高分一号02/03/04星在森林火灾监测中的应用

文| 中国林业科学研究院资源信息研究所 刘树超 覃先林 李晓彤 刘倩

本文介绍了高分一号卫星的概况和利用高分一号 02/03/04星在我国森林火灾监测中开展的应用实例，表明这三颗卫星数据可在我国森林火灾应急监测领域发挥重要的作用，并对利用空间技术实现我国“十三五”森林防火二期规划目标的发展方向进行了展望。

本文介绍了高分一号卫星的概况和利用高分一号 02/03/04星在我国森林火灾监测中开展的应用实例，表明这三颗卫星数据可在我国森林火灾应急监测领域发挥重要的作用，并对利用空间技术实现我国“十三五”森林防火二期规划目标的发展方向进行了展望。

一、高分一号卫星

高分一号卫星是我国高分辨率对地观测系统重大专项天基系统中的第一颗卫星，于2013年4月26日在酒泉卫星发射中心成功发射。其搭载了两台2 m分辨率全色/8 m分辨率多光谱相机（PMS），四台16 m分辨率多光谱相机（WFV），位于太阳同步轨道。高分一号卫星突破了高空间分辨率、多光谱与宽覆盖相结合的光学遥感等关键技术，在分辨率和幅宽的综合指标上达到了目前国内外民用光学遥感卫星的领先水平。

高分一号 02/03/04星是我国国家民用空间基础设施规划的首批业务化应用卫星星座，也是我国首颗民用高分辨率光学业务星座，于2018年3月31日在太原卫星发射中心以“一箭三星”的方式发射成功，2018年10月交付使用。三颗卫星均搭载了两台全色多光谱相机，全色波段影像的空间分辨率均为2 m，多光谱波段影像的空间分辨率均优于8 m，单颗卫星成像幅宽大于60 km。与2013年发射的高分卫星相比，高分一号 02/03/04星量化位数提高20%，同时提高了低辐亮度条件下的信噪比，降低了噪声等效反射率差，图像质量显著提高。三颗卫星组成的应用卫星星座，对同一地区可以实现2天的重访周期观测，15天实现对全球地区的覆盖观测；同时具有多种星座运行模式，可采用立体成像模式实现立体成像，也可采用图像拼接模式实现大幅宽成像；也可以与2013年发射的高分一号卫星及2018年发射的高分六号卫星组网运行，共同构建陆地资源调查监测业务卫星星座，在此状态下，重访周期为1天，可以实现11天对全球地区的覆盖观测。高分一号 02/03/04星可以为国家自然资源资产管理和自然生态监管提供精准信息保障，并广泛应用于防灾减灾、环境保护、城乡建设、交通运输、农业农村、应急管理等领域[1]。

二、森林火灾监测应用

森林火灾，是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为。森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。森林火灾的发生既具有随机性、突发性的特点，又具有一定的规律性，当具有一定的气象、森林植被和地形地理等条件时，才能发生森林火灾。森林火灾不只是烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的更新能力，导致土壤的贫瘠，破坏了森林结构，进而导致生态环境失去平衡[2]。及时准确掌握森林火灾的地理位置、火场面积、蔓延情势以及火烧强度等信息，对森林火灾扑救力量部署、应急决策实施以及林火管理和预防尤为重要。然而，林火多发生于边远、道路稀少、可进入性极差的林区。历史上许多森林大火都是由于在森林火灾发生初期发现不及时从而酿成森林大火，给林火扑救带来极大挑战。长期以来，国内外的专家学者结合出现的新型监测技术手段特性，开展了大量的森林火灾监测应用方法研究。近年来，卫星遥感技术在林火监测领域的应用越来越成熟，卫星遥感能够监测和记录全球地表信息，尤其适用于地表异变现象特别明显的火灾事件，已经在林火预警、火点识别、火情评价和火烧迹地恢复监测等领域中发挥了出色的作用[3]。

1.森林火灾监测实例

选取两处森林火灾探究高分一号 02/03/04星在森林火灾监测中的应用能力。2018年6月1日19时，内蒙古大兴安岭重点国有林管理局汗马国家级自然保护区因雷电击中树木发生森林火灾，火场过火面积约5100公顷（其中，内蒙古境内约4500公顷，黑龙江境内约600公顷）。2018年6月2日10时，内蒙古大兴安岭北部原始林区奇乾林业局阿巴河林场同样因雷电击中树木发生森林火灾，过火面积约1000公顷。森林火灾发生后，中国资源卫星应用中心调用高分一号 02/03/04星对两处火烧迹地进行了拍摄成像，获取了火烧迹地的高分辨率卫星影像，为火烧迹地的森林火灾受害程度评价和灾后植被恢复等提供数据支持。

（1）过火区边界提取

将高分一号 02/03/04星的卫星影像的全色波段数据与多光谱数据进行融合，得到空间分辨率为2 m的多光谱合成影像，利用融合后的卫星影像数据对两处森林火灾的过火区边界进行目视解译。其中，高分一号02星影像覆盖了阿巴河林场火烧迹地，高分一号03星和04星覆盖了汗马国家级自然保护区火烧迹地。在ArcGIS软件中目视解译并勾绘火烧迹地的范围边界，解译结果如图1所示。

a.阿巴河林场（高分一号02星）

图1 过火区边界解译结果图

从图1可以看出，融合后的高分一号 02/03/04星卫星影像，兼具高空间分辨率和多光谱的优势，可以清晰地辨别出过火区域的边界，及火烧迹地内不同区域的受灾程度的情况；红色区域是目视解译勾绘得到的火烧迹地范围边界，通过计算可以分别得到两次森林火灾形成的过火区域的面积。

（2）火烧迹地识别

通过对三景融合后的高分一号 02/03/04星影像的森林火烧迹地及典型地物的识别，来评价高分一号 02/03/04星影像识别森林火烧迹地的能力。在经正射校正和融合等处理后的高分一号 02/03/04星影像中，分别选取植被、裸地、火烧迹地、水体、云阴影区、农田、云和建筑用地等八种地类作为分类和验证样本，进行最大似然法监督分类，分类结果如图2所示。

图2 火烧迹地识别结果图

图2中红色区域为识别的火烧迹地，识别结果经精度验证得出：高分一号02星影像得到的结果精度为84.46%，Kappa系数（一般介于0～1之间，越接近1精度越高）为0.71；高分一号03星影像得到的结果精度为89.75%，Kappa系数为0.88；高分一号04星影像得到的结果精度为91.57%，Kappa系数为0.89。三景影像的识别精度均优于80%，表明三颗卫星影像的光谱信息质量较好，监督分类结果符合实际火烧迹地的情况，有效地提取了森林火灾的灾害信息，通过该信息可以为灾后受灾程度评价和火烧迹地的植被恢复提供决策支持。

2.应用总结

利用选取的高分一号 02/03/04星卫星影像，对内蒙古大兴安岭地区的火烧迹地识别进行了应用评价，结果表明：高分一号 02/03/04星卫星影像能够清晰地表现森林火烧迹地的细节，得到火烧迹地的边界，提取森林火灾的灾害信息，其空间分辨率和辐射分辨率能够满足森林火灾灾情信息评价中对卫星数据质量的需求。通过三星组网的方式，卫星影像可以覆盖更大的区域，弥补了单景影像不能覆盖目标区域的不足，且有利于为森林火灾灾后恢复评价等工作提供更精细的数据资料。由于高分一号02/03/04星位于太阳同步轨道，具有严格的运转周期，虽然森林火灾发生时往往不能立即响应，但可在森林火灾发生后通过多星对目标区域进行成像，获取森林火烧迹地的卫星影像，及时为森林火灾的受灾程度评价和植被恢复提供数据决策支持。

三、发展展望

《全国森林防火规划（2016－2025年）》提出了二期规划的总目标，其中充分利用空间技术，提高森林火灾预警监测能力、健全全国森林火险分级预警模式和预警模型、提高预警时效和精度、提高卫星监测林火时效性和识别能力；重点区域火情瞭望覆盖率近期达到85%，规划期末达到95%以上等建设工作是主要的目标。为全面落实提升我国森林火灾预警监测能力的目标，需要将多源遥感监测技术和多平台监测技术相结合。应用多源卫星遥感监测技术，可以显著提高卫星监测森林火灾的时效性和识别能力。我国每年接收处理风云三号、EOS－MODIS、NOAA等气象卫星数据，可以在全国范围内实时监测森林火灾，特别在我国高分系列卫星成功发射并投入使用，尤其是高分四号搭载的卫星传感器具有分钟级对地观测能力，可实现对森林火灾发生区域的实时快速成像；同时利用高分一号、高分二号、高分六号、Landsat－8等极轨卫星数据提高森林火灾监测的识别精度，共同为服务全国森林防火监测提供可靠的技术和资料保障[4]。同时，还需要将不同空间平台的监测技术相结合，包括卫星遥感监测技术、航空监测技术（飞机、小型无人机等）和地面监测技术（视频监控、人工巡护等），构建天－空－地一体化森林火灾监测体系，提高我国森林火灾的预警监测能力。随着我国高分系列卫星的陆续发射，高分一号 02/03/04星可以与其他卫星进行组网观测，凭借其高空间分辨率、大覆盖范围和高时间分辨率的优势，在时间和空间上为我国森林火灾监测提供有效的数据支持，指导我国森林防火的工作，为我国森林防火应急监测提供更好的应用服务。