气象卫星监测技术在森林防火中的应用和发展

森林火灾是危害林业发展和森林自然资源的主要因素。近年来，美国、澳大利亚等国家重特大火灾频发，不仅对当地的森林资源造成了毁灭性灾害，山火产生的烟尘及其他附带危害也严重影响了附近地区的社会经济发展。由于森林面积广袤、地形复杂、道路崎岖，瞭望监测和视频监控都有很大的局限性，很难全面监测森林中的火灾情况。在这样的情况下，利用气象卫星宏观监测森林火灾就具有极强的现实意义，气象卫星可远距离、快速、全面地发现森林火灾，及时掌握火灾情况，并通报相关部门，实现森林火灾早发现、控制火势、尽快扑灭，最大限度减少损失。

1“葵花八号”气象卫星概述

“葵花（HIMAWARI）”系列卫星是日本气象卫星的一种，日本气象厅从1978年开始使用“葵花”系列气象监测卫星进行气象观测，共发射了10颗卫星，9颗发射成功。“葵花八号”卫星发射于2014年10月，全长（含单太阳电池翼）约8 m，发射质量约3 500 kg，采用三菱电机公司DS-2000卫星平台（三轴控制）为用户设计的气象卫星的组态，设计寿命15年，执行观测任务寿命长于8年，搭载的探测仪器为Advanced Hi‐mawari Imagers（AHI）。相比之前发射的“葵花”系列卫星，“葵花八号”在卫星重量和观测范围以及观测精确程度、效率上都有了较大的提升。中国也是“葵花八号”气象卫星的用户之一，“葵花八号”卫星在森林气象监测过程中发挥着重要的作用，见表1。

2气象卫星监测技术在森林防灭火工作中的应用

2.1森林火情监测

气象卫星监测森林火情主要是通过高频扫描实现的。众所周知，物体在燃烧时因为热能和发光会散发出非常高的辐射，而气象卫星在运行的过程中，能够有效地监测到这些异常的辐射现象，同时根据历史数据和计算机算法对辐射现象进行分析，对可能出现火灾的情况及时预警。

地面观测和空中遥感实践证明，3～5μm光谱对燃烧的火焰特别敏感，高精度分辨率辐射计（AVHRR）第三通道正处于3～5μm光谱范围内，因此利用卫星遥感可以对森林中的火情进行有效的监测。

2.2森林火灾面积和起火原因监测

一方面，气象卫星能够监测森林火灾的起火原因，通过卫星监测和观察记录的数据，结合起火时的气象情况以及火源附近的人居自然情况，分析出森林火灾的起火原因，将起火原因反馈给林业管理人员或者气象监测人员，就能够及时地根据起火原因作出应对措施；另一方面，气象卫星还能够监测和计算森林火灾的过火面积，通过前后卫星图片资料的叠加分析，从而计算出森林火灾的过火面积。

3气象卫星监测技术在森林防火中的现状

当前的森林防火监测当中，卫星监测是主要的监测手段，而利用气象卫星监测的主要方式就是卫星遥感技术，即AVHRR，这是当前气象卫星的主要监测技术手段，此外还有“葵花八号”搭载的“先进向日葵成像仪”（AHI）也是监测遥感的探测器，都能够高速有效监测森林情况。

目前使用较多的卫星遥感监测技术为AVHRR，全称为Advanced Very High Resolu‐tion Radiometer，是NOAA系列气象卫星上搭载的传感器，从1979年TIROS-N卫星发射以来，NOAA系列卫星的AVHRR传感器就持续进行着对地观测任务。

中国森林面积广袤，森林自然情况复杂，为了能够实现全天候、大范围的监测森林火灾，需要多颗气象卫星协调工作，并且结合人工监测方式，多角度全方位地监测森林火灾情况。

AVHRR是一种多光谱通道的扫描辐射仪，具有5个通道，各个通道波长不一样，对不同的气象条件具有不同的敏感程度。根据科学验证，3～5μm光谱对燃烧的火焰特别敏感，所以能够通过AVHRR探测器及时地监测到森林火灾情况，各光谱通道的波长范围及地面分辨率见表2：

根据上表可得知，通道3能够有效地感应到地表的火灾情况，因此也是当前使用的主要气象监测手段，但是AVHRR监测存在的问题也很明显，尽管它的三通道能够对火焰做出敏感的反应，但卫星监测的范围过大，而且扫描的频率很快，所以在精确度较差，相比起AVHRR，日本的“葵花八號”卫星所采用的“先进葵花成像技术（AHI）”则在精确度上更胜一筹，它能够精确地根据地表情况，绘制出立体的森林气象蓝图，并且采用不同的颜色标注出辐射情况。另一方面，相比起AHI，AVHRR技术在图像成像方面也还存在不足。

日本的“葵花八号”卫星属于静止气象卫星，其搭载的“先进葵花成像仪”无论是在时间还是空间上都具有较高的分辨率，“葵花八号”气象卫星具有10 min的时间分辨率和500 m的空间分辨率。“葵花八号”卫星能够识别红蓝绿光，能够显示彩色图像，因此以茶色来表示沙尘以便与云区别开来，对于观测和预报都有利。

“葵花八号”在森林防火方面的应用主要依赖于它极强的时间和空间分辨率，通过卫星的AHI探测器，能够快速清晰地展示出森林中的烟尘和起火情况，尤其是对于火焰的观察记录能够以不同的颜色显示出来，并且快速更新火灾信息及火灾面积，通告相关林业人员进行处理。

在森林防火的过程中运用气象监测卫星进行监测和预警是森林防火工作较常应用的一种方法，效果明显，成功地阻止了许多萌芽期森林火灾，避免了可能演变为大型火灾的情况，但是由于气象卫星在全球按照轨道运行，运行和扫描的速度较快，且扫描范围过大，所以对于许多具体细致的情况就无法达到较好的监测。

4气象卫星监测技术在森林防火中的未来发展趋势

鉴于目前的气象卫星存在的问题，由于气象卫星在大范围监测上存在着精细度较差的问题，所以将气象卫星的尺度集中到中小尺度，就具有更强的发展潜力，随着全球航空航天技术的发展，气象监测卫星数量也在逐渐增加。所以，在森林防火工作中，可将气象遥感监测卫星同全球定位系统GPS及地理信息系统GIS结合起来，形成一套完整的森林防火预警监测系统，通过卫星遥感技术确定出疑似森林火灾的位置，然后利用全球定位系统迅速锁定位置，接着使用地理信息系统检查疑似起火点的地理信息情况，在最快的时间内明确火灾情况，并且采取相应的处理措施，建立形成完整的森林火险预测预报体系及森林火灾监测与指挥系统。

卫星在森林防火灭火工作中的应用主要体现在4个方面：第一，应用于森林火险预警阶段。通过卫星遥感数据监测林区可燃物载量及可燃物含水率动态信息；第二，应用于发现森林火灾阶段。充分利用极轨、静止等多源卫星监测森林火灾的发生，增加卫星监测林火的密度和精度，尽可能最大限度实现森林火灾早发现、早出动、早扑灭；第三，应用于森林火灾扑救过程中。利用高分辨率静止卫星遥感数据宏观实时监控整个森林火场的发展态势，科学实施抢救措施；第四，应用于森林火灾灾后评估。利用卫星遥感技术对森林火灾的燃烧状况、火灾损失及灾后森林植被恢复等进行长期连续跟踪监测，并且卫星影像能够获取同一地区不同时间的卫星影像，可进行叠加对比，从而统计过火面积及测算森林燃烧受害程度。

森林火灾是危害森林自然环境、森林资源及周边地区物种的主要因素，尤其是大规模不可控的森林火灾所带来的经济、生态、环境破坏都是不可估量的，因此，需要气象卫星技术措施对森林火灾进行监测，在最短的时间内扑灭火灾幼苗，有效监控森林火灾隐患。通过气象卫星的遥感监测，能够及时发现某地区的森林火灾情况，尤其是日本的“葵花八号”卫星，能够在较高的精度下发现森林火灾的情况，并且形成清晰易识别的图像。但是同样存在精确度较差的情况，未来会将气象监测卫星、全球定位系统和地理信息系统等技术有机整合，形成完整的森林火灾预测与预报系统及森林火灾监测和指挥系统，利用气象卫星全面监测森林火灾，服务于森林防灭火工作全流程。

基金项目：广东省林业科技创新项目、广东省林业厅课题（2016KJCX039）

【广东省航空护林站（广东省林火卫星监测中心）廖俊炜，曾庆峰】