基于葵花-8卫星的福建林火识别方法及特征*

李恺霖 张春桂 郭 伟 陈笑晨

(1福建省灾害天气重点实验室，福建 福州 35001；2.福建省气象科学研究所，福建 福州 350001；3.福建省气象服务中心，福建 福州 350001；4.福建省气候中心，福建 福州 350001)

森林火灾不仅烧毁森林资源、伤害域内动植物资源、也会严重影响生态环境和人身安全，给经济社会活动和安全生产带来危害[1]。林火是一种自然现象，是森林生态系统中最活跃的因素之一，每年全球约有1%的森林经历火的干扰，林火直接影响和改变区域森林生态系统的过程[2]。林火具有突发性强、破坏性大、处置困难等特点[3]。林火监测作为发现火点的重要手段，是控制和扑灭火灾基础。通过精准定位火点，从而做到早发现早扑灭是减少林火损失的有效手段[4]。

在林火监测中用到的人工巡视和航空巡视等传统方法，存在着空间范围小，经济效益低等特点[5]。卫星遥感技术有探测周期短，覆盖范围广，资料时间长等优势，Dozier[6]在1981年根据普朗克定律，最先提出了利用普朗克方程的组合来探测亚像元的火点，为以后利用遥感技术探测火点指明了方向。随着技术的发展，新的探测仪器MODIS出现，1998年Kaufman[7]利用MODIS仪器在先前的算法上首先提出了MODIS火点算法，成为了火点算法的基础。基于前人的探索和不断地发展，卫星在火点监测中得到广泛的应用[8,9]。

福建是我国四大林区之一，森林覆盖率连续40年居全国首位，同时福建也是我国林火的高发区，年均林火发生次数较多[10]。福建林火多具有强度弱、过火面积小、林火频率高、持续时间短等特点[11]。

福建在利用卫星监测林火方面的研究也取得了很多成果。郑海青等[12]利用NOAA卫星遥感资料，研究森林防火期内森林植被的干燥指数的变化，并结合相应的森林火灾的资料，发展出福建省森林火险等级空间分布风险图，用于预警可能发生的森林火灾。张春桂[13]基于RS和GIS技术，针对南方丘陵山区森林火灾发生的特点，利用极轨气象卫星遥感资料实时监测福建省林火，使得林火地理定位精确到乡镇级。在2003年夏季福建异常林火高发期的监测应用中，林火灾情监测准确率达80%。张春桂等人的研究为福建省建立极轨卫星探测林火的业务运行体系奠定了基础。极轨卫星虽然空间分辨率高，但是一天只有一个时次的资料可供利用，并且资料的使用还受制于过境时刻的天气状况，如果云层较厚则无法使用。这给利用遥感技术监测林火带来了不便。

新一代静止气象卫星葵花-8(Himawari-8,H8)于2014年10月7日发射，自2015年开始向全球提供遥感观测资料。葵花-8搭载的可见光红外光谱传感器(Advanced Himawari Image,AHI)提供三个可见光(Visible,VIS)波段、三个近红外(Near Infrared,NIR)波段和十个热红外(Thermal Infrared,TIR)波段空间分辨率方面，三个近红外波段中红光为0.5 km、其他为1 km，三个近红外波段中0.86μm为1 km、其他为2 km，10个热红外波段皆为2 km。时间分辨率方面，葵花-8提供10min一次的高频次对地观测[14]。

与极轨卫星相比，葵花-8静止卫星在火点监测中有很大的优势，近年来有大量关于葵花-8卫星监测火点的研究。Xu等[15]最先发现葵花-8卫星不受传感器饱和的影响，能探测更大的火灾，这对于亚洲和澳大利亚的火点探测有重要意义，并期待其成为全球主动火灾探测的重要组成部分。Xie等[16]基于葵花-8卫星的高时空分辨率的特点，提出一种多时相的上下文法的概念以提高探测效率。Wickramasinghe等[17]通过对比葵花-8卫星与MODIS和VIIRS火点产品改进了葵花-8卫星火点算法，第一次发现在西澳大利亚葵花-8卫星监测火点能达到极轨卫星的空间分辨率。Jang等[18]在葵花-8卫星上首次利用机器学习的方法，发展出韩国森林火灾三步火点监测法。陈洁等[19]引入自适应阈值的火点监测方法，并成功对呼伦贝尔的草原火灾进行了动态监测。武晋雯等[20]利用葵花-8卫星和高分-1卫星提出利用高斯函数拟合模型的想法对辽宁丹东的森林火灾进行了研究与灾害评估。赵文化等[21]基于葵花-8卫星，通过分析火点像元辐射特性和中红外反射特征引入了动态阈值模型，对大兴安岭的火灾进行了监测。周游等[22]引入了葵花-8卫星的自适应动态阈值法的思想，实现了卫星在输电线山火监测中的应用。

福建作为我国重要林区和林火多发地，卫星遥感监测火点的研究大多基于十多年前，近些年的研究很少。而随着遥感技术的发展，特别是以葵花-8为代表的静止气象卫星在观测频次、空间分辨率、通道设计上都有较大的改进，在林火监测中有着很大优势。福建地区下垫面复杂，干季雨季差别明显、不同地区之间地形气候条件也不尽相同，这造成了福建地区林火性质在不同区域、不同季节都有着显著不同。如果对整个区域或是所有季节采用同一阈值将有很大可能造成漏判误判，因此很有必要找到符合当地标准的阈值，这对于利用葵花-8卫星监测福建林火有着很大帮助。

1 林火识别的原理和方法

1.1 福建地区概况

福建省位于23°33′N～28°20′N、115°50′E～120°40′E，全省土地总面积124000 km2，约占全国总面积的1.3%。受季风环流和地形的影响，形成暖热湿润的亚热带海洋性季风气候。福建素有“八山一水一分田”之称，森林面积80127 km2，森林覆盖率达65%以上，森林蓄积量6.080 × 108m3，林业用地面积92682km2，占土地总面积75.3%[31]。福建的雨季和干季比较显著，3—6月为前汛期，7—9月为后汛期，10月至次年2月为非汛期。

1.2 林火识别的基本原理与传统方法

利用维恩位移定律，当黑体的温度升高时，辐射的能量也相应增加，最大辐射值向短波方向移动[24]。基于火点探测算法，代表性的有阈值法、上下文法等[25]。

阈值法就是利用火点与非火点的差异，采用阈值区分火点与非火点[26]。利用阈值法对福建省林火进行探测的缺陷在于，福建省自然条件复杂，以丘陵地带为主，下垫面差异很大，各地区的火点温度差异很大，如果阈值采用过大，将造成大量漏判。如果将阈值设置过小，将产生过多的虚假火点。

上下文法是通过计算火焰像元与其邻近像元进行比较从而进行火点识别，该算法是自适应的，不需要设立阈值[27]。上下文法假定了火点像元所处的下垫面与背景像元具有相似的性质，但在火点探测实践中，这种假设不适用于下垫面复杂的福建区域，简单利用会导致出现大量虚假火点。另外上下文法为了降低某些下垫面造成的虚假告警，提高了阈值牺牲了对于小火点探测的敏感度[28]，这对于以小火点为主的福建省来说并不适用。

因此对于福建地区的林火监测需要采用综合方法以提高监测效率。周恩泽等[29]提出广东地区山火识别方法，这种方法采用了Kaufman等[7]提出的背景标准差法，该方法较好解决了对不同植被覆盖度的背景温度的估计。针对福建林火小火点的特点，采用了Dozier等[6]提出的亚像元双通道估计法。当观测像元内出现火点时，4μm波长处混合像元的亮温迅速增加，当火点面积仅为混合像元面积1%时候混合像元已经增加达到40K，而在11μm处增加程度远不如4μm处明显[30]。周恩泽等[29]进一步指出，即便假设火点的面积仅占像元面积的0.5%，4μm处增大程度也比11μm处更为显著，远大于非火点区域。

卫星遥感对火点的监测基于高温辐射的波长主要集中在3.7μm处，火点与非火点具有明显的差异。其次利用不同红外波段对火点增温幅度的差异这两个原理来进行火点判识。基于上述两个物理原理和在火点业务中流程的一般步骤，火点自动判识需要考虑的因素包括：云对判识的影响、4μm处通道亮温及其与背景亮温的差值、4μm和11μm处通道的亮温差、水面与高反射下垫面的影响、耀斑区的影响[19，22，29，31]。

那么，由此建立火点自动判识的条件如下：

B4-B4BG>D4

(1)

B4-B11-B4-11BG>D4-11

(2)

B1<0.3

(3)

B4、B11分别表示被判识像元在4μm、11μm处的亮温，B4BG、B11BG表示周围背景像元亮温的平均值。B4-11BG=B4BG-B11BG，表示周围背景像元4μm、11μm亮温的差异，D4和D4-11的亮温差，这里取值4K。火点判识的关键在于被判识的像元与所在的背景窗的背景亮温的差值。B1为在0.46μm(通道1)处可见光波段的反射率，在本文中利用张春桂[13]中亚像元林火识别条件CH1反射率<30%，对应葵花-8卫星3通道作为云判识条件。由于福建省气象系统接收的葵花-8卫星数据没有11μm(即通道14)，那么根据张春桂[3]等多年的研究，可利用12μm(即15通道)的数据代替，在本文中作者将同时对这两个波段进行讨论。式中(1)，(2)为火点判识条件，(3)为排除云影响条件。在火点判识中最重要的为公式(1)，公式(2)帮助我们减少误判。

1.3 基于葵花-8的福建林火监测方法

在统计福建省火点各通道亮温后得到了“福建地区火点统计表”，从这张表中可以得到用于判断福建省境内火点的“福建地区绝对火点统计表”。“福建地区绝对火点统计表”的阈值被用来直接判断火点，一般用于在夜间或者无法进行云检测，下垫面识别、耀斑识别都不可用的情况下，利用统计学规律，直接判定火点的一种方法。

同时，在统计福建省内火点亮温与省内区划的关系后，进一步得出了福建不同地区的火点“亮温差阈值表”，用以对候选火点的像元进行进一步分析判断以确认火点消除误判。

综上所述，判断一个像元是否为候选火点需要经过以下几个步骤：

①云检测：根据云识别的条件判断，排除云干扰像元。

②背景亮温计算：初始背景窗区大小是以被判识像元点为中心，周围3 × 3范围内的像元为窗区进行计算，背景亮温即窗区内所有像元的平均亮温。但是如果3 × 3 的窗口中非云的像元数目不足窗口像元总数的20%，那么将窗区扩大到5 × 5，7 × 7，9 × 9，...，一直到 15 × 15，若仍达不到要求，则标示为非火点像元。

③候选火点的识别：如果判识的条件满足上述公式(1)、(2)、(3)，那么该像元为候选火点。

④水体或高反射物体识别：根据福建省下垫面的类型进行判断，若像元为水体或者诸如金属屋顶或太阳能电池板等高反射率下垫面，则将该像元从候选火点像元划为一般像元。

⑤耀斑识别：判断该像元太阳相对卫星的方位角是否在165°～200°之间，若满足条件则为耀斑区[29]，则将该像元从候选火点像元划为一般像元。

⑥火点像元确认：通过③、④、⑤步骤识别后，一般可以确认为火点像元。但如果4μm通道处的亮温值大于其统计的火点亮温的最大阈值，那么即使不满足上述条件，也直接判为火点像元。

⑦夜间火点像元判识：根据夜间福建火点地区统计表，采用绝对阈值法直接判识火点像元。

1.4 福建地区林火识别参数分析

1.4.1 福建地区典型火点特征

为了提高福建地区林火判识的精度，针对不同时间，不同区域做了分型分类。基于福建省森林防火办公室收集到的从2018全年的火点数据，同时匹配葵花-8卫星4μm(通道07)和11μm(通道14)两个通道对应火点的亮温(T07,T14)和背景亮温(T07BG和T11BG)，但是由于福建省气象系统仅提供12μm(通道15,T15)的亮温，那么在文中将同时给出12μm处对应的火点亮温(T15)，以及两个通道所对应的阈值。另外考虑到福建省冬季不明显，且冬季火点很少，因此在时间上主要分为三个时段，春季3—6月，夏季7—9月，秋冬季10月至次年2月[33]。如果以简单的防火季非防火季区分，那么森林防火季在(10月至次年4月)，其余时间为非防火季。表1给出了典型火点的特征。

表1 福建地区2018年典型火点数据集信息

1.4.2 福建地区火点阈值的定量分析

基于表1的火点数据样本，针对不同季节、不同区域和昼夜情况进行亮温和与背景亮温差值的统计，并在得出统计结果的最高值和最低值范围内进行测试，得出适合福建地区的火点判识阈值。由于夏季火点样本过少，因此并入春季进行讨论。

(1)季节变化对火点的影响。基于表1，通过分类整理，统计火点在T07通道亮温及其与背景亮温的差值，统计结果如下。

基于图1，通道T07所处的亮温区间为272K～362K之间，其与背景亮温的差值在4K～55K之间，T14通道的亮温数值在253K～297K之间，其与背景亮温的差值在0K～6K之间，通道T15亮温数值在252K～293K之间，与通道T14相比低了1K～4K，其与背景亮温的差值在0K～5.5K之间，与通道T14差异不大。另外，不同季节像元与背景亮温差也相差很大，在秋冬季不到40K，而在春季能达到55K以上。

(c)通道T15

在火点判识中，通道T07亮温数值与火点判识的难易和火势的大小直接相关，是最重要的火点判识参数。通道T14与通道T15亮温作为辅助判识参数，主要用于排除火点误判。文献中一般采用通道T14，但是根据福建省气象局数据接收的实际情况，采用通道T15代替。根据上述分析，T15的取值可在T14的基础上进行修正，降低1K～4K，取平均值2.5K。

(a)通道T07

(b)通道T14

(2)不同地域对火点的影响。福建下辖九个行政区和平潭综合实验区2018年火点数据集除了厦门市和平潭综合实验区以外均有火点报告。那么把福建划分成闽中(福州市、莆田市、平潭综合实验区)、闽东(宁德市)、闽西(龙岩市和三明市)、闽南(厦门市、泉州市、漳州市)、闽北(南平市)这五个区域[34]。

通道T07在着火过程中的最大值最小值直接反映了火势大小和火点判识的难易程度，火点的最低温越高，与环境温度的差异越大，则火点较易判识，准确率高，而最低温越低则相反。图2可得闽中区域的火点最大值和最小值的亮温均大于其他地区。且最大值和最小值之差也大于其他地区，这说明闽中地区火点温度较高，相对于其他地区更易于辨识。闽西地区火点最小值数值在各地区中最小，造成闽西地区火点难以与环境温度区分开，增加了火点判识的难度。闽北地区火点最高温度较低，且与火点最低温度的差值最小，说明该地区火点温度变化不大，火点特征不够明显，也给火点判识增加了难度。

图2 福建不同区域通道T07火点亮温最高、最低值

T07与T07BG的差值反映了算法对该地区火点的识别的灵敏程度。差值设置的太小，判识火点的灵敏度提高，但同时误判也增多。如果数值设置过高则易遗漏火点，因此差值的设置在火点判识中十分重要。图3可得闽西和闽北的差值最小，这也反映了闽西和闽北火点温度较低，难以从背景温度中加以区分。而闽中、闽东、闽南地区的最小差值均在5K以上说明该地区火点较易与背景温度进行区分。根据逐火点筛选的结果，闽中、闽南、闽东三地差值可向上取整，取6K，闽西闽北差值向下取整，取4K。

图3 福建不同区域通道T07与T07BG差值最高、最低值

(3)昼夜对火点的影响。夜间由于缺少可见光通道，不能进行云检测，故火点的判别仅依靠通道T07，除了公式(1)、(2)给出的方法进行一般性的火点判断外，表2给出了夜间火点探测的阈值。夜间如果亮温大于300K则直接判为火点。闽北地区直接判为火点的阈值设为285K。

表2 福建地区夜间通道T07亮温最大、最小值统计表

2 火点误判分析

葵花-8卫星的高时间分辨率为判识火点带来了诸多好处，但是由于其空间分辨率较低和过高的时间分辨率也带来了误判的问题。主要的误判原因有：云的影响；下垫面混合像元；晴空晨昏交界的影响。下面将对葵花-8卫星火点误判进行分析。

①云的影响。云的影响是卫星遥感中最常见，也是最活跃最不确定的下垫面要素之一，对于火点判识的有着很大的影响。当云较厚时候，遮挡住了来自于地面的辐射信号，造成电磁波无法穿透云层，而导致卫星无法接收到云下信号。在云边缘时候，由于云的存在会使得该像元成为混合像元，从而降低了该像元的亮温，而在进行背景计算的时候，这类混合像元往往被当作背景亮温参与计算，导致背景亮温的温度降低，从而使得云边缘往往出现火点误判。解决方法为在云边缘的像元点与背景亮温进行比较的时候，提高背景亮温的数值，即提高T07-T07BG的值，可将原有阈值提高1.2～1.8倍，利用这种更加严格的阈值条件来降低云边缘误判[29]。图4给出了未经云边缘判定造成误判和云边缘调整阈值后消除误判的情况。

(a)云边缘火点误判 (b)云边缘调整判别阈值后消除云边缘误判

②下垫面混合像元。福建省俗称“八山一水一分田”，下垫面情况复杂[34]。葵花-8卫星每个像元2km分辨率的情况下，常常一个像元包含了水体、城市、林地、耕地等下垫面(图5)，在特定的条件下会造成误判。应此需要准确的下垫面信息，并对水体，高反射物物体进行精准地剔除等。在实际业务中采用250M分辨率的MODIS下垫面信息综合判别。

图5 2018年3月11日混合像元造成的火点误判

③晴空晨昏交界的影响。Schroeder等[35]等指出NPP/VIIRS中红外波段(3.55μm ～3.93μm)受太阳反射能量影响，会导致亮温增大，这样就会降低晴空时火点像元和无火像元之间的辐射分离。因此，晴空时葵花-8的通道7亮温较大也可能受到反射的影响。由于晨昏交界时刻太阳辐射变化快，由于下垫面不同，对剧烈变化的太阳辐射葵花-8卫星通道7亮温变化程度不一样，造成了虚假火点。图6给出了在2018年10月31日晴空晨昏交界时候造成的火点误判情况。鄢俊洁等[36]提出了基于时相变化的晴空条件下葵花-8卫星火点检测的算法有助于晨昏交界火点检测的问题。但在实际业务中，根据对福建地区火点统计的实际情况，利用葵花-8卫星的高分辨率，当上一个时次出现的孤立火点数目占总格点数的1/1000时，下一个整点对上一个整点中所探测到的火点进行误判筛查。如果一个整点中，同一个格点被判定为火点的次数占到该整点监测次数的1/2，则判定该格点为火点，否则设为误判。

图6 2018年10月31日晴空晨昏交界造成的火点误判

通过上面三种误判解决方法，基本上解决了云边缘误判和晴空晨昏交界的火点误判。但是对于下垫面造成的误判而言，除了需要更加精确且不断更新的下垫面信息之外，还需要在日常总结中标注出因为下垫面原因而反复出现的误判火点，从而逐步提高准确率。

3 结果验证

通过与火点实测数据的对比，改进的算法探测准确率达到62.34%以上。但火点实地调查是一项繁琐系统的工作，实地收集的火点数据集与实际发生的火点数量之间存在着巨大的差异。故进行算法验证时不仅需要与实际火点数据集对比验证，也需要与高可靠的火点数据产品对比验证。本文的验证火点数据集采用MODIS逐日火点产品，分辨率为1km。采用置信度超过80%的高可靠产品进行验证，为与MODIS产品数据进行时间匹配，葵花-8探测时间范围为MODIS过境前后半小时。图7给出了某两次火点过程。图7中a)报告两处火点，如圈1 MODIS可信度达到92%，葵花-8卫星也多次探测到，但防火办未有记录。圈2为实际火点，MODIS与本文葵花-8火点算法均准确探测。但a)中葵花-8出现了较多虚假火点。b)中MODIS和葵花-8均探测到两处火点，但都只有一处为确定火点，均出现误判。

图7 2018年两次火点监测对比图

4 结论

本文利用2018年福建地区火点数据集，结合葵花-8卫星数据，建立火点自动判识算法，从阈值、时空变化和误判分析三个方面分析了福建省的火点特点和变化情况，得出以下结论。

①通道T07所处的亮温区间为272K～362K之间，与背景亮温的差值在4K～55K之间，通道T14的亮温数值在253K～297K之间，与背景亮温的差值在0K～6K之间，通道T15亮温数值在252K～293K之间，与通道T14相比低了1K～4K，与通道T14差异不大。不同季节像元与背景亮温差也相差很大，在秋冬季的只有不到40K，而在春季能达到55K以上。D4和D4-11的取值范围在4K～6K。若采用通道T15代替，则D4-11取值范围在6.5K～8.5K。

②闽中区域的火点最大值和最小值的亮温均大于其他地区。且最大值和最小值之差也大于其他地区，相对于其他地区更易于辨识。闽西地区火点最小值数值最小，造成闽西地区火点难以与环境温度区分开，增加了火点判识的难度。闽北地区火点最高温度较低，且与火点最低温度的差值最小，火点特征不够明显，也给火点判识增加了难度。在夜晚判别火点依然采用自动判识算法，当亮温大于300K则直接判为火点。

③云的影响、下垫面混合像元、晴空晨昏交界为火点误判的三个主要原因，其中云边缘和晴空晨昏交界产生的火点误判通过改进算法得到基本解决。下垫面混合像元所造成的火点误判除了采用更高分辨率、更详细的下垫面信息外，在日常工作中对经常发生火点误判的区域进行标记，逐步降低误判率。由于云是火点判识中最重要也最不稳定的因素，因此有必要采用更加精确的云检测降低云所产生的火点误判。

本文使用葵花-8卫星火点自动判识算法中云检测较为简单，没有仔细考虑薄云和低云对于火点判识的影响。另外福建地区，特别是闽北火点温度低、面积小、时间短，葵花-8卫星空间分辨率不足的缺点体现明显。为了提高火点判识的准确度，下一步将更加深入研究多源卫星组网，特别是中高分辨率卫星和静止卫星组网对火点的判识。