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)高，且該地區(qū)大多山高坡陡，地形復(fù)雜，交通不便，森林火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)和后續(xù)撲救等工作相對困難。衛(wèi)星遙感以其覆蓋范圍廣、采集數(shù)據(jù)快、受限條件少等特點(diǎn)，已被證實(shí)是森林火災(zāi)宏觀監(jiān)測的重要手段之一[8-11]。如何充分利用高分四號衛(wèi)星不同傳感器的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為該地區(qū)森林火災(zāi)預(yù)警及撲救等災(zāi)害防治提供相應(yīng)科學(xué)決策支持的問題亟待解決。

二、火情動(dòng)態(tài)監(jiān)測方法

煙霧和著火點(diǎn)是森林可燃物燃燒過程的伴生現(xiàn)象，直接反映森林火災(zāi)發(fā)生發(fā)展態(tài)勢，是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙感火情動(dòng)態(tài)監(jiān)測的主要關(guān)注對象，對于森林火災(zāi)發(fā)生預(yù)警、蔓延預(yù)測等至關(guān)重要[12-13]。衛(wèi)星傳感器的可見光-近紅外波段常常可以較好地反映煙霧、火燒跡地等狀態(tài)信息[8]，煙霧的分布狀況（位置、范圍和形狀）變化間接反映火場即時(shí)風(fēng)向，也即火場蔓延趨勢方向，尤其在中高空間分辨率的多光譜影像更為明顯；衛(wèi)星傳感器的中遠(yuǎn)紅外波段區(qū)間對于異常高溫?zé)狳c(diǎn)（如著火點(diǎn)）較為敏感，其影像上的著火點(diǎn)信息可反映森林可燃物燃燒狀況[8]。本文利用具有多光譜傳感器和中波紅外傳感器的高分四號衛(wèi)星，將煙霧、著火點(diǎn)和過火區(qū)域等多種火場即時(shí)信息相結(jié)合，利用其中波紅外波段數(shù)據(jù)進(jìn)行著火點(diǎn)識(shí)別來監(jiān)測森林火災(zāi)的發(fā)生及火場燃燒狀況，利用其多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行煙霧擴(kuò)散方向判別進(jìn)而推斷火災(zāi)蔓延方向，并利用其不同時(shí)間監(jiān)測的過火區(qū)域發(fā)生的變化，結(jié)合氣象、地形等數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助補(bǔ)充并相互驗(yàn)證。綜合利用該衛(wèi)星不同類型傳感器的信息感知優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對森林火災(zāi)不同階段火場即時(shí)信息持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為森林防火和消防管理部門指導(dǎo)森林火災(zāi)綜合風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急救援處置提供快速準(zhǔn)確的輔助決策信息，切實(shí)提升衛(wèi)星遙感技術(shù)對森林防火管理的支撐力度。

三、云南安寧“4·13”森林火災(zāi)監(jiān)測

1.火災(zāi)概況

2023 年春季以來，云南省遭遇了1961 年以來平均強(qiáng)度最強(qiáng)、干旱日數(shù)最多、范圍最廣的嚴(yán)重氣象干旱，降水減少，氣溫上升，可燃物干燥，多地發(fā)生森林火災(zāi)。4 月13 日16 時(shí)21 分，安寧市溫泉街道官莊村北側(cè)發(fā)生森林火災(zāi)，其火場地形條件如圖1 所示，該區(qū)域城鎮(zhèn)村莊多依山川走勢而建，呈條帶狀分布于山腳河岸等處，混合型和交界型兩種森林-城鎮(zhèn)交界域均有存在。地勢北高南低，最大高差約為500m，村莊位于南部海拔較低處，平均海拔約為1800m；山頂位于北部海拔較高處，平均海拔約為2300m。坡度類型南北不同，南部多為緩坡和斜坡，坡度大小5°~25°；北部多為陡坡和急坡，坡度大小25°~45°，山頂附近常有險(xiǎn)坡，坡度大小55°以上。坡向類型多為陽坡，以東南坡- 南坡- 西南坡為主。植被隨海拔變化分布各異，山腳多為闊葉純林，山腰多為針闊混交林，山頂多為灌叢化的針葉純林。如圖2a、2b、2c 所示為不同海拔植被分布狀況。此外，該區(qū)域春夏季多為西南風(fēng)，經(jīng)收集統(tǒng)計(jì)火災(zāi)發(fā)生過程氣象數(shù)據(jù)（具體信息見表1），該區(qū)域除14 日晚至15 日晚風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)/東南風(fēng)/東風(fēng)外，其他時(shí)段均以西風(fēng)/西南風(fēng)為主。

表1 2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災(zāi)期間氣象數(shù)據(jù)信息表（白天/夜晚）

圖1 2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災(zāi)火場地形分布圖（圖1a 為地形三維可視化圖，1b、1c、1d 分別為海拔、坡度、坡向分布圖）

2.數(shù)據(jù)及處理

高分四號衛(wèi)星是我國第一顆地球靜止軌道高分辨率對地觀測衛(wèi)星，其搭載的50m 空間分辨率全色多光譜傳感器（PMS），可用于煙霧及過火區(qū)域識(shí)別，400m 空間分辨率中波紅外傳感器（IRS）可用于著火點(diǎn)識(shí)別[14-15]，兩者結(jié)合可用于森林火災(zāi)態(tài)勢分析。對云南省安寧市森林火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測選取的高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，時(shí)間跨度涵蓋整個(gè)火災(zāi)燃燒周期（2023年4 月12 日至19 日），共有8 景GF-4 PMS 影像和44 景GF-4 IRS 影像；其中GF-4 PMS 影像經(jīng)過輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正及幾何精校正等處理，生成地表反射率數(shù)據(jù)；GF-4 IRS 影像經(jīng)過輻射定標(biāo)、亮溫計(jì)算、正射校正及幾何精校正等處理。輔助數(shù)據(jù)為土地利用類型數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)及調(diào)查數(shù)據(jù)等。

3.火情態(tài)勢分析

圖3 為利用GF-4 PMS 影像處理生成的地表反射率數(shù)據(jù)，先采用紅-綠-藍(lán)真彩色合成方式來增強(qiáng)煙霧區(qū)域，進(jìn)而對該火場即時(shí)風(fēng)向及火場蔓延方向進(jìn)行判定，再采用紅-近紅外-綠假彩色合成來辨識(shí)過火區(qū)域，進(jìn)而對以上火場蔓延方向進(jìn)行驗(yàn)證；圖4 為基于GF-4 IRS 影像處理生成的亮度溫度數(shù)據(jù)生成的著火點(diǎn)結(jié)果，以此來判斷火情燃燒狀況，并根據(jù)火場變化驗(yàn)證前期火場蔓延預(yù)測方向。結(jié)合圖3 和圖4 可見，云南安寧“4·13”森林火災(zāi)發(fā)展可分為初發(fā)、緩增、散發(fā)、聚集和漸熄五個(gè)階段，以下基于時(shí)序?qū)Σ煌A段火情態(tài)勢進(jìn)行具體分析。

圖3 GF-4 PMS 影像煙霧及過火區(qū)域合成結(jié)果圖

圖4 GF-4 IRS 影像火點(diǎn)識(shí)別結(jié)果圖（時(shí)段為衛(wèi)星過境采集數(shù)據(jù)臨近整點(diǎn)時(shí)間；Invalid data 表示沒有數(shù)據(jù)）

初發(fā)階段：4 月12 日全天影像呈現(xiàn)該區(qū)域亮溫分布及變化情況，可見城鎮(zhèn)村莊與森林植被間在各時(shí)段均存在相對溫差，城鎮(zhèn)部分區(qū)域亮溫值均較高，當(dāng)日13 時(shí)37 分森林植被區(qū)域未出現(xiàn)煙霧，也無火燒痕跡。13 日16 時(shí)37 分，從IRS 影像上可見森林植被區(qū)域首次出現(xiàn)小范圍亮溫異常，同時(shí)官莊村北側(cè)森林植被區(qū)域出現(xiàn)煙霧，自煙點(diǎn)源頭向東北方向擴(kuò)散，過火區(qū)域火燒痕跡較弱，在PMS 影像上不易識(shí)別，推測此時(shí)起火時(shí)間較短，火災(zāi)尚在初始發(fā)生階段。

緩增階段： 13 日晚20 時(shí)02 分，火場自起始火點(diǎn)向東北方向擴(kuò)大，火場形狀似橢圓形。到14日4 時(shí)52 分，火場南北兩翼火勢減弱，一是因?yàn)闅庀蠹暗匦卧颍媳眰?cè)海拔變化，而此時(shí)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，因風(fēng)借勢火場形似橢圓；二是南側(cè)為村莊，撲火隊(duì)員人為遏制蔓延；到8 時(shí)07 分，火線向北側(cè)抬頭，開始向森林深處蔓延；10 時(shí)37 分，火場繼續(xù)向東北方向擴(kuò)大，火場呈貓爪狀，北側(cè)三處高溫區(qū)域，南側(cè)一處高溫區(qū)域；同時(shí)煙霧區(qū)域持續(xù)擴(kuò)大，冒煙處位于西南角，劇烈燃燒產(chǎn)生的濃煙向東北方向擴(kuò)散開來，經(jīng)過一天燃燒，早期煙點(diǎn)東北側(cè)植被被燒形成了過火區(qū)域；晚20 時(shí)02 分，火場仍向東北方向持續(xù)擴(kuò)大，南側(cè)火勢減弱。

散發(fā)階段：15 日4 時(shí)52 分，火場化整為零分散四處；8 時(shí)07 分火場火勢均有所減弱，北側(cè)兩處僅有些許異常熱點(diǎn)可見，南側(cè)兩處則幾乎消失殆盡；10 時(shí)37 分火場火勢再次加強(qiáng)，恢復(fù)至四處火場；13 時(shí)37 分，四處火場開始向西北方向蔓延，大有連片之勢，火場面積不斷增大，此時(shí)冒煙處位于東南角，擴(kuò)散方向轉(zhuǎn)為西北方向，前兩天過火區(qū)域西北側(cè)開始出現(xiàn)火燒痕跡；16 時(shí)37 分，火場上空出現(xiàn)云層遮擋，但仍可見有四處異常高溫區(qū)域；20 時(shí)02 分，火場火勢較14 時(shí)明顯減弱，僅剩三處分界明顯的異常高溫區(qū)域；14 日晚至15 日晚全天火場火勢呈現(xiàn)減弱- 增強(qiáng)- 減弱趨勢，這可能是由于15 日伴隨有多次陣雨所致。16 日4 時(shí)52 分，南側(cè)和東北側(cè)火場火勢基本熄滅，西北側(cè)火場火勢也有所減弱，該火場東南邊和東邊存在三處潛在火點(diǎn)；8 時(shí)07 分，原北側(cè)火場及其附近潛在火點(diǎn)火勢加強(qiáng)；至10 時(shí)37 分火勢略有減弱；13 時(shí)37 分，所有火場火勢又有所增強(qiáng)，此時(shí)煙霧自西南向東北方向擴(kuò)散；16 時(shí)37 分，東南側(cè)兩處火場減弱至熄滅，西北側(cè)火場東西兩翼有減弱趨勢；20 時(shí)02 分，火勢再次減弱，西北側(cè)最大火場呈現(xiàn)條狀分布。

聚集階段：17 日4 時(shí)52 分，原火場火勢較16日晚再次減弱，數(shù)量由三處縮減為南北兩處；7 時(shí)27 分，北側(cè)火場火勢略有增強(qiáng)，兩處火場逐漸相接聚集；11 時(shí)07 分，火場基本相接，北側(cè)有向東蔓延之勢；13 時(shí)36 分，火場范圍全線向東擴(kuò)增，形似倒“L”狀分布，火勢逐漸加強(qiáng)，此時(shí)冒煙處位于煙霧區(qū)域正西方向，煙霧向正東方向擴(kuò)散；此后火場火勢持續(xù)增強(qiáng)至當(dāng)日16時(shí)36分，火場向東、北、西三向蔓延連成一片劇烈燃燒。

漸熄階段：17 日晚20 時(shí)02 分，火場全線縮減，火勢漸弱。18 日早僅剩少量區(qū)域存在輕微亮溫異常，白天各時(shí)段可見過火區(qū)域亮溫明顯高于未過火區(qū)域；13 時(shí)36 分，火場北側(cè)中心區(qū)域仍見少量煙霧向東飄散；至晚20 時(shí)02 分，影像上森林植被區(qū)域亮溫異常全部消失，說明此時(shí)明火已被完全撲滅。19 日全天影像除過火區(qū)域亮溫較12 日火燒前明顯升高外，未見其他亮溫異常及煙霧區(qū)域，過火區(qū)域相比18 日未見面積變化。

綜上全過程火場火情態(tài)勢分析，結(jié)合云南省安寧市“4·13”森林火災(zāi)期間的氣象數(shù)據(jù)（見表1）、火場地形分布數(shù)據(jù)（見圖1）和植被分布調(diào)查數(shù)據(jù)（見圖2），可見該次森林火災(zāi)的火場發(fā)展態(tài)勢受氣象因素影響較大，蔓延方向與當(dāng)日風(fēng)向基本一致；此外也受地形及植被分布等因素不同程度的影響，如14 日上午為西南風(fēng)，火場本應(yīng)順風(fēng)向東北蔓延，實(shí)際卻以北向?yàn)橹鳎@主要是因?yàn)榛馃阎凛^高海拔的灌叢化針葉純林，火順著山勢迅速攀升蔓延。由此可見，利用高分四號衛(wèi)星搭載的傳感器探測的煙霧來表征風(fēng)向，從而反映火場未來蔓延趨勢，以及著火點(diǎn)及過火區(qū)域來反映火場即時(shí)分布狀況，進(jìn)而將火場多種即時(shí)信息相結(jié)合可有效反映森林火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程。

四、結(jié)束語

本文利用時(shí)序高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災(zāi)發(fā)生過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測為例，探討并提出了一種多火場即時(shí)信息相結(jié)合的火情態(tài)勢分析方法。即利用高分四號中波紅外傳感器，感知森林植被區(qū)域亮溫變化，快速識(shí)別著火點(diǎn)，以此判定火災(zāi)的發(fā)生、火點(diǎn)分布及熄滅狀況；利用高分四號多光譜數(shù)據(jù)，識(shí)別火場煙霧區(qū)域，判斷煙霧擴(kuò)散走向，以此預(yù)測火災(zāi)蔓延方向；此外，利用過火區(qū)域和火場分布及變化，結(jié)合氣象、地形及植被分布等數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助補(bǔ)充并相互驗(yàn)證。基于以上森林火災(zāi)態(tài)勢分析，深入明晰火場演變發(fā)展過程，為森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警及撲救應(yīng)急決策提供重要科學(xué)支撐依據(jù)。

本文以2023 年云南省安寧市“4·13”森林火災(zāi)全過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測應(yīng)用案例，僅探討了利用高分四號衛(wèi)星獲取的“火點(diǎn)+煙霧+過火區(qū)域”結(jié)合利用的火情態(tài)勢分析方法的初步架構(gòu)，后續(xù)還需繼續(xù)開展火場即時(shí)信息自動(dòng)識(shí)別、分析及利用等綜合研究。