高分四号卫星在我国森林草原火情监测中的应用

一、引言

林业是一项重要的公益事业和基础产业，在维护生态平衡中起着决定性作用。党的十八大以来，党中央、国务院赋予了林业在建设生态文明和推动绿色发展中新的地位、新的使命和新的任务。森林和草原在其生长过程中，会受到火灾或病虫灾害等干扰。在我国，森林草原火灾时有发生，常常造成森林和草原资源的破坏，甚至危及到人民生命财产的安全。建国至今，我国年均发生森林草原火灾1万多次，年均受害森林草原面积超过80万公顷，年均经济损失20多亿元人民币，每年全国累计伤亡近百人。减少森林草原火灾的发生次数、降低火灾造成的损失，是我国森林草原防火业务面临的一项十分重要的工作任务[1，2]。

我国林业行业早在20世纪50年代就开展了利用航空遥感技术监测林火的应用技术研究；卫星遥感因具有覆盖范围广、观测频次高等特性，能够准实时地跟踪与监测森林草原火灾的发生、发展及变化情况。自1987年黑龙江大兴安岭“5·6”特大森林火灾发生后，卫星遥感技术逐步在我国森林防火监测业务中得到应用和发展；目前，我国已建立了基于中低空间分辨率卫星数据的火情卫星监测业务系统，每天对全国及周边地区的森林草原火情进行监测与信息服务，已经成为我国森林和草原火灾监测业务中一种不可或缺的重要监测技术手段[3，4]。

高分四号卫星（GF-4）于2015年12月29日，在我国西昌卫星发射中心发射升空。该卫星是我国第一颗地球静止轨道高分辨率对地观测卫星，配置一台空间分辨率为50m的可见光近红外多光谱相机（PMS）和空间分辨率为400m的中波红外（IRS）面阵相机，其影像幅面均大于400km×400km；其可见光近红外传感器具备分钟级成像能力、中波红外传感器具有按秒成像的能力，且具有较高温度饱和点，对于热异常及地物动态变化监测具有重要的应用前景。林业行业作为该卫星的主用户之一，参与了该卫星的研制、在轨测试和应用示范等工作[5，6]。

二、应用情况

自2016年6月13日高分四号卫星正式交付运行以来，林业行业根据高分四号卫星数据特性和覆盖状况，分别开展了区域森林类型信息监测、区域湿地类型识别、沙化土地类型识别、林业生态工程监测和火情监测等典型监测业务应用示范工作。在此，仅对近两年内该卫星在我国及周边森林草原火情监测中的应用情况进行介绍。

1.烟区监测

森林草原火灾发生时，生物质因含有水分和燃烧不完全而导致产生大量烟的现象。由于烟的遮盖，在森林草原火灾卫星遥感监测过程中，烟覆盖下的一些低温焖烧火点常会被遗漏，从而影响火灾检测的准确性。烟通常是由高浓度悬浮物和气溶胶组成，在卫星影像上可反映烟的分布地点、浓度和面积大小等信息，为利用卫星遥感技术检测烟区提供了可行的条件。

基于GF-4可见近红外通道具有对植被燃烧释放的烟敏感的特性，利用经辐射和几何校正处理后的GF-4 PMS数据，对发生在我国甘肃省迭部县、云南省玉龙县等地的森林火灾释放的烟区进行识别来监测当时火情的燃烧态势，部分监测结果图1所示。

图1 GF-4 PMS数据烟区分布监测结果

从图1中可以明显地看出烟区的走向及分布情况，可有效地为森林火灾扑救决策提供科学技术支撑。

2.着火点识别

森林草原等植被燃烧亦会释放出大量的热量，通常在卫星遥感热红外通道表现出典型热异常特征现象。利用GF-4卫星的IRS通道具备对异常高温敏感的特性，以及其可见近红外通道对植被、云体、水体等地物有较好的反映等特性，分别利用经辐射和几何处理后的GF-4 PMI和夜间的GF-4 IRS数据，对近两年来发生在我国甘肃省迭部县、云南省玉龙县、内蒙古自治区大兴安岭毕拉河林业局、内蒙古陈巴尔虎旗、四川省凉山州以及俄罗斯远东地区等地的森林火灾着火点进行了识别，部分结果如图2所示。

图2 GF-4卫星数据着火点识别影像图

3.森林火灾灾情评估

森林火灾发生后，由于森林草原等植被受火灾的损失而导致其在卫星遥感影像上光谱特征的变化，通过卫星遥感影像不同波段的结合，可以监测得到火烧迹地的空间分布及其面积等灾情信息，从而为森林火灾的灾情评估和恢复重建等工作提供技术服务。

利用经处理后的GF-4 PMS影像，对发生在我国四川省凉山州、内蒙古毕拉河林业局和内蒙古陈巴尔虎旗等地的森林火灾形成的火烧迹地进行监测应用；并通过与GF-1和LandSat-8等卫星数据解译的火烧迹地结果，以及现场调查结果进行对比，评价了利用GF-4数据进行森林火灾灾情信息提取的应用潜力；同时，还结合当地的森林资源数据，对森林火灾造成的灾情损失情况进行了评价，部分结果如图3所示。

由于GF-4 PMS的空间分辨率比GF-1 PMS/WFV、GF-2 PMS等影像的空间分辨率低，在体现森林火烧迹地细节方面不及GF-1 PMS/WFV、GF-2等数据那样清晰，因此，在森林草原火灾灾情评价工作中，在条件允许的情况下，尽量选用空间分辨率较高的卫星影像为好。但从图3（a）可以看出：GF-4 PMS多光谱影像也可较好地反映森林火烧迹地边界特征，尤其是在重特大森林火灾发生后的灾后评估中，可以利用其高时效性和中空间分辨率特性，及时为森林火灾扑救及灾后恢复等决策提供数据和技术服务。

三、结论

通过总结GF-4卫星在我国近两年的森林草原火情监测中的应用，表明GF-4卫星空间分辨率为50m的可见近红外通道可以较好地反映植被、火烧迹地和烟区等信息，而其空间分辨率为400m的中波红外波段对热辐射信息敏感，可以较好地应用于着火点的识别、火势状况分析等中，并表明该卫星数据可用于我国及周边地区的森林草原火灾的监测和灾后评估中。另外，由于该卫星具有高时间分辨率的特点，其IRS传感器可以每隔一秒获取一景数据，这使研究时序的火势变化和火温度变化成为可能。

由于该卫星运行观测服务模式及观测范围限制，并不是每天都能覆盖我国全国林地或重点林区，目前单星还较难满足我国森林草原防火日常监测业务需求，但其具有机动灵活、快速成像观测目标的能力，可以作为我国及周边地区森林草原火灾，尤其是森林大火发生扑救过程中应急监测的技术手段之一。随着卫星系统、地面系统等对GF-4卫星的辐射校正、光谱校正等工作的深入开展，将会为用户开展定量化的应用提供可靠的GF-4卫星影像数据，其在林业行业的监测业务会更加深入，其应用领域将会更加广泛，将为我国及周边地区的林业生态环境建设工作提供强有力的技术支撑和信息服务。