遥感技术在南方森林航空消防中的应用

吕万鹏

（应急管理部南方航空护林总站，云南 昆明650021）

森林火灾是一种失去人为控制的森林燃烧现象。根据起因不同可分为自然火和人为火。自然火是指雷电、泥炭自然发酵、滚石击起火花、林木干枝的摩擦等引起的火灾；人为火是指由于人类在生活、生产中的不当行为引起的火灾[1]。林火作为一种自然灾害具有突发性的特征，一旦超出人为控制后在森林中延伸扩展，就会给人类生命财产造成损失，给生态环境带来危害。我国是一个森林火灾多发的国家，仅2000-2014年我国森林火灾的次数平均为7945次/年，火场总面积平均为24万km2/年，受害森林面积平均为10万km2/年[2]。我国实施天然林保护和退耕还林工程以来，天然林和人工林林内可燃物载荷增加；同时，全球气候变暖造成了森林高火险天气数量增加。我国未来森林防火形势严峻。

森林火灾的监测和扑救，如果单靠人工进行，不仅要花费大量的人力和财力，而且要经过很长的时间才能获得火场全面的资料。用遥感技术，则能在短时间内获得全面准确的资料，方便及时指导防灾、救灾工作。

1 遥感技术概述

1.1 遥感的定义

“遥感”，顾名思义，就是遥远地感知，简称RS。人类通过大量的实践，发现地球上每一个物体都在不停地吸收、发射信息和能量，其中有一种人类已经认识到的形式——电磁波，并且发现不同物体的电磁波辐射特性是不同的。遥感就是根据这个原理来探测地表物体对电磁波的反射和其辐射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离识别物体。

1.2 遥感技术的发展

遥感作为一种空间探测技术，至今已经历了地面遥感、航空遥感和航天遥感三个阶段。遥感技术是从19世纪初出现摄影术开始的。19世纪中叶，就有人使用气球从空中对地面进行摄影。20世纪初，飞机问世以后，人们开始从空中利用飞机对地面进行摄影，并将航空影像应用于地形和地图制图等方面，这揭开了当今遥感技术的序幕。近十几年随着空间技术的迅速发展，虽然航天遥感具有许多优越性，但是由于航空遥感具有成像比例尺大、分辨率高、几何纠正准确等优点，故航空遥感现在仍然是重要的遥感手段。

遥感技术包括传感器技术、信息传输技术、信息处理、提取和应用技术，目标信息特征的分析与测量技术等。

1.3 遥感技术的应用

遥感的关键装置是传感器。传感器在航空或航天中接受地面物体反射的电磁波信号，以图像形式记录下来，传送到地面，最后通过处理和判断分析，揭示物体的特征、性质和变化。按照传感器使用的平台可分为：航空遥感技术和地面遥感技术[3]。常用的传感器包括航空摄像仪、全景摄像机、多光谱摄像机、多光谱扫描仪、专题制图仪、反束光导摄像管、合成孔径侧视雷达、固体扫描仪（CCD）、红外线扫描仪等。

近十几年来，我国遥感技术的发展也十分迅速，不仅可以直接接收、处理和提供卫星的遥感信息，而且具有航空航天遥感信息采集的能力，能够自行设计制造如红外线扫描仪、合成孔径侧视雷达等多种用途的航空航天遥感仪器和用于地物波普测定的仪器。其中，机载CCD相机常用于探测火灾的重灾区，可以用来分析受灾程度和建立灾情解译分析标志。热红外多光谱扫描仪是监测森林火灾的有效传感器，它设置了0.4～0.5 μm、3～5 μm和8～12.5 μm三个探测通道，其中可见光通道用作背景，直观地反应地表自然景观；3～5 μm通道是探测火灾的主要通道，通过探测火灾产生的高温温度场揭示地表火情；8～12.5 μm通道用于揭示地表背景温度场（常温温度场）。将热红外扫描仪和CCD相机结合，进行火灾区的航空监测，对图像进行处理和解译，分析火灾的蔓延趋势和可能出现暗火的区域，为采取有效的灭火措施提供准确的依据[4]。

2 遥感技术在南方森林航空消防工作中的应用情况

自1993年成立西南卫星林火监测分中心以来，遥感技术特别是航空遥感技术逐渐应用到南方森林航空消防工作中。南方航空护林总站是我国西南地区专门从事森林防火、灭火的一支现代化森林航空消防专业队伍，承担着黄河以南18个省（区、市）森林航空消防工作。航空护林防护区内的国土面积共418.07万km2，已开航省份森林航空消防覆盖面积约254.46万km2，约占南方18个省（区、市）国土面积的60.87%。目前，南方森林航空消防实际工作中，遥感技术重点应用在林火的预警监测和火灾的实际扑救上。

2.1 遥感技术在南方林火监测中的应用

卫星监测是林火监测技术发展的前沿领域，利用卫星搭载遥感装置可以监测记录地球陆地生态系统的各类信息。其中根据森林燃烧时温度高于背景地表温度，卫星能够完成森林热点的识别监测。卫星遥感技术在林火识别监测中可以实现着火点地理位置的判定、火线的范围制图、火场变化趋势判断及火烧迹地植被恢复过程的监测和评价。遥感技术在卫星林火监测上有独特优势，分辨率高，发现早，发现火情可及时通知林业部门采取措施，阻止火点蔓燃，最大限度降低林火造成损失。目前，在南方林区用于森林火灾监测的卫星多为极轨卫星，主要是FY、TERRA、AQUA、NOAA、EOS/MODIS系列气象卫星。美国NOAA气象卫星信息源是面向全球的无偿遥感信息源，具有周期短、密度高、多时相动态遥感的能力，但分辨率给林火信息监测带来一定困难；EOS卫星在林火监测中具有很好的应用前景，不仅可应用于林火的直接监测，同时可以开展地表温度、湿度的监测，利用MODIS资料进行林火的动态监测，具有较好的应用前景，在林火的准确率和定位上较NOAA卫星有较大的提高[3]。

利用卫星数据进行林火监测，虽然能够实现每天对南方林区开展森林火情的监测，但卫星数据存在空间分辨率较低，利用热红外通道数据进行林火监测时易受到强反射面和高温饱和等因素的干扰。另外，气象卫星监测易受到云、雾的影响，进而影响到林火监测的精度。解决这些问题，需要在卫星遥感技术及监测平台上取得技术发展，从而提高卫星对林火监测的成熟度。

近年来，在我国遥感技术领域，伴随着多传感器、多分辨率、多时相遥感数据源的接收和应用以及对高质量遥感数据的开发，促成了各种遥感数据融合技术的出现与发展。在卫星林火监测领域，应用部门希望利用有限的数据资源获得来自不同卫星或不同仪器遥感数据源的信息，以增强对林火的检测与识别能力，提高卫星遥感应用的精度、范围和效率。于是，多卫星、多仪器数据匹配以及其融合产品有了广阔的市场。目前，我国自主研发的FY-3A是卫星林火监测工作中常用的一颗卫星，该卫星同时搭载红外分光计、微波温度计、微波湿度计，主要用于大气垂直探测。综合三个仪器，覆盖了从可见光、近红外、热红外到微波波段的光谱范围，其间的光谱信息非常丰富。为了解决有云条件下卫星大气垂直探测技术难题，以及有效地提高大气参数反演的精度，该卫星综合利用红外通道和微波探测通道信息进行大气垂直探测。通过红外分光计、微波温度计、微波湿度计三个仪器的数据融合，在与地理信息系统结合使用后，FY-3A气象卫星在南方林火监测工作中发挥了重大作用，大大提高了卫星林火热点的判定[5]。

2019年，我国首颗亚米级高分辨率光学对地观测卫星高分七号在太原卫星发射中心发射成功。高分七号卫星是光学立体测绘卫星，已在高分辨率立体测绘图像数据获取、高分辨率立体测图、高精度卫星遥感和遥感统计调查等领域取得突破。高分七号卫星定位精度是目前国内最高的，能够将我国乃至全球的地形地貌绘制出一幅误差在1 m以内的立体地图。高分七号光学卫星不仅能够为规划、环保、国土、农业部门提供宝贵的信息，未来还可以应用在森林防火工作中，特别是高分卫星的高分辨率和高定位精度在卫星林火监测中会发挥重要作用。

南方航空护林总站除利用卫星遥感技术进行林火监测外，最近几年也在不断探索利用无人机遥感进行林火监测。无人机遥感应用主要集中在中低空遥感。随着计算机技术、通信技术的迅速发展以及各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的小型传感器的不断面世，常用的低空无人机已经可满足1∶10000或1∶2000比例尺遥感应用的需要。相比较卫星遥感，无人机进行遥感图像的获取具有较高的经济性和灵活性。目前，在南方林火监测中，无人机已经可以通过超短波通信链路将数据就近传输回地面站。图像传输利用PT系列无线音视频传输系统，可以无线、远距离传输一路或多路视频信号及音频信号，所获得的图像信号和音频信号实时、连续、无失真。无线音视频传输系统实际传输距离，在无遮挡的条件下最远可达10余公里。利用无人机配合遥感卫星监测森林火灾已成为南方林火监测技术重要发展方向[4]。

2.2 遥感技术在南方森林火灾扑救中的应用

将遥感技术同航空护林飞机结合，在目前的森林火灾扑救中，特别是在火场侦查过程中得到广泛应用。

航空护林常用的载台是有人飞机。目前，南方护区主要使用的直升机型有Mi-26、Mi-8、Mi-171、Ka-32、（AS-350B3）小松鼠；固定翼机型有Y12、赛斯纳208、夏延等[6]。随着机载图传系统的日趋成熟，各种遥感仪器更加小型轻质化。南方林区在实际工作中已经将航空摄像仪、多光谱摄像机、固体扫描仪（CCD）、红外线扫描仪等遥感设备搭载在飞机上对火场进行空中侦查。飞机观察员将收集到的火场信息通过信息传输技术传递给火场地面扑救专业队伍，形成了以地面指挥为主、地空配合的火场调度和扑救体系。

2014年5月21日，云南省昆明市安宁郑家沟发生森林火灾。5月21日19时，西南卫星林火监测分中心通过NOAA-18卫星监测发现有5个像素的热点（YN-10），经反馈证实为昆明安宁境内的林火。安宁当地森林防火部门获知火情后，迅速组织人员扑救，在第一时间将火情控制住。随后，南方航空护林总站启动《南方森林航空消防处置森林火灾预案》，针对火场信息，紧急从普洱、丽江、保山和西昌航站调动1架M-171和3架卡-32直升机前往火场扑救。其中，M-171直升机载有航空摄像仪、红外线扫描仪和图传设备，负责火场侦察和空中指挥，3架卡-32直升机组成编队灭火。此外，应国家森林防火指挥部要求，南方航空护林总站派出赴火场工作组携带应急通信设备并调派大型通信指挥车，前往火场一线协调和指导火灾扑救工作。

据统计，此次火灾扑救过程中，M-171上的飞行观察员利用机载摄像仪、固体扫描仪、红外线扫描仪和图传设备对火场空中侦察17架次，及时向火场前指汇报火场最新态势，提供火场侦察报告17份，火场态势图15份，上报火场重点部位照片75张，为火场指挥人员的决策和指挥提供了重要依据。与此同时，西南卫星林火监测分中心每天利用NOAA-18、FY-3A等过境卫星连续跟踪热点，从5月21日发生林火到27日林火被扑灭，共制作连续热点图像35幅。

在处置“5·21”火灾中，南航总站应用了移动多媒体实施传输系统、卫星通信系统、火场标绘系统、GIS和GPS系统、无线图传系统等技术，发挥了较好的作用。火场工作组的大型通信指挥车到达火场后，立即建立起火场一线—国家森林防火指挥部指挥中心—火场前指的视频连线，利用信息传输技术，通过图传设备传输空中飞机侦察的火场视频、照片和态势图等火场信息，保障国家森林防火指挥部与前指的视频会议畅通，为上情下达和下情上报提供坚实保障，为各级领导及时全面掌控火场动态、做出准确分析、实施果断决策和正确指挥提供了可靠、直观的多媒体信息和有力的技术支持。在直升机扑救重点区域时，依托GIS准确引领吊灭，提高了火场侦察效率和灭火准确度。这些技术特别是遥感技术在森林消防中的应用，极大地提高了处置安宁火场的工作效率，为最终扑灭火灾发挥了重要作用[7]。

遥感技术还可以应用于林火损失评估。当发生森林火灾之后，相关部门需要对火灾的起因、受害面积、扑救情况、经济损失、人员伤亡以及造成的环境影响等进行调查分析，从中吸取教训，以便有针对性地加强森林防火工作。通常情况下，在对火源进行分析的过程中，需要结合环境一并分析。在确定起火位置后，不可以主观地下结论，要按照起火地点的火源、可燃物以及环境等因素进行全面综合分析，从而得出科学结论。在对火灾发生后的火场进行评价时，可通过植物光谱的反射特征来完成。借助卫星通道的红外短波窗区对火场高温热源进行检测，辅以林火蔓延模型，进而对起火点及火灾的发展规律进行分析，不仅极大地提高了林火的扑救效率，还能迅速准确地对林火发生后的经济损失和社会损失进行评估。目前，该系统已经在南方森林防火中得到应用。

遥感技术与地理信息系统相结合，还可以分析总结出森林火灾发生发展的规律，为森林防火制定新的技术规范，提高了南方森林防火综合防控能力[3]。

3 结语

森林防火是一项复杂且系统的工作。为了能够降低森林火灾的发生概率，减轻火灾损失，近年来，遥感技术的一系列方法手段被应用在森林防火工作中，对快速发现和处置森林火灾起到了重要作用。在南方森林防火预警监测和扑救实践中，随着遥感技术的发展和遥感产品的深入应用，结合计算机地理信息系统的不断发展完善，南航总站在科学组织林火预防和扑救方面，工作水平不断得到提高。