基于MODIS影像的火点识别与分析系统的构建与实现

任永强 李婷 刘亚静

摘要：火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接或间接危害生命，给人们的心灵造成极大的危害。因此，预防和减少火灾的发生是人们迫切需要的。自古以来人们就同火灾做着长期的斗争，各种防灾、减灾方法层出不穷。随着现代信息技术的飞跃发展，GIS技术发展日益成熟，能够为人们将事实以更清晰、更引人注目的方式展示，它已经成为一个服务大众的公共处理平台。火灾识别预警系统相继诞生，并发挥了其实效性，但是火灾在时间和空间上的变化规律却缺乏研究。基于MODIS影像的火点识别与分析系统正是为探寻火灾在时间和空间上的变化规律而设计的，它能够基于MODIS影像利用NDTI火点识别模型对已发生的火灾进行识别，进而取得数据，并对所收集的数据在时间和空间上进行分析，从而得出不同时间段内火灾发生的高发区，同时对地方居民也起到了一定的警示作用，在某种程度上对减少火灾发生起到了一定的效果。

关键词：MODIS，火点识别，系统

1 引言

火災对全球环境和气候有着重大影响，是气候变化的重要指标。火灾是世界各国人民所面临的一个共同的灾难性问题。它给人类社会造成过不少生命、财产的严重损失。随着社会生产力的发展，社会财富日益增加，火灾损失上升及火灾危害范围扩大的总趋势是客观规律。如何及时、准确、有效地监测可能和已经发生的火灾，减少灾害损失，保护资源，掌握气候变化规律，维护生态平衡，具有非常重要的意义。

随着现代信息技术的飞跃发展，GIS技术发展日益成熟，能够为人们将事实以更清晰、更引人注目的方式展示，它已经成为一个服务大众的公共处理平台。火灾识别预警系统相继诞生，并发挥了其实效性，但是火灾在时间和空间上的变化规律却缺乏研究[1]。

火点识别与分析系统正是为探寻火灾在时间和空间上的变化规律而设计的[2]，它能够对已发生的火灾进行识别，进而取得数据。并对所收集的数据在时间和空间上进行分析，从而得出不同时间段火灾发生的高发区。同时对当地居民也起到了一定的警示作用，在某种程度上对减少火灾起到了一定的效果。火灾识别与分析系统的设计与实现集火灾管理数据库与GIS分析于一身。即完成了对已经发生的火灾的识别，又增加对河北省火灾的时空分布的分析功能。使得火灾识别、查询，及火点在时间、空间上分布的对比，历史火点的管理更加直观。整个系统能够为用户提供数据积累和历史现状，同时还可以辅助相关部门进行决策[3]。

1.1 研究区的自然背景

河北省地处华北平原的北部，兼跨内蒙古高原。全省中环首都北京和北方重要商埠天津市，是首都北京的“防火墙”、“护城河”，特殊的区位赋予河北省特殊的历史使命和政治责任。环京地区一旦发生森林火灾，将直接危及首都的生态安全，造成较大的政治影响。。河北省属温带大陆性季风气候。年均降水量300-800毫米；月平均气温在3℃以下，七月平均气温18℃至27℃，四季分明。河北省是中国惟一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海滨的省份，全省森林覆盖率为23.25%，近年来，随着河北省森林面积的快速增长，林下可燃物增多，森林火灾隐患较大。河北省是北方农业大省，是全国粮、棉、油集中产区之一，秋收产生了许多秸秆、茬子，同样也造成了火灾隐患。为此，本系统为探寻火灾在时间和空间上的变化规律而设计，基于MODIS影像利用NDTI火点识别模型对已发生的火灾进行识别，进而取得数据。

2 系统功能结构

2.1 系统简述

系统界面是系统与用户实现交互的部分，在设计过程中，坚持界面友好的原则，从用户角度出发，实现人性化与专业化兼容，以简单宜用，清楚明了为指导。在此基础下，实现的火点识别与分析系统界面总体布局如图：它包括菜单栏、工具栏、工作空间管理器、图层管理器、地图窗口、状态栏等6部分。主界面如图1所示：

2.2 功能模块

该系统主要由五大模块组成，分别为：数据管理模块、地图操作模块、布局操作模块、空间查询模块、空间分析模块、火点识别模块，系统模块划分图如图2所示：

（1）数据管理模块：将所有用户划分为两种：管理员与普通用户，管理员拥有使用系统提供的所有功能的权利，而普通用户则无权对火点分布管理等相关操作。在工作空间管理窗口中，可以像操作资源管理器中的文件夹一样，操作当前工作空间下的各种资源。例如可以删除数据源、数据集、地图，也可以将一个数据源下的一个或几个数据集拷贝到别的数据源下，可以导入CAD类型的矢量数据，非CAD类型的矢量数据（ArcInfo的e00、MapInfo的mif等）和栅格数据等。

（2）地图操作模块：实现的地图的基本操作，如：放大、缩小、漫游等以及对图层进行管理。

（3）布局操作模块：使用者可以组合不同的地理要素，制作专题地图。将制作好的专题地图输出保存。

（4）空间查询模块：实现了图查属性，双击需要显示属性的地物，则该地物的属性将被显示出来；按区域进行查询，以区域为依据，对某个区域各月份的火灾情况进行统计，并以统计图的形式显示该区域一年内各月份火灾情况；按时间进行查询，以时间为依据，对某一时间段内各区域的火灾情况进行统计，并以统计图的形式显示该时间段内各区域的火灾情况。SQL查询，主要体现在对数据库的调用上。

（5）空间分析模块：实现了对火点历史数据进行不同的时空综合分析。分析的目的是把火情历史信息更清楚直观的展现在用户面前。使用户对自己所在地区的火情在时间和空间上有更深刻的认识。（如图3）

（6）火点识别模块：利用MODIS影像中的第21、31波段，依据NDTI火点识别模型进行火点识别操作。在火点识别的同时，用户输入的数据会对数据库进行更新，从而起到了数据积累的作用，增加了本系统的实用性。（如图4）

2.3火点识别模块的技术流程

2.3.1辐射率的计算

由于获得的数據是影像的灰度值（DN值），首先要计算传感器接收到的辐射亮度值。Modis是在轨定标，不同波段，不同时刻的定标参数都不同，因此要分别计算，从Modis数据的头文件中可以读到每一个波段得定标增益量（scale）和定标偏移量（offset），根据公式（1），计算热红外通道的辐射率。

Radiance=radiance_scale*（DN—radiance_offset）

公式1

其中，Radiance为辐射率；radiance_scale为定标增益量；radiance_offset为定标偏移量。DN为图像得灰度值。

2.3.2基于辐射率的反应火点强度的归一化差异火点指数（Normalizd Difference Thermal Index）NDTI：

NDTI=（R21-R31）/（R21+R31）

其中R21、R31分别为3959nm和11030nm通道观测辐射率。NDTI属于比值指数，是无量纲的。

3 系统数据组织管理

本系统使用的数据是为MODIS的LD2格式，经过处理得到得遥感影像原始图，其过程如下：

首先，用记事本打开所要转换格式的数据的投影属性等信息文件，用ENVI软件包将LD2格式的数据转换成TIFF的格式，然后保存。

其次、打开ERDAS IMAGINE软件包，打开存为TIFF格式的数据，将TIFF格式数据处理后，导出的Img格式数据，然后保存。

最后，打开SuperMap Deskpro软件包，新建一个数据源，然后 将赋好投影信息和坐标系的Img格式数据导入数据源，或者用ERDAS将将赋好投影信息和坐标系的Img格式数据转成GRID格式的数据，用火点识别与分析系统将数据导入数据源，作为火点识别的初始数据。同时，在数据库设计时采用了 SDB 和 SDD双文件存储结构，其中 SDB 文件存储属性信息，引用 Access 的 MDB 数据库格式；SDD 文件存储空间数据。生成的各种地图存储在工作空间文件中。这种数据文件管理方法的优点是方便用户进行目录文件管理并占用较少的硬盘空间，数据管理安全性较高。

4 系统集成与应用

利用SuperMap Objects2008提供的组件对象及其语言接口，可以较容易地在 Microsoft Visual Basic 6.0 可视化编程环境中进行系统集成开发，实现地理信息系统不同模块的功能。系统主要利用 SuperMap Objects 2008提供的核心控件（SuperMap 和 SuperWorkspace）及SuperAnalyst、SuperWkspManager、SuperLegend、SuperLayout 等控件嵌入到 Visual Basic 6.0 环境中进行开发。

总结语：

该系统选用桌面地理信息系统SuperMap DeskPro 5.3为GIS软件开发平台，SuperMap Object 5.3 组件为客户端地图控件，火点信息的存储则采用 Access小型数据库，在Visual Basic 6.0开发环境下进行语言扩展和组件调用的混合式二次开发。以上平台的选择使得本系统具有一定的先进性和可扩展性；可做为一个功能模块扩展应用到各GIS软件包中；同时可对系统的功能不断改进，本系统界面友好，使用方便，维护简单，稳定性好，通用性强。本系统适用于与火点有关的课题研究，同时也能够为河北省各市提供不同时间的火点信息，在数据积累上也具有教好的效果，能够更直观的显示河北省火点信息在时间和空间上的变化规律。

参考文献：

[1]林伟华，郑贵洲，扈震. 基于GIS的森林防火信息管理系统设计与实现[J]. 电脑开发与应用. 2004，17（8）：34-36.

[2]张冬有，臧淑英，冯仲科. 黑龙江省林业地理信息公共服务平台设计[J]. 北京林业大学学报. 2007（S2）：26-30.

[3]赵文化，单海滨，钟儒祥. 基于MODIS热红外辐射的归一化差异火点指数NDTI研究[J]. 火灾科学. 2007，16（1）：31-36.