中国林火卫星遥感监测的应用及评价

2021-07-29贾斌英

绿色科技 2021年13期

贾斌英

(辽宁省林业发展服务中心，辽宁沈阳 110031)

1 引言

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。一旦发生森林火灾，将对森林资源、陆地生态系统、社会和经济发展甚至人民生命财产安全造成极大威胁。因此，加强对森林火灾的监测和预警，尽早发现和掌握火情信息，将森林火灾消灭在萌芽状态，提高灾情处置的时效性，实现“打早、打小、打了”，减少火灾损失，是现阶段森林防火工作的重点。卫星遥感监测作为现代化监测手段，具有覆盖面积大、时效性高、连续性强等优点[1]，可以实现大范围监测、快速发现并定位火场位置、及时预警、跟踪火场情况和估算火灾面积等功能[2～4]，弥补了地面监测和航空监测等常规监测易受地面及近地环境影响，时间、人力、物力消耗大和效率低等问题[5]，为实现森林火灾早期防控争取了更多机会，在森林防火工作中已得到了广泛应用。本文将梳理卫星遥感监测森林火灾的原理和发展进程，对目前行业应用情况进行介绍，并评价现有卫星系统监测效率，分析存在的问题，提出进一步提高卫星监测能力的建议。

2 基本情况

2.1 卫星遥感监测的原理

卫星遥感主要是通过探测热红外电磁波辐射强度的方式监控地面火情。自然界的物体在常温(300 K)地表辐射峰值波长在10 μm左右，当燃烧时，温度升高，达500～700 K以上，对应辐射峰值波长位于3.86～5.8 μm，辐射增强[6]。卫星遥感正是通过传感器接收地表辐射信息，利用物体未发生燃烧时的辐射与燃烧辐射间不同波长热辐射的差异性判定火点，监控火灾。并结合地理信息系统和全球定位系统技术，采用目视判读法、自动检测法或像元分析法[2～5]，实现低成本、全覆盖、高时效的林火监测。应用于林火监测的卫星主要包括极轨卫星和静止卫星两大类。

2.2 我国林火卫星遥感监测发展进程

我国自20世纪80年代开始利用NOAA系列卫星和风云系列卫星开展林火监测，1987年实现了对大兴安岭5.6特大森林大火的监测。1999年和2002年美国EOS系列TERRA卫星和AQUA卫星投入使用，搭载MODIS传感器，支持林火探测。2013年后我国发射的高分系列一号、二号、六号等极轨卫星数据也提高了森林火灾监测的识别精度。2014年日本向日葵八号卫星入轨，对高温辐射热源探测性强。2015年后，我国相继发射了高分四号卫星和风云四号卫星，提升了林火监测的水平，尤其是高分四号搭载了具有分钟级对地观测能力的传感器，可实现对森林火灾发生区域的实施快速成像[7～9]。随着遥感技术的发展，我国在北京、昆明、乌鲁木齐和哈尔滨建立了卫星林火监测站，目前，主要利用AQUA卫星、FY-3、NOAA-18、NOAA-19、TERRA卫星数据，实现对全国林火的发现与跟踪监测。

同时，中国科学院、中国林业科学研究院、气象中心、各相关高校等单位，在卫星遥感监测研究上，开展了森林火险预测、监测算法、林火蔓延模型构建、受害程度监测、过火面积评估、火烧迹地制图和灾后恢复评估等相关研究，并探索高分卫星及向日葵八号卫星在林火监测上的应用[1～9]。

3 效果评价

结合2010～2019年林火卫星热点数据与同期全国森林火灾数据，评价目前应用的卫星遥感监测预报森林火灾的准确性(表1)。

表1 2010～2019年林火卫星遥感监测分卫星情况

2010～2019年全国共发生森林火灾37887次，卫星监测热点72497个，是森林火灾次数的1.9倍。这其中主要包括林火(含灌木火)、草原火、计划烧除、农用火、炼山、工矿用火、境外火、未找到及其他热点。其中反馈为农用火的最多，占热点总数的29%。其次为炼山，占22%，未找到占13%。反馈为林火的热点数占热点总数的10%，预报森林火灾的准确率(反馈为林火的热点数占同期森林火灾总数的比)为19%。

目前，监测数量排在前三位的卫星分别是：FY-3、NOAA-18和NOAA-19，占总监测数的74%。其中NOAA系列卫星监测热点多，占66%，FY系列卫星监测热点少，占8%。三颗卫星监测热点均呈现出农用火最多、炼山其次的特征。其中FY-3监测到的林火占其监测热点总数的12%，占监测到的林火总数的10%；NOAA-18和NOAA-19监测到的林火占其监测热点总数的9%，占监测到的林火总数的6%。

从表2可见，监测热点数在2015年后明显减少，其中反馈为林火的热点数占热点总数的比在2010～2012年和2017～2019年，均超过或接近均值10%，在2013～2016年处于较低水平，尤其是2015～2016年，仅占4%。占各年份森林火灾总数的比在2014年前，均超过均值19%，在2015年后，均未超过15%，尤其是2015～2016年，仅达到9%和7%。

表2 2010～2019年林火卫星遥感监测分年度情况

可见，林火卫星遥感监测在火点识别上具有明显优势，但林火初判的准确性较低，虚警率较高。NOAA卫星监测的热点数量大，但准确率较低，FY-3卫星监测的热点数少，但准确率较好。这可能与NOAA卫星采取双星运行模式，卫星图像覆盖宽，识别火点范围广，接收火点多有关。从不同时期来看，监测的热点数量和准确率在2015年后明显降低，这可能与卫星运行时间长，探测器衰减严重，监测效率降低有关[7]。

4 工作展望

国内外学者在卫星遥感技术上做了大量的研究，但在林火监测方面，从有效性分析可见，卫星遥感监测到的林火仅占森林火灾总数的一小部分，监测准确性还需要进一步提高。为此，建议未来可从以下几方面开展工作。

4.1 完善“天—空—地”一体化监测体系

卫星遥感监测受天气影响大，遇云层遮挡时，难以获得有效数据。同时，受重复周期及探测分辨率限制，在高精度监测及灵活性上表现较差。因此，应构建地面巡护、瞭望塔监测、航空巡护和卫星遥感监测行结合的一体化、全方位、立体式、连续性监测体系，综合多源监测数据，形成监测规模化运行，提升林火监测准确率。

4.2 建立卫星监测子系统，提升监测分辨率

日常卫星数据处理多依赖人工目视判识，随着卫星的增多，数据量的加大，面向全国范围的林火监测业务难于保证需求。因此，应通过省级网络传输或采取建站等方式，增加区域卫星遥感数据接收处理站，在微观尺度上实现重点区域的高频次、分时段、全覆盖监测。

4.3 提升着火点识别技术，完善监测业务系统

卫星遥感监测在判识林火时，容易受到噪声点、水面耀斑、云顶耀斑等因素的干扰[10]。存在火场面积小难于探测、卫星定位火点与实际火点偏差较大等问题。因此，应进一步加强先进的研究成果转化率，完善数据接收、处理平台，完善“林地一张图”，优化地图配置，减少其他热点误差。同时，建立核查反馈机制，做好系统校准修正。