高低轨遥感卫星联合监测火灾模式分析

王静巧 车航宇 史小金 曾湧

(中国资源卫星应用中心，北京 100094)

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，是一个特殊的灾种，会对森林、森林生态系统和人类造成一定危害和损失。利用空间遥感手段对森林火灾易发区进行监测，因其观测的时效性、空间及时间分辨率以及空间覆盖范围和波谱谱域范围的优势，能够及时发现灾情，在森林火灾监视中发挥重要作用。

对火灾的监测主要有3个方面：林火危险预报、火灾早期发现和火灾发生后的动态监测。森林火灾成灾有3个基本因子，即火源、环境和可燃物。林火危险预报主要从环境和可燃物两方面入手；森林火灾发现的主要特征，是火灾发生地的温度远远高于周围地区，因此短波红外(2.08～2.35 μm)和热红外通道(8～13 μm)是火灾早期发现的优选波段，技术上比较成熟；利用高分辨率卫星图像可以更加精确确定火灾发生区的大小，烟尘分布区域等，对火灾发生后进行动态监视。高轨卫星快速机动能力、高时间分辨率及大范围持续成像模式与低轨卫星的高分辨率成像优势相结合，高轨卫星巡查模式发现火点、低轨高分辨率卫星进行详查的工作模式，可以在森林火灾的灾情预报、早期发现和灾后动态监视评估中发挥重要作用。目前，针对火灾监测已逐步建立卫星高低轨联合监测方式，国内外针对应急成像多星协同调度算法和观测策略的研究较多，例如面向应急成像观测任务的多星协同调度方法、卫星协同观测策略和星地资源综合运用模式等研究[1-3]，主要考虑了多个应急任务、多颗卫星任务优先级排序和卫星使用约束问题，侧重于任务规划技术。

本文针对高低轨卫星联合观测中从提出需求到获取成像数据时效性较低等问题，提出了建立高轨卫星从提出需求到任务规划、获取数据的快速链路，以及突破低轨卫星应急订单闭环管理和多星轨道快速预报的关键技术，实现秒级资源分配，提升数据获取时效性。

1 现有运行模式分析

1.1 高轨卫星现有模式分析

我国工作于地球静止轨道的高轨对地观测卫星主要有风云二号、风云四号和高分四号卫星。其中，风云系列卫星主要用于气象预报、防灾减灾、应对气候变化和空间环境监测预报。高分四号卫星主要为综合防灾减灾、气象预报、林业监测和地震监测等领域提供高时间分辨率遥感数据，并可为海洋、农业、国土、水利等行业提供遥感数据服务[4]。高分四号卫星常规情况下对全国可实现定期覆盖，对全国广域监测。在森林火灾易发季节，针对火灾易发区域，如大兴安岭地区、云南森林地区等，将全国划分为东北、华北及东南火险监测区域，使用高轨卫星区域成像模式，对区域范围超过一景卫星图像的大区域实现观测[5]。每天上午及下午各巡视一次，进行全谱段成像，监测区域如图1所示，针对小面积的森林火灾易发区域使用单景成像。火灾易发区域的巡视，通过常规任务规划，提前一天上注指令，实现卫星对区域持续监测，及时发现火点。

当有火灾发生时，需要调动高轨卫星应急观测，卫星任务规划过程包括需求录入、人工根据星上任务查找可插入或者删除指令时间段、制定应急成像计划、生成载荷计划、接收计划和处理计划，最后将载荷计划生成上注指令并发送测控部门上注卫星。由于涉及部门及人工参与较多，任务规划复杂涉及流程长，协调工作多，从需求提出到成像往往1 h以上，应急响应时间长、效率低。

图1 高轨卫星火险监测范围

1.2 低轨卫星现有模式及能力分析

低轨卫星又称太阳同步轨道卫星，轨道高度为500～800 km，各卫星回归周期为40～60天不等，搭载全色及多光谱相机，常规观测模式主要应用于区域目标的协同观测与普查、积累历史数据。为了保障卫星快速完整覆盖全境以及有效数据的获取，避免卫星资源浪费[6-7]，通过统一运控[8]，结合预测云图以及历史数据覆盖情况，调整卫星侧摆角度，实现多星对大区域的联合无缝覆盖，卫星的覆盖特性可实现对火灾易发区域的常规监测。

低轨卫星侧摆角度最大为±35°，单颗卫星重访周期3至5天，多星联合观测任意局部区域，平均每天至少有1次观测机会[9]。基于星载遥感器的幅宽、侧摆能力，多颗低轨成像卫星对区域目标的协同观测情况下，可以实现对某一地区的快速重访，重访时间与卫星数量及目标位置经纬度相关，使用卫星数量越多，重访时间越短，且随纬度的增加，周期缩短。不同数量卫星及不同纬度情况下卫星重访时间见表1。

光学卫星降交点地方时多集中于上午10:30左右，有利于农、林、国土等行业卫星数据拼接使用，以及不同时相数据的对比应用。随着卫星长时间的运行，受大气阻力等摄动因素的影响，卫星半长轴逐渐减小，轨道周期逐渐缩短，卫星降交点地方时发生变化，降交点地方时集中在9:00-11:00之间，对于应急区域观测时间比较集中，当天应急能力不足，火灾利用低轨高分辨卫星详查，关键是需要快速计算卫星过境窗口，掌握可调度的卫星资源。目前系统建设以及算法研究侧重于任务规划，针对用户需求的闭环管理和多星的统筹有所欠缺。

表1 低轨卫星一天访问次数

2 高低轨应急联合观测火灾区域模式分析

高低轨卫星应急联合观测模式主要应用于自然灾害的快速监测和灾害状态详查以及移动目标的搜索与跟踪[10]。在森林火灾监测中，主要利用高轨卫星高时间分辨率以及后续高频次对灾区进行观测，利用低轨高空间分辨率卫星侧摆能力，对火灾区域应急监测，对过火区域面积等进行评估。

2.1 高轨卫星应急观测火灾区域模式

通过高轨卫星常规巡视监测及时发现与定位火灾区域，或者通过地面监测手段发现灾情，从相关部门获取灾情地理位置信息，应急调度高轨卫星对火灾区域成像。

高轨卫星应急成像链路涉及需求分析和录入、任务规划、方案生成、指令生成和指令发送。测控部门将收到的工作指令及时注入卫星，为保证指令的有效上注，从卫星指令注入到成像一般留有一定的空余时间。为了保障整个链路的有效性，确定需求获取时间和成像时间间隔至关重要。预留时间过长，卫星成像时效性滞后，时间过短，任何一个链路延后，会影响最终成像任务的执行。若星上正在执行成像任务，需要删除星上指令。高轨卫星受以上因素影响，从需求提出到数据获取时间往往时效性较差，迫切需要提升高轨卫星的数据快速获取效率。

开发高轨卫星应急响应一键式规划系统，实现应急成像时间点的自主判断和快速任务规划，根据火灾应急级别，系统自动启动相应的应急响应级别。针对较低级别应急任务，根据星上已有指令提取可用于应急插入的时间段，结合空闲时间插入应急计划。针对较高级别应急任务，需要删除星上指令，系统根据星上已有指令给出可用于删除指令的时间段；执行指令删除操作时，启动自动判断模块，根据指令执行时刻的卫星状态信息，判断是否需要上注“载荷安全关机”指令。

一键式任务规划根据指定应急任务的观测时间及模式频次等信息，通过自动获取相应的卫星姿态信息，一键式生成卫星工作计划、地面站接收计划及处理系统处理计划，并发送到相应位置。通过一键式应急响应规划系统，从需求提出到成像提升至30 min。

2.2 低轨卫星协同应急观测火灾区域

高轨卫星应急巡视过程中，若发现可疑火点，首先进行高轨卫星应急成像，确定火点信息的真实性;若监测点确实发生森林火灾，快速建立低轨卫星协同应急机制。

根据高轨卫星快速获取到的影像信息，提取森林火灾详细信息，包括点位、过火区域等信息；基于低轨卫星轨道特性，结合卫星侧摆能力，传感器幅宽及空间分辨率计算低轨卫星过境情况。一般情况下，低轨卫星一景影像可以对过火区域完全覆盖，因此在应急成像中不需要考虑多颗卫星联合拼接覆盖的情况。由于应急灾害发生的时间不确定，如果灾害发生时，卫星已经过境，则当天低轨卫星不能完成观测。若卫星未过境且能够通过侧摆观测到灾害发生区域，往往与星上已有成像任务冲突，可以根据实际情况协调测控资源，上注删除指令以及应急成像指令[11-12]，安排低轨卫星应急成像。

目前卫星任务规划系统比较成熟，需要加强订单闭环管理以及统一的轨道预报系统，建立应急需求统一输入订单系统。根据应急需求类型建模，充分考虑低轨观测卫星载荷特点和轨道特性，构建应急需求与卫星资源匹配的规则和算法，实现对应急需求的多星资源智能匹配和优选，建立卫星轨道快速预报系统，计算出可以过境的卫星资源，与用户协商需要安排的卫星资源，将应急任务一键式分配至所需卫星的任务规划系统。针对应急任务规划结果，成像时间、回放时间和地面站信息反馈至订单系统，应急数据处理完成后自动推送至用户应用系统，方便用户掌握应急安排以及完成情况。

为了快速获取可过境的低轨卫星资源，采用C#语言进行开发，在Visual Studio 2010开发平台和.Net开发框架下进行设计，基于太阳同步回归轨道，开发了低轨观测卫星轨道预报与多星任务综合服务软件。该软件轨道预报涉及在轨运行的民用高分辨率陆地观测卫星，可高效秒级计算卫星过境时间窗口，在进行低轨观测卫星应急任务安排中起到了重要作用。

3 模拟试验

模拟火灾区域以东北某地为例，利用我国在轨运行陆地观测卫星进行森林火灾高低轨联合监测模拟试验。某日下午15点通过高轨卫星常规观测发现火点，通过一键式任务规划系统30 min实现高分四号卫星对灾区成像，后续每间隔20 min高频次获取一次数据，高分四号卫星有效载荷包含6个谱段，可见光/中波红外分辨率为50 m/400 m，晚上使用中波红外监测火灾区域。

根据高轨卫星提取的灾区经纬度(经纬度127°E,47°N)，调用用于森林火灾监测的低轨陆地观测卫星进行详查，卫星资源主要有资源一号02C星(ZY-1 02C)、资源三号01星(ZY-3 01)、实践九号A星 (SJ-9A)、高分一号(GF-1)、高分二号(GF-2)、资源三号02星(ZY-3 02)、高分三号(GF-3)、高分一号02、03、04星(GF-1B、GF-1C、GF-1D)和高分六号(GF-6)等。使用轨道预报软件秒级计算当前时间后面卫星过境信息，快速掌握过境资源。由于光学卫星过境时间比较集中，火灾发生在下午，当天已无成像窗口，次日可过境5次(见表2)。其中GF-3卫星为雷达卫星，针对火灾区域多云状态，雷达数据将发挥重要作用，实现光学遥感卫星、微波遥感卫星联合。

表2 火灾区域卫星过境窗口

若高轨卫星数据监测到多个着火点，通过火势方向判断出每个着火点的火灾大小，低轨高分辨率卫星资源一轨不能完整监测多个火点时，将多颗过境卫星分别分配到不同火点，实现资源统筹。

4 结束语

本文通过分析目前我国高轨及低轨陆地观测卫星的成像能力，以及高低轨卫星常规及应急成像任务规划的现状，结合目前已有的任务规划系统，在此基础上构建高分四号一键式应急系统以及低轨卫星轨道预测、任务分配和订单闭环管理体系，实现高低轨卫星联合对森林火灾的快速监测。通过试验模拟可知，高低轨联合观测对火灾区域的监测以及灾后评估意义重大，在应急监测中，切实可行。具体意义体现在：①常规使用静止轨道卫星每日针对重点区域巡查，发现火点，中高分辨率卫星实现日常监测，积累历史数据。②针对发现火点，快速调动高轨卫星启动一键式应急规划，获取灾区观测数据，通过加大拍摄频率，掌握火势情况，为相关部门救灾提供依据。通过低轨高分辨率卫星侧摆成像，获取火灾区域有效数据，详查灾害区域，进行过火面积评估。③通过高低轨卫星联合规划系统，对各地发生的火灾进行观测优化配置，合理兼顾应急与日常观测计划的开展。今后，针对遥感卫星应急观测，建立任务规划、数据处理、接收传输、数据推送、灾情监测和灾情评估系统等应急全链路自动化流程,还需要结合我国火灾监测需求做进一步深化研究。