环境减灾二号卫星林草火灾信息监测应用

文|覃先林 胡心雨 杨馨媛 刘倩

中国林业科学研究院资源信息研究所/国家林业和草原局林业遥感与信息技术重点实验室

一、前言

森林草原火灾具有突发性强、破坏性大、处置和扑救较为困难等特点，各国纷纷投入大量人力、物力以加强森林草原防火管理和预防扑救技术研究，并已取得了较多成果。随着全球气候变暖和极端天气事件增加，近年来，国内外森林草原大火频发，造成大量的森林草原资源和财产损失，有时还酿成惨重的人身伤亡事件，如我国四川省凉山州2019年和2020年发生的森林火灾均造成了多人遇难。减少森林草原火灾发生次数、降低火灾造成的损失，是我国森林草原防火业务面临的一项十分重要的工作任务。我国从“十一五”末期开始实施“高分辨率对地观测系统重大专项”（简称高分专项），以满足国民经济建设、社会发展和国家安全的需要。在2013年到2019年期间，成功发射了7颗民用高分卫星，并应用于全国及周边区域的森林草原火情监测、损失评估中，已成为我国森林草原防火管理的一种重要监测技术手段。

2020年9月27日，环境减灾二号A、B（HJ-2A/B）卫星成功发射，卫星均配置了16m相机、高光谱成像仪、红外相机和大气校正仪等4种载荷，可提供16m多光谱（CCD）、48m高光谱（HSI）和48/96m红外图像（IRS）数据。HJ-2A/B卫星用于接替在轨超期运行的环境减灾一号A、B（HJ-1A/B）卫星，以防灾减灾、环境保护为主要业务，可为自然灾害要素监测、土地利用宏观监测、水资源监管与保护、农作物面积动态监测与产量评估、地震应急救援等提供支撑。为探究该卫星数据在林业和草原行业的应用潜力，中国林业科学研究院资源信息研究所参与了该卫星的在轨测试工作，结合我国林业和草原行业卫星遥感监测业务需求，分别从森林资源、湿地、荒漠化和森林草原火灾等监测应用领域开展了测试。本文介绍了利用HJ-2A/B卫星在轨测试阶段获取到的16m CCD 数据和48/96m的IRS数据，对其在森林草原火灾监测中的应用能力进行测试评价。

二、测试数据与方法

1.测试数据

为降低森林草原火灾发生，四川省凉山彝族自治州于2020年12月在所辖林区内实施了计划烧除活动，林内可燃物燃烧释放出大量的烟，并形成了火烧迹地。本文选取了2020年12月覆盖该区域的HJ-2A/B卫星16m CCD数据，通过CCD影像中的烟区分布特征和植被燃烧后特征，对该影像中的燃烧点和火烧迹地进行判识；利用覆盖云南省华坪县2021年2月2日发生森林火灾的HJ-2A/B卫星的48/96m IRS数据获取影像中的燃烧点，从而对HJ-2A/B卫星这两种传感器在森林草原火灾监测中的应用能力进行测试评价。所选取的HJ-2A/B卫星数据见表1。

表1 测试评价所选用的HJ-2A/B卫星数据

在分析中，为对比HJ-2A/B卫星数据林火灾情信息提取的能力，还选取了2020年4月16日的高分六号（GF-6）卫星2/8m多光谱高分辨率相机（PMS）影像，及其获取的火烧迹地边界数据作为参考数据，因该数据可清晰显示出2020年3月30日发生在四川省凉山彝族自治州西昌市内森林火灾形成的火烧迹地。

2.测评方法

在对选取的HJ-2A/B卫星16m CCD数据进行辐射定标、几何校正、计算大气上界反射率等处理后，通过多通道合成增强处理，并根据多光谱影像中烟区的分布和植被燃烧后形成的影像特征，采用目视解译方法，判断解译得出CCD影像中正在燃烧的区域和火烧迹地；并根据收集的森林草原火灾信息，以及与GF-6 卫星PMS的2/8m数据解译得到的火烧迹地结果进行对比，评价利用HJ-2A/B卫星多光谱数据进行林草火情信息提取的应用能力。

在对选取的HJ-2A/B卫星IRS影像进行辐射定标、几何校正、计算大气上界反射率和亮温值等处理后，采用阈值方法自动判识出影像中的燃烧点，并与其影像叠合来评价该数据识别森林草原火灾监测应用能力。

三、结果与分析

1.HJ-2A/B卫星CCD数据林草火情信息监测

利用经预处理后的2020年12月25日的HJ-2B卫星多光谱影像数据和2020年12月27日的HJ-2A卫星多光谱影像数据，通过利用其不同波段组合并增强处理后，采用目视解译方法，结合影像中烟区分布和植被燃烧后形成的特征，判读解译出火烧迹地的边界范围及林内可燃物的燃烧点位置，所得结果如图1和图2所示。

图1 HJ-2B CCD数据燃烧点和火烧迹地解译结果

图2 HJ-2A CCD数据燃烧点解译结果

从图1中可以看出：利用HJ-2B卫星多光谱影像的波段5、4、1进行R、G、B组合，并采用线性增强处理后，不仅可以较好地显示出林内植被的分布，还能够根据组合后的影像，判读解译出影像中的燃烧点和火烧迹地。

从图2中可以看出：利用HJ-2A卫星多光谱影像的波段3、2、1进行R、G、B组合，并采用线性增强处理后，影像中的烟区分布非常明显，通过烟区的空间分布，不仅可以目视判读出正在燃烧的区域，而且还可以结合周围植被分布状况，判断出火势将会蔓延的方向，这样有利于对火场的防控部署；并且还可以根据解译判读燃烧点结果，得出该区域燃烧点的位置和数量。

2.HJ-2A卫星IRS燃烧点识别应用

利用2021年2月2日的HJ-2A卫星IRS数据，采用2021年4月1日中国资源卫星应用中心提供的定标参数，进行辐射定标、几何校正、计算大气上界反射率和亮温等处理后，通过目视选取HJ-2A卫星IRS影像中的着火点和非着火点样本，并对选取的样本进行统计分析，发现着火点位置在中心波长约4.0μm波段的亮温值比中心波长11.0μm波段的亮温均值超过20K，表明HJ-2A卫星IRS影像可较好地反映异常高温信息，有利于进行林内可燃物燃烧形成的燃烧点识别和火情监测。

采用阈值方法，对IRS影像中的高温目标进行识别，并将其与IRS合成影像叠加制图，结果如图3（a）所示。

图3 HJ-2A卫星IRS影像火情检测结果

从图3（a）可以看出，利用IRS的热红外数据判识出的燃烧点与影像中的位置和数量均较一致，表明该卫星数据可有效识别出森林火灾发生中的燃烧点信息；同时，利用该卫星的1.64μm、0.82μm和0.67μm波段进行假彩色增强处理后，如图3（b）所示，可以看出刚被火烧的区域呈现出褐色影像色调，与周围的裸土区别比较明显，从而有利于对森林火灾形成的火烧迹地区域的提取与灾后损失的评估应用。

3.火灾后植被恢复状况监测应用

利用2020年4月16日的GF-6卫星PMS影像，获取四川凉山州西昌市“3.30”森林火灾形成的火烧迹地边界，与用2020年12月25日的HJ-2A卫星CCD多光谱影像数据对该森林火灾发生后的植被恢复监测状况进行比对，结果如图4所示。

图4 HJ-2A卫星CCD多光谱数据西昌市森林火灾后植被恢复状况监测结果

从图4（a）中可以发现，在HJ-2A卫星多光谱合成影像上，已基本看不到该区域在2020年3月30日发生森林火灾后形成的火烧迹地，该区域裸露地表极少；但从图4（b）中的归一化植被指数（NDVI）分级来看，该区域中大部分区域的NDVI值都在0.4以下，说明该区域虽然被植被覆盖，但其长势并不太好。当地政府为防止水土流失等次生灾害发生，在火灾发生后便开展了对该火烧迹地灾后恢复治理工作，包括撒播了大量的草籽，表现在影像上，该区域基本已被绿色的植被覆盖。

四、结论

测试工作表明，HJ-2A/B卫星CCD数据和IRS数据在林内可燃物燃烧形成的烟、燃烧点和火烧迹地的识别能力上均表现较好，尤其是16m的CCD影像，可较好地反映林内可燃物燃烧形成的烟区和火烧迹地等信息，利用烟区信息可判识出正在着火的区域，从而用于森林草原火灾的早期发现和预警；同时，其空间分辨率和辐射分辨率可满足森林火灾灾情信息评价中对HJ-2A/B卫星CCD和IRS数据质量的需求，且有利于为森林火灾灾后恢复评价等工作提供更精细的数据资料。

由于获取到的可用HJ-2A/B卫星CCD和IRS数据的限制（尤其是仅有1景红外数据上有燃烧信息），本次仅对四川省凉山彝族自治州和云南省华坪县的烟、燃烧点和火烧迹地进行了测试。对于HJ-2A/B卫星数据是否能完全满足森林火灾灾后定量评价业务的需求，还有待进一步验证。随着HJ-2A/B卫星投入业务运行，将为我国及周边区域的森林草原火灾预警监测工作提供大量的观测数据，并发挥重要支撑作用。

致谢：感谢中国资源卫星应用中心为本研究提供了环境减灾二号卫星数据。