利用卫星系统提升我国森林火灾监测能力探讨

刘志勇 蒋岳新 申志强 李帅 赵雪

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 应急管理部森林防火预警监测信息中心，北京 100065)(3 钱学森空间技术实验室，北京 100094)

森林火灾，是指失去人为控制、对森林和森林生态系统及人类带来一定危害和损失的林火行为。研究利用遥感卫星增强对森林火灾的及时探测、发现、预警能力意义重大，不仅可以减轻灾害损失，还能够扩大遥感卫星应用范围，促进遥感探测载荷技术进步。国外很多机构、学者投入大量资源进行遥感卫星探测森林火灾的技术研究，取得了很多成果，但也存在着数据综合利用水平不足、精确预警火灾能力不够等问题。森林的燃烧必须同时具备可燃物、氧气和一定的温度(火源)3个条件，缺一不可。常见的森林火灾主要有地下火、地表火、树冠火等3种[1]，森林火灾的燃烧发展通常经历预热阶段、燃烧阶段和熄灭阶段[1]。开始燃烧时生成二氧化氮气体和不可见的小颗粒(直径约在0.01～0.05 pm)等，烟雾气溶胶开始散发；出现明火后，伴随更多烟雾(烟雾颗粒直径约在0.3～1.0 pm)，烟雾粒子更加凝聚，并产生大量有害气体。火灾发生时一般有3种热物理现象：阴燃、火羽流、烟气，同时产生烟雾气溶胶、烟雾高温、火焰光等现象，这些都称为火灾参量，通过卫星对这些参量进行监测就可以判断是否发生了火灾。阴燃的典型温度范围为600～1100 K，火羽流热解的典型温度在600～900 K，气相火焰为1200～1700 K。烟气温度的上限低于火羽流的温度，而下限则高于环境温度，一般为300～800 K。由辐射定律可知，当物体为黑体时，依靠其自身发光而表现出物体形体的图像信息，其温度必须超过873 K。经过不断的试验、研究和技术进步，利用遥感卫星监测火灾取得了明显效果，在森林火灾监测活动中扮演了越来越重要的角色。

本文首先介绍了卫星系统监测火灾的原理和过程；其次对用于火灾监测的卫星系统作对比分析；再次梳理了现有系统针对火灾监测应用存在的问题与差距分析；最后考虑未来发展，提出进一步提高卫星监测能力的建议。

1 卫星系统监测火灾的原理

以在空间特定轨道上运行的人造地球卫星、空间站等为平台，配置辐射计、相机、激光、雷达等有效载荷，可从空间轨道上探测火灾风险、火情、走势等。可以对森林火灾进行大范围、便捷、高效的监测，解决地面和航空监测所面临的盲区监测计算精度低、工作繁杂且费用高等问题。协同应用大气、海洋、陆地遥感卫星系统，能够监测林区的温度、大气相对湿度、风速、火情演变、火烧迹地等参数变化[2]，为森林火灾的风险预测以及采取相应措施提供决策依据。在卫星遥感数据中不同的电磁波谱范围对温度和地物类型有着不同的光谱响应，这也是利用卫星遥感数据进行火灾预警、监测的基础。

遥感火点判识的基本原理主要依靠温度升高导致热辐射增强，以及不同热红外通道增长幅度差异这两个条件。自然界的不同物体由于自身温度及物理化学性质的不同，它们具有不同的波谱特性。当生物质燃烧时，主要的辐射源是火焰和具有较高温度的碳化物、水蒸气、烟等。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，高温热源的温度变化十分有利于判识高温热源。

根据维恩位移定律

λmaxT=C

(1)

式中：T为黑体温度(K)；λmax为辐射峰值波长(μm)；C为常数，C=2897.8。

由此，常温(300 K)地表辐射峰值波长在10 μm左右。当物质着火时，温度可达500～750 K以上，对应辐射峰值波长位于3.86～5.8 μm，该波长正好对应卫星探测器的红外通道，卫星遥感林火监测正是应用了上述原理，利用不同波长热辐射的差异性判定火点。若以物体未发生燃烧时的辐射为背景辐射，利用燃烧辐射与背景辐射的差异，可以从卫星遥感信息中及时发现火灾。

卫星林火监测算法一般将火点按亮温大小分为绝对火点与相对火点[3]。绝对火点的识别是依据火点本身中红外辐射特征，而相对火点的识别则是依据火点辐射与背景辐射之间的差异。林火监测流程主要分为数据获取、提取通道信息和经纬度、区域投影、快速大气校正、云检测、水体判识、耀斑滤除以及火点判识等几个环节。利用遥感卫星获取的遥感图像进行火灾风险预警和监测，具有较高的时间、空间分辨率及较大检测范围等特点，可以连续跟踪与监测森林火灾发生与发展的动态过程并提供详尽森林火灾各种指标，如森林火发生的位置、过火面积、火灾区域地面温度、大气相对湿度、火灾发生的地形与地貌等。正因如此，卫星遥感影像技术已经成为全球各国森林火灾监测与防治不可或缺与首选手段。

当前，卫星遥感影像技术被广泛采用于森林火灾监测与防治的全过程。如当遥感影像数据经过处理后，就能在影像图像中找到高温异常点，这些高温异常点正是森林火灾发生之处。可以综合分析多个卫星源、多个谱段、多个通道的数据，既能提升一定程度的时间分辨率，也可以利用交叉判断的方法，在灾害监测的可信度上获得提升。

2 用于火灾监测的卫星系统

目前，用于火灾监测的卫星系统，从轨道特点看，主要有两类：一类运行于地球静止轨道(高轨)，典型系统有风云四号、向日葵八号和高分四号；一类运行于太阳同步轨道，典型系统有：诺瓦(NOAA)卫星、地球观测卫星(EOS)、风云三号、环境减灾卫星、哨兵3A等(见表1)。

(1)中国风云四号卫星于2016年12月发射入轨，定点于104.5°E，采用三轴稳定姿态控制方式，设计寿命7年。卫星搭载了辐射成像仪(AGRI)，成像观测通道14个，全圆盘图像观测时间15 min，最高空间分辨率0.5 km。其在3.5～4 μm设置了2个通道，兼顾低温、高温不同动态范围，主要覆盖我国国土范围，既可判识地面火点位置，又可为火点提供温度、强度信息。

(2)中国高分四号卫星于2015年12月发射入轨[2]，是世界首颗静止轨道高分辨率光学成像遥感卫星，主载荷是一台50 m分辨率凝视相机。该卫星可对中国及周边地区进行近实时连续观测，其中，中波红外通道重复观测间隔只需要1 s，可提升火灾观测时间分辨率。在林火预警方面，既能对全国下垫面进行持续观测并进行风险评估，还可以获得森林可燃物长势、湿度等信息。如遇到紧急情况，可根据需要灵活调整成像积分时间，比较适合对动目标或快速变化目标进行监视成像，并有能力进行大动态范围观测，也可对目标多次曝光成像再进行累加，进一步提高信噪比。如果我国不同地区出现多灾并发情况，可以通过机动巡查成像方式，实现多点轮流观测。

(3)日本向日葵八号卫星于2014年10月发射入轨[4]，定点于140.7°E，观测范围80°E～200°E、75°S～75°N，设计寿命8年。卫星搭载了辐射成像仪(AHI)，能够10 min获取一幅地球圆盘图扫描图像，特定区域扫描时间2.5 min。有16个观测通道，可见光通道空间分辨率0.5～1 km，红外通道分辨率1～2 km[5]。AHI第7通道观测波长3.9 μm，数据量化位数为14，该通道剔除了对地观测的一些背景噪声，针对性很强，主要是用于探测高温辐射热源，例如森林火灾、火山活动等。

(4)美国“土”(Terra)卫星和“水”(Aqua)卫星分别于1999年、2002年发射入轨，两颗卫星均搭载了中等分辨率成像光谱仪(MODIS)传感器[5]。MODIS上的探测器具有36个光谱通道，波长从可见光、近红外、中红外及热红外范围，地面分辨率分别为250 m、500 m和1 km，扫描宽度为2330 km。Terra-MODIS的过顶时间为上午10:30左右，而Aqua-MODIS则为下午13:30左右。MODIS设计时主要的任务之一就是支持森林草原火灾探测。MODIS具有2个中心波长为4 μm的中红外通道和1个中心波长为11 μm的远红外通道。数据免费向全球用户播发，获得广泛应用。

(5)美国NOAA卫星由国家大气海洋局负责，搭载其上的先进甚高分辨率辐射计(AVHRR)载荷数据应用于火灾监测已经有了很长时间，能提供覆盖全球的中分辨率遥感影像。第三代AVHRR有6个通道，空间分辨率达1.09 km。AVHRR第3、4通道的中心波长分别为3.7 μm和11 μm。第3通道接收的辐射能量最大，对高温极为敏感，是识别火点的关键。但因为该通道饱和温度较低，所以比较容易饱和，因此在利用该通道判读火点信息时会对准确率造成影响。

表1 支持森林火灾监测的常用遥感卫星资源对比

3 存在的问题与差距分析

用遥感卫星进行火灾风险预判、火情监测及火烧迹地评估发挥了很大作用，但也存在如下几方面问题，有待发展更多先进技术加以克服。

(1)高轨分辨率有待提高。国际上，新一代静止轨道气象卫星的空间分辨率在0.5～2.0 km范围。受天气因素影响比较大，如果云层覆盖火灾区域，则难以获得清晰图像。如果火场面积小(不足0.1 km2)、火势较弱，高轨卫星很难灵敏探测。在火灾中期，火场面积超过2 km2时，高轨卫星才能够有效监测。

(2)探测精度有待提升。实际应用中，希望卫星有效载荷在可见光、近红外波段的典型信噪比达到200或更高一些，具备一定的动态范围，且探测精度在寿命期内保质稳定、不衰减。目前主要受制于星上探测器规模和制冷器研制水平，在信噪比、绝对辐射定标精度等方面还有较大提升空间。

(3)观测时效性仍显不足。高轨卫星一般定点于某区域上空，对观测范围内的火情态势时效性较强，但范围之外就无能为力了。低轨卫星一般空间分辨率较高，但需要大规模组网来提高重访能力，多颗卫星协同观测才能弥补单颗卫星过顶时间严重不足的问题，但这带来了部署卫星、维持星座的成本上升，有待寻求更有价值的解决方案。

4 提高卫星监测能力的建议

1)合理设置谱段，增强火灾监测能力

对森林火灾监测有直接和重要支持作用的有效载荷包括可见光、红外、高光谱等类型。这些载荷的设计研制，首先考虑的是空间分辨率，我国已发展了千米级、16 m、8 m等不同分辨率的有效载荷，如风云四号搭载的成像辐射计，可见光成像分辨率0.5 km、红外成像分辨率2 km；高分一号搭载了2 m/8 m和16 m相机。其次是波段设置，尤其是红外遥感载荷，还要考虑信噪比、饱和范围、传函等参数配置。未来5 m红外卫星，将在低轨实现5 m分辨率红外图像观测能力，建议将幅宽设计大于20 km，信噪比设计优于300。针对现有在轨红外载荷技术不足，载荷中长波红外谱段数量设计到4个以上，这样可大大提升对火灾风险、演变的跟踪监测。

2)多星协同互补，构建灾害监测体系

充分利用高、中、低轨道资源，利用国外、国内两类卫星数据，构成多星协同观测体系，利用不同卫星不同的波段范围、灵敏度、分辨率和过境时间，互补达到更佳的火灾监测预警效果。这样不仅对森林火灾形成强大的监测能力，也兼顾台风、洪涝、雾霾、滑坡/泥石流等其他灾害监测。高轨系统，主要利用风云四号、向日葵八号[5]、高分四号等数据。发挥高轨道卫星快速重访优势，重点进行火点/热源点检测和风险预判，快速识别火点位置，预测预报林火的变化趋势。考虑发展中轨光学系统，同时兼用哨兵三号卫星数据。低轨系统，主要利用风云三号、环境减灾卫星、5 m红外卫星(空基规划)以及国外的NOAA/AVHRR、EOS/MODIS数据。

3)强化数据处理，提高信息更新速度

遥感数据处理有两种方式：一是在地面集中处理，可以利用国、内外多颗卫星、多时相数据进行综合分析，处理结果较为精确可靠，缺点是处理过程复杂、处理速度较慢；二是星上智能处理，主要利用人工智能、大数据等技术，在卫星上的观测数据中直接提取有用信息，可以大大提升信息提取、林火识别速度和数据更新速率，但受限于卫星的智能化程度和卫星互联网技术发展，识别精度和灵活性有待大幅度提高。星上处理是提升火灾预警、风险识别、火点信息高速更新的重要技术方向，未来随着星上软件重构、大规模运算能力提升、多星互联协同技术进步等，会逐渐取得更多突破。

5 结束语

本文围绕遥感卫星火灾监测主题，分析了现有系统用于火灾监测情况及存在的问题与差距，并综合火灾监测需求及未来技术发展，在载荷、系统等方面提出进一步提高卫星监测能力的建议，可以作为我国未来发展应急管理卫星监测体系的参考，希望能够为我国民用空间基础设施体系完善和能力提升提供支持。