基于卫星数据的森林火灾监测系统探讨

李英科，李全民

（1.山东省威海市文登区农业局，山东 威海 264400；2.山东省应急管理厅，山东 济南 250100）

利用卫星遥感可以大范围监测森林火灾，快速确定火灾的位置，估算火灾面积[1，2]。从1987年成功利用极轨气象卫星监测大兴安岭“5·6”特大森林火灾开始，我国利用气象卫星数据监测森林火灾已有30多年的历史，其技术已日趋成熟，其中气象局和林草局已建立了业务化的卫星遥感林火监测系统。

国家卫星气象中心从20 世纪80年代开始将NOAA和风云卫星数据应用于林火监测。董超华等[3]曾对气象卫星森林火灾监测的原理、方法进行了全面的归纳。刘玉洁和杨忠东[4]探讨了应用EOS/MODIS 卫星资料进行森林火灾监测的算法。刘诚等[2]分析了气象卫星亚像元火点面积和亮温估算方法。朱小祥等[5]阐述了FY-2C 卫星在火灾监测中的应用。郑海青及梁益同分别[6，7]介绍了省级气象局建立卫星遥感林火监测系统的情况。

目前的卫星遥感林火监测系统是在卫星过境期间将资料接收并存储，卫星过境后再对卫星数据进行预处理、火点判识、火点定位分析等计算及处理，整个计算处理过程需要半小时左右。对于森林防火这种时效性敏感的防灾工作，晚半个小时监测到火情，可能会增加巨大损失，有的甚至会错过最佳灭火时机。

如果能进一步提高林火监测的时效，在卫星过境的同时就进行火点判识及火点定位分析处理，使相关部门实时地获取森林火情的有关信息，将可提高扑救森林大火的快速响应能力。为了提高林火监测的时效，我们开发了新的卫星遥感林火实时监测系统。

该系统可实时接收极轨气象卫星资料，并在数据接收的同时，实时对资料进行处理，并实时对森林火灾进行监测和定位。软件以Windows XP为操作系统平台，开发环境为VC++.Net 2003。

1 林火监测问题现状

传统方法中林火信息实时处理的难点是极轨气象卫星过境期间，地面接收系统必须连续不断地接收卫星遥感原始数据。传统的火点监测算法是为单机单线程的运行环境开发的。如果要实现实时监测，就必须在同一个处理流程中，每接受一帧的原始数据立即对其进行处理，并在下一帧数据到来之前处理完毕，转入下一帧数据的接受处理流程。

由于卫星遥感资料探测火点及计算火点的位置需要经过大量的数据处理及计算，包括综合可见光及红外通道数据对晴空、陆地进行判别，将红外通道的辐射率反演为亮温并对晴空、陆地进行火点判别，由卫星轨道参数、卫星姿态及扫描点序号计算火点经纬度。这就使得在完成大量的数据处理及计算与确保数据的完整接收之间出现矛盾：在下一帧数据到来时，由于上一帧数据还没有处理完毕而造成数据丢失。

由于以上难点，目前同类的卫星遥感林火监测系统采用了非实时的处理方法[2，3，6，7]，首先将卫星遥感资料接收存盘，再进行处理分析。其处理流程是：在卫星过境时将资料接收并存盘；对存盘资料进行预处理；对预处理后的资料进行投影，并对1、2通道的反射率做太阳高度角订正，对3、4、5通道的辐射率做亮温反演；对投影资料进行火点判别；计算火点的经纬度。其特点是，在处理流程中的各环节工作时间是不重叠的，上一环节的功能模块处理完成并以文件形式输出结果后，下一环节的功能模块才能开始处理。

2 林火监测技术流程

由于传统的基于单机单线程的火点监测算法不能满足实时处理的要求，必须对原来系统的数据处理流程、火点判别方法及火点的定位算法进行改进及优化，以达到实时处理的目的。

新开发的极轨气象卫星林火实时监测系统是由3 台服务器组成的并行处理系统，该系统将数据接收、火点的判断、火点定位、显示等的运行时序分配在3台服务器中同步运行。

3 台服务器分别完成的任务为：第1 级服务器完成资料的实时接收，并在接收到每一帧数据后对数据进行火点的初步模糊判断；第2 级服务器对接收到的疑似火点数据进行云判识、亮温反演，对疑似火点做进一步确认；第3 级服务器结合地理信息完成对火点判识、火点定位、显示等。

每接收处理一帧卫星遥感资料的林火信息分3个步骤完成，每个步骤仅需要上一步骤的处理结果，由3台服务器各承担一个步骤的任务。

卫星遥感林火实时监测系统的结构是流水线并行处理系统。其处理流程是，每台服务器接收上一个步骤的结果数据后，开始处理并将处理结果数据送到完成下一级任务的服务器，然后准备接收新数据继续处理。

2.1 火点实时辨识

火点的实时判识是能否实现林火信息实时处理的关键。其任务是在实时接收的数据中识别出含有林火信息的扫描点，并将扫描时间及扫描点序号提交到火点定位处理模块进行火点定位计算。

本系统实现火点实时判识的关键技术是将判识的时序从模糊到确定分3步，分别由3台服务器并行处理。其处理流程是：第1 级处理服务器在接收到每一帧数据后，首先根据反射率及辐射率对数据进行火点的初步模糊判断，并将疑似火点数据传送给下一级处理服务器做进一步确认；第2级处理服务器对接收到的疑似火点数据的反射率做太阳高度角订正、对辐射率进行亮温反演，然后对疑似火点做进一步确认并将计算结果传送给下一级处理服务器；最后，由第3 级处理服务器结合地理信息完成对火点的最终确认、火点定位、显示等。

由于在进行火点的实时判识时，需要将AVHRR 资料原始数据的计数值转换为探测值进行分析，因此必须预先得到定标系数。本系统在进行火点的实时判识前，先进行一段辐射定标系数的实时计算。

2.1.1 火点模糊判断

由第1 级处理服务器完成，目的是在接收一帧数据后，对数据做快速的判别，只将疑似火点数据送到下一级处理服务器，有效地减少下一级处理服务器的运算量。

其方法是，首先简单地根据第2 通道反射率是否大于第1通道反射率判断是否为晴空、陆地，再将其3、4 通道辐射率与经验阀值比较，判断其为火点的可能性。

疑似火点数据被送到第2 级处理服务器，由第2级处理服务器对疑似火点作进一步确认。

2.1.2 火点进一步确认

第1 级处理服务器完成火点的初步模糊判断后，疑似火点数据送到第2 级处理服务器。由于进行火点模糊初判时，直接用原始数据的可见光反射率进行晴空陆地的判别，直接用原始数据的热红外辐射率进行火点的判别，并没有对反射率进行太阳高度角订正，也没有对热红外辐射率进行亮温反演，存在错判的可能。所以，需要由第2 级处理服务器对疑似火点数据作进一步的筛选。其主要工作是对接收到的疑似火点数据进行反射率太阳高度角订正、辐射亮温反演，根据订正及反演后的数据对疑似火点做进一步确认。

2.1.3 火点最后判定

第2级处理服务器对疑似火点数据进行筛选后，将进一步确认的火点数据送到第3 级处理服务器。

这些数据是经过多通道的遥感资料综合处理分析之后提取的，已经可以确定其为地面的高温热点。由于人类的一些生产性活动也会产生高温热点，例如烧荒、砖厂、化工厂等。因此，这些地面的高温热点仍只是疑似火点。

要最后判定哪些是森林火灾，就必须结合地理信息，从这些高温热点中剔除由于人类的生产性活动产生的高温热点。这部分工作由第3级处理服务器完成。

2.2 火点实时定位

在卫星遥感林火实时监测系统的整个处理流程中，有2 个环节需要对卫星遥感资料扫描点进行定位计算：第2 级处理服务器在对火点做进一步确认时，需要对反射率做太阳高度角订正。因此，需要计算卫星遥感资料扫描点的位置，再计算该扫描点的太阳高度角；第3 级处理服务器在对火点做最终确认时，需要计算卫星遥感资料扫描点的地理经纬度，再结合地理信息完成对火点的最后判定。

3 数据库设计

3.1 林火监测数据源

1）资源一号02C 卫星。资源一号02C 卫星于2011年12月22 日成功发射。ZY-102C 卫星配置的两台2.36 m 分辨率HR 相机使数据的幅宽达到54 km，从而使数据覆盖能力大幅增加，使重访周期大大缩短。

2）资源三号卫星。资源三号卫星于2012年1月9日成功发射。资源三号卫星是我国首颗民用高分辨率光学传输型立体测绘卫星，卫星集测绘和资源调查功能于一体。资源三号可以获取同一地区3 个不同观测角度立体像对，能够提供丰富的三维几何信息。

3）环境一号C卫星。环境一号C卫星于2012年11月19 日成功发射，具有一定的穿透力，可以全天时、全天候工作，特别适合恶劣气候条件下的应用。

4）高分二号卫星。这是我国自主研制的首颗空间分辨优于1 m 的民用光学遥感卫星，搭载有两台高分辨率1 m 全色、4 m 多光谱相机，具有亚米级空间分辨率、高定位精度和快速姿态机动能力等特点，是我国目前分辨率最高的民用陆地观测卫星，星下点空间分辨率可达0.8 m。

3.2 数据库设计原则

1）统一设计原则。为保证数据的有效性、合理性、一致性和可用性，在全国统一设立交换资源库基本项目和统一编码的基础上，进行扩展并制定统一的交换资源库结构标准。

2）有效提取原则。既要考虑宏观决策需要，又要兼顾现实性，并进行业务信息的有效提取，过滤掉生产区中的过程性、地方性数据，将关键性、结果性数据提交并集中到交换区数据库中。

3）保证交换原则。统一设计数据交换接口、协议、流程和规范，保证数据通道的顺畅。

3.3 数据库设计路线

根据项目设计书要求的数据内容，以及设计原则设计基础空间地理信息数据库，在数据库设计过程中包括数据外部设计、结构设计和运用设计，三者缺一不可。三者关系如图1所示。

图1 数据库设计框架

3.4 基础空间地理信息数据库

基础地理信息数据与地表覆盖数据概括起来有以下几种类型∶数字线划图数据、遥感影像数据、兴趣点数据、路网数据、统计分析数据等，见图2。这些数据在建库前均需经过一定的加工处理过程，使其满足建库的要求，然后进行数据建库才能在系统中得到应用。

图2 基础空间地理信息数据库处理流程

4 林业防火地理信息系统

4.1 总体架构

本系统体系架构包括前端GIS 功能、火点详细信息功能、卫星林地定位功能、地图底图类型加载4 部分组成，如图3 所示，其中前端GIS 功能包括地图缩放移动、地图比例尺显示、地图经纬度显示，火点详细信息功能包括火点可信度统计、火灾受损面积统计、火点卫星图片查看，卫星定位功能包括火点具体位置信息、火点位置经纬度信息，地图底图类型加载包括天地图矢量和影像图、谷歌影像图、谷歌高程图。

图3 林业防火信息系统体系基本构成

4.2 前端操作界面

4.2.1 地图可视化操作

1）地图缩放移动：通过地图缩放控件对地图底图的大小进行缩放或者通过鼠标的滚轮实现。

2）地图比例尺的显示：地图比例尺大小随着地图底图的放大缩小而变化着。

3）地图经纬度显示：鼠标在地图底图上不停地移动，鼠标在地图底图上的经纬度坐标也不停地变化着。

4.2.2 火点信息查看

1）火点可信度统计：通过后台相关算法和卫星影像照片信息计算发生火点的可信程度。

2）火灾受损面积统计：通过后台相关算法和卫星影像照片信息计算发生火点受损面积的大小。

3）火点卫星图片查看：通过后台相关算法和卫星影像照片信息查看发生火点的卫星图片。

4.2.3 卫星定位功能

1）火点具体位置信息：通过卫星影像照片信息识别发生火点的具体位置所在地。

2）火点位置经纬度信息：通过卫星影像照片信息识别发生火点的具体经纬度信息。

4.2.4 遥感底图及时加载

1）天地图矢量数据加载：通过后台相关算法调用天地图矢量数据作为地图底图。

2）天地图影像数据加载：通过后台相关算法调用天地图影像数据作为地图底图。

3）谷歌影像图数据加载：通过后台相关算法调用谷歌影像数据作为地图底图。

4）谷歌高程图数据加载：通过后台相关算法调用谷歌高程数据作为地图底图。

4.3 林地分类服务

针对林地面积大、森林类型多样化的特点，采用卫星遥感方法进行全市一级分类服务，精确地将地区山水林田湖地理位置进行分类，着重将林地种植面积进行高精度分类，实现分类管理的高精度性。提供每年4 次的林地资源分类调查报告和林地信息变化监测报告。

调动卫星资源，针对实际需求，拟采用米级和亚米级高分辨率卫星对目标区域进行林地信息采集。例如，在为广东汕尾市提供遥感卫星服务过程中，通过卫星影像精校正系统对影像进行校正，结合专业化的解译和判读技术对全市林区地物信息进行提取和分类，最后完成一级分类专题图，形成矢量数据文件和分析报告交付用户。

林业管理项目中自然资源基数调查与林地分类主要包括对影像数据和卫星图像批量处理两部分。如图4 所示，其中对影像数据批量处理流程主要为：通过获取影像数据，对卫星影像数据进行技术处理，从而生成林业一级图，一级图中将林、水、田进行分类，得到林业的分布情况，然后结合现场确定林业面积基数；对卫星数据批量处理主要流程：首先选择合适的卫星数据，对卫星图像进行技术处理，结合地物光谱特征库和人工实调数据，从而构造林地要素反演模型，采用无人机和人工取样方法，去验证卫星图像数据精度；通过以上两个部分处理，最终确定森林面积、分布、分类。

图4 林业分类技术路线

4.4 林火监测服务

实现推送静止轨道气象卫星的火点位置、属性、卫星图片数据；通过静止气象卫星监测，实现高时效、高频次（10 分钟1 次）的林火监测。发现火点的第一时间及时报警，同时火点的定位信息、属性信息及图像信息均显示在系统中。

4.5 软件支撑环境

Eclipse开发平台、SQL SERVER 2008 R2数据库系统软件和Arc GIS Engine Runtime 10.2 软件用于数据转换、处理、示范应用等应用系统运行时支撑。ArcGIS Server Advanced 10.2 软件用于空间地理信息服务的发布、服务管理、专题信息采集系统的基础软件支撑。ArcGIS Desktop 10.2 数据处理桌面端软件，用于空间数据的格式转换、要素编辑、数据显示、数据导入导出、空间数据库建库等数据加工处理。

4.6 硬件支撑环境

1）后台服务器。

处理器：2颗E5-2603v4（1.7 GHz/10c）/6 GT；

内存：128 GB DDR4RECC内存；

硬盘：5块1.2 T热插拔硬盘；

网卡：1000 M*4。

2）防火通信设备。

天通卫星移动网络话音、短信、数据功能；SIM卡：Nano SIM卡；导航：GPS北斗。

5 结论

森林防火信息系统建成后，可有效提升了政府的经济与管理效益，降低森林火灾的发生率，推动林业产业快速发展；降低林业管理成本，提高居民福利水平，使其实现更加包容的增长；降低政府在林业管理方面投资，减少政府在林业管理方面人员投入，提高林业管理水平，通过政府制定的标准化带动产业化。林业防护的安全性得到有效提高，加强了政府在林业监管方面的职能，促进政府的办事效率和能力的提升。