西南卫星林火监测技术现状与思考

徐盛基

(国家林业局西南航空护林总站,云南 昆明 650021)

1 西南卫星林火监测概况

国家林业局森林防火办公室卫星林火监测系统,由国家林业局防火办卫星林火监测中心和西南林火监测分中心、西北林火监测分中心组成。西南卫星林火监测分中心自1997年初建成并投入运行至今已10余年,主要负责华南、中南、西南地区林火的日常和宏观监测工作,并按照国家林业局防火办以及各省(区、市)森林防火指挥部门的要求完成其它监测任务,具体负责下列省(区、市)：云南省、四川省、贵州省、广西自治区、重庆市、广东省、海南省、湖南省、湖北省、西藏自治区东部。多年来为华南、中南、西南林区即使发现森林火灾,减少火灾损失,提供了较好的服务,尤其是对云南、广西、西藏国界线上或国界附近的热点进行重点监测,弥补了地面和护林飞机巡护监测的空白和死角。自1997年投入运行以来,处理2个以上像素热点超过7万余个。实践证明,卫星林火监测系统在对重大森林火灾进行连续跟踪中,不仅可以克服火势变化地面无法了解的弊端,而且还能克服因天气或边境地区航空飞行困难的林火进行连续监测,从而向各级领导提供火场实况,为制定扑救森林火灾决策提供有力的支持。

2 西南卫星林火监测的技术现状分析

2.1 用于西南卫星林火监测的气象卫星及其参数

西南监测分中心已经常年开展监测工作。由于静止气象卫星分辨率较低,目前多选用极轨气象卫星用于森林火灾的监测工作。监测期间,对FY1D、FY3、NOAA-16、NOAA-17 、NOAA-18 及 FY1_C、FY1D、TERRA、AQUA等极轨气象卫星过境轨道图像进行接收处理,每天接收处理10～20条卫星轨道,覆盖东南、西南监测区域6次以上。

2.1.1 美国国家海洋大气局NOAA/AVHRR系列卫星

目前正在使用的美国NOAA(National Oceanic and Atmospheric Administration)系列气象卫星有NOAA-16、NOAA-17、NOAA-18 共 3 颗。NOAA/AV HRR(The Advanced Very High Resolution Radiometer)气象卫星是美国第3代双星系统极轨气象卫星,属于近极轨太阳同步卫星,轨道平均高度833km,林火监测的信息来自NOAA气象卫星上的AVHRR甚高分辨率辐射仪,星下分辨率1.1km,绕地球周期为102min,地面扫描宽度2 700 km,对同一地区的覆盖频率高达每天4次,因而具有最大的获取无云影像的动态遥感能力,特别适合对大面积森林的动态观察。AVHRR甚高分辨率辐射仪有5个通道,其指标和主要用途见表1。该星的第3通道(3.55～3.93μm)对温度反应极其敏感,为森林火灾的监测创造了条件。

表1 NOAA/AVHRR卫星各通道指标

2.1.2 EOS/MODIS卫星

地球观测卫星EOS(The Earth Observing Satellites)是美国新一代地球观测系统计划的组成部分,设计为近太阳同步极轨的双星系统,目前在轨运行的有 TERRA和AQUA两颗,卫星轨道高度705km,扫描轨道宽2 330km,一颗卫星24h扫描全球2遍。EOS卫星上搭载了多种探测设备,MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer中等分辨率图像分光辐射仪)是EOS卫星上搭载的关键光学探测设备,共有36个通道,其中对热源敏感、可用于林火监测的通道有7个(7通道和20～25)通道,可见光通道的星下点分辨率是 250～500m,红外通道的星下点分辨率是500～1 000m,主要通道技术指标和用途见表2。

表2 EOS/MODIS卫星用于火灾监测的通道指标

EOS卫星不仅应用于对森林火灾的直接监测,同时可以进行地表温度、湿度的监测,还可以用于森林火险等级的预报,在林火监测中有很好的应用前景,在林火监测的准确率和定位精度等方面比NOAA大大提高了。

2.1.3 风云(FY)系列卫星

我国发射成功的风云系列极轨气象卫星在监测林火方面具有监测范围广、及时准确的特点。其主要探测仪器是多通道可见光红外扫描仪辐射仪(MV IRS),基本包括了NOAA卫星和陆地卫星的主要通道(表3),卫星每天可以获得4个通道、分辨率为4km的全球观测资料以及10个通道20min的分辨率为1.1km的局地观测资料,为林火监测提供了必要的基本资料。

表3 FY系列卫星多通道可见光红外扫描仪辐射仪的通道指标

目前用于西南卫星监测的主要是美国NOAA系列气象卫星,我国的FY卫星系列,EOS卫星3种卫星系统,在林火监测的可靠性、稳定性以及高精准性互为补充,为火灾的扑救提供更多更详细的监测成果。

2.2 西南卫星林火监测图像识别技术

目前用于森林火灾图像识别的方法主要有像元分析法、自动检测法和目视判读法3种。由于西南卫星林火监测区域地理情况较为复杂,像元分析法及自动检测法在林火监测工作中还受一定的限制,目视判读法是目前西南卫星林火监测工作采用的主要方法。其原理是利用三通道合成技术,将红外遥感仪器感应到的热点在卫星云图上以亮红点的形式表现出来,再对亮红点进行定位,根据红点的大小、数量和位置来判断其危险程度。气象卫星携带的遥感探测器上3.7μm光谱通道具有对高温热源敏感,而对常温背景不敏感的特性,森林的背景温度一般为32℃左右,而森林火灾明火温度可达 500～1 000℃(暗火200～500℃),即使是夜间也很容易将火灾从森林背景中区分出来。

监测卫星系统不同地区不同,监测图像表现有所差异。西南卫星林火监测区域部分地区昼夜温差大,湿度差也大,一般早上时段森林火灾较少,此时的图像重点用于分析当日的天气形势,即便有火,火势也较弱,所以在监测图像上热点较少,此时的图像较易识别,山脉、河谷、湖泊分布较为明显,有森林的山梁呈绿色,河谷地带呈暗红色;湖泊呈暗红色或墨蓝色;云层为白色或灰色,呈块状或连续分布;在高原积雪呈絮状沿山脊分布;林火等热点表现为红色;中午开始,特别是下午,由于温度升高,风势变大,湿度减小,火灾开始增多,在图像上看到的热点也相应增多,此时段山脉、河谷的分布更为明显,植被、云层、积雪的图像与上午的一致,林区热点较明显;傍晚至夜晚时段的图像,由于此时卫星监测系统可见光通道的信号逐渐变弱,图像主要由红外通道信号组成,故此时的图像整个呈现为暗红色,但图像上亦能分辨出部份山脊和主要的河谷,它们均呈浅红色线状分布,此时可根据这些河谷来寻找所要查看的区域。晚间的图像热点分布最为明显,此时热点均为亮红色,热点越明亮则温度越高,若该热点为森林火灾,即火势较强。

2.3 西南卫星林火监测卫星接收系统

西南监测分中心1997年初建时,选用的是极轨气象卫星接收处理系统。2002年西南监测分中心建成PS-2001极轨气象卫星VSAT小站应用系统。2004年底西南卫星林火监测卫星接收系统从“PS-2001”极轨气象卫星VSAT小站应用系统升级为DVB-S系统。西南卫星林火监测分中心目前接收处理的气象卫星数据来自该系统广播数据。国家卫星气象中心有3个卫星接收地面站(分别位于北京、广州和乌鲁木齐),每天可以接收多颗国内外的气象、资源遥感卫星,国家气象卫星中心资料中心每天对这3个地面站接收到的数据进行实时资料预处理,生成1A/1B级数据,然后通过DVB-S系统近实时发布数据。西南卫星林火监测分中心根据前端站管软件提示的卫星轨道时间,自动启动作业,接收并处理中国 FY-1D、FY-2C,美国 NOAA 16、NOAA17、NOAA18,美国 EOS/TERRA 、EOS/AQ UA气象卫星数据。系统采用计算机双机模式,前端机完成自动接收,通过网络传输到后端机。后端机包括预处理和投影,图像处理、地理信息设置、火点自动识别、人机交互订正及简单的数据库管理功能。DVB-S系统整体技术成熟先进,为林火监测提供了稳定、可靠、全面的遥感资料数据源。

3 西南卫星林火监测技术的问题分析

3.1 卫星林火监测数据源问题

DVBS林火监测系统自2004年建成后,暂时解决了西南卫星林火监测数据源问题,在森林防火工作中发挥了重要作用,但该系统的不足之处逐渐突显出来,尤其从2008年6月份以后尤为明显。

(1)由于该系统采用“地面站接收卫星数据——地面线路传输到北京——北京站上传通信卫星——通信卫星广播——分中心地面接收处理”这样复杂的数据传输链路,使得系统故障率较高。在高火险时段或较大火灾发生时,一旦系统发生故障,就会造成无数据可用的尴尬局面。

(2)数据时效性差是该系统的最大缺陷,该系统接收数据比国家林业局监测中心自主接收系统晚30min以上,有时甚至晚1h以上,极大地影响了监测系统“火情早发现”作用的充分发挥。因此,建议建设一套气象卫星数据自主接收系统来解决这个问题。

3.2 气象卫星监测森林火情的局限性

气象卫星监测森林火灾具有监测范围广,监测频率高,适应性强的特点,然而在追求高效的同时也产生了一些局限性,尤其表现在热点的识别和热点的定位两个方面。除了卫星自身故障会影响热点的定位和识别以外,目前使用的几种气象卫星探测设备还无法监测到较厚云层下发生的森林火灾,容易受到云、雾的遮挡。由于森林热辐射的影响,很小面积的强烈燃烧就会产生多个像元的异常热点,很难根据热点像素确定实际着火面积;由于卫星过境的姿态不同,在地物不明显的夜间,定位误差很难控制。在农林交错地区,在目前卫星图像分辨率能力和土地利用类型背景资料下还无法准确区分。随着卫星空间分辨率和定位精度的提高,这些问题在将来会逐一得到解决[1]。

3.3 目视判读法的潜在误差

在西南卫星林火监测的实际运用中,目视判读法仍然是主要技术。目视判读法存在一些是目视判读法技术体系本身不能克服的问题,目视判读法十分依赖于监测人员的工作经验、熟练程度和生理感应,这就使得判读标准上差异性和变动性比较大。同一监测图像,不同的人通过判读得到的信息可能不同,难于制定比较客观的标准。也就不得不面临2个问题,一是没有规范的判读标准,使得判读劳动强度增大,二是判读结论不是定量化信息,使得进一步的定量化分析变得困难,严重影响了林火监测信息的共享和继承性使用。进一步提高对林火监测图像的判读精度就必须在林火监测区域内建立一个区域性的林火图像自动识别的专家系统,提高自动解译的灵活性。

4 结语

在南方森林火灾中,西南卫星林火监测发挥了不可替代的重要作用。气象卫星用于林火监测,其优点是(1)监测范围广,时间频率高;(2)能得到连续的资料,准确标明火场位置,大致确定火场面积,反映林火蔓延的动态变化;(3)收集数据快,节约时间,节约成本;(4)获取火情资料不受地形条件的影响,能够准确发现偏远地区、人烟稀少、不易被人们发现的林火。随着航天和卫星制造技术,以及计算机遥感技术的发展,西南卫星林火监测技术必将得到较为全面的提高,为森林火灾的扑救提供更多高频度、高精准、高可靠性的监测成果。

[1]闫 厚,王金海,吴宇平.气象卫星在森林火灾监测中的应用及其原理[J].森林防火,2005(3)：29～32.

[2]舒立福,王明玉,田晓瑞,等.NOAA/AVHRR和 EOS/MODIS林火监测比较[J].森林防火,2005(4)：27～29.