高分六号宽幅数据在森林火烧迹地识别中的应用——以内蒙古大兴安岭汗马自然保护区为例

文|李晓彤 覃先林 刘倩 刘树超

中国林业科学研究院资源信息研究所

一、高分六号卫星

高分六号卫星是国家高分辨率重大专项卫星，又称“高分陆地应急监测卫星”，于2018年6月2日在酒泉卫星发射中心由长征二号丁运载火箭成功发射升空[1]。高分六号卫星是一颗低轨光学遥感卫星，具有高分辨率、宽覆盖、高质量成像、高效能成像、国产化率高等特点。它突破了单投影中心超大视场成像技术，提高了国产大视场相机图像的精确度[2]。高分六号卫星搭载了一台2m全色/8m多光谱高分辨率相机和一台16m多光谱中分辨率宽幅相机，2m全色/8m多光谱相机观测幅宽为90km，16m多光谱相机观测幅宽为800km，均达到国际领先水平。

高分六号与高分一号卫星组网运行，数据每2天覆盖全球1次，可为农业资源监测、林业资源调查、防灾减灾、生态环境等领域提供遥感数据支撑。与高分一号卫星相比，高分六号卫星性能指标进一步提升，它实现了8谱段CMOS探测器的国产化研制，是我国首颗设有反映植被特性的“红边”波段的多光谱遥感卫星，其“双红边”植被敏感波段可有效提升植被、作物等的识别精度。

二、森林火灾监测应用

森林火灾是指发生在除城市市区以外，在开放的森林生态系统中失去人为控制的森林燃烧现象。在我国，森林火灾具有随机性、突发性、破坏性，是一种处置救助较为困难的自然灾害，也是森林生态系统最主要的干扰因素之一[3]。森林火灾的发生往往会造成森林资源的严重损失，破坏当地的生态系统，同时在火灾发生时会释放大量的CO2、CH4等温室气体，引起地表湿度和温度等变化，对全球生态环境带来影响。对火烧迹地的准确识别是开展森林火灾灾情监测的基础工作。准确的过火面积信息可以反映森林植被的变化和经济损失，也可以评估生态环境效应。近年来，较多研究表明利用卫星遥感技术进行火烧迹地的识别和火灾损失评估是一种非常有效的方法[4]。遥感技术具有快速、经济、宏观的特点，适用于对森林火灾监测和过火面积的估算，尤其是在人员难以到达的偏远林区。目前，利用遥感数据识别森林火烧迹地的研究已取得显著进展；在全球尺度或长时间序列的火烧迹地识别中，主要采用具有高时间分辨率、中低空间分辨率特性的AVHRR、MODIS等遥感产品[5-7]；而在小区域范围内的火烧迹地识别中多采用中高空间分辨率的遥感数据，如TM影像[8]、高分一号影像[9]、CBERS影像[10]等。高分六号卫星增加了能够有效反映作物特有光谱特性的“红边”波段。基于高分六号宽幅数据的这一优势，本文选取2018年6月1日发生在内蒙古大兴安岭重点国有林管理局汗马自然保护区的森林火灾形成的火烧迹地为研究区，分析并评价该数据在森林火烧迹地识别中的应用能力，以期为我国森林火灾监测应用提供技术参考。

1.森林火灾监测实例

2018年6月1日19时，内蒙古大兴安岭重点国有林管理局汗马自然保护区发生的森林火灾，经3620人（其中林业扑火队1940人、森警1680人）的全力扑救，于6日10时全线合围，外线明火全部扑灭，过火总面积约5100公顷（其中，内蒙古境内约4500公顷，黑龙江境内约600公顷）。着火区域位于大兴安岭北段西坡，呼伦贝尔市北部，属于温带湿润季风气候区，年降水量400～500mm，平均气温-5.5℃，优势树种为兴安落叶松、白桦、山杨、樟子松等。本文获取该区域2018年7月30日高分六号宽幅数据，作为火烧迹地识别的数据源。

（1）典型地物光谱分析

对经辐射定标和正射校正等预处理后的高分六号宽幅数据，分别选取森林、灌木、裸地、火烧迹地、水体、云和云阴影区等七种样本，将选取的典型地物样本分为分类样本和评价样本，分别用于七种类型识别以及精度验证。利用分类样本对其在各波段的辐射亮度进行统计分析，其结果如图1所示。从图1中可以看出，火烧迹地在高分六号宽幅数据的可见光近红外区间各通道（1-4波段）的辐射亮度值与水体对应通道值相差较少，而在其两个红边波段（5波段和6波段）均表现出一定的差异，利用这两个红边波段数据与其他波段数据结合，有利于火烧迹地的识别和提取。

图1 典型地物辐射亮度统计分析结果

（2）样本分离性评价

利用ENVI5.3.1软件，对已选取的分类样本森林、灌木、裸地、火烧迹地、水体、云和云阴影区等七类样本进行评价，计算任意类别间的统计距离，用以确定两个类别间的差异性程度，从而衡量所选类型样本的可分离性，结果见表1。

表1 高分六号宽幅数据分类样本分离性评价结果

从表1可以看出，云阴影与火烧迹地的可分离度最低，但所有地物间的可分离度均大于1.9，这说明所选各类典型地物样本间的可分离性较好，有利于不同地物类型的识别。

（3）火烧迹地识别

采用最大似然法，分别利用高分六号宽幅数据的1-4波段（不包含红边波段信息）、1-5波段和1-6波段影像来识别森林火烧迹地，并对识别结果的精度进行评价。

图2 高分六号宽幅数据火烧迹地识别结果图（a为研究区假彩色合成图R：3波段、G：4波段、B：2波段 ；b为1-4波段识别结果；c为1-5波段识别结果；d为1-6波段识别结果）

图2中黑色区域为识别的火烧迹地，经精度验证得出：精度最高的是采用高分六号宽幅数据1-5波段影像时生成的结果，火烧迹地识别精度为87.25%，总精度为87.71%，Kappa系数为0.81；而利用其1-6波段影像火烧迹地识别精度为85.72%，总精度为85.82%，Kappa系数为0.79；不利用其红边波段信息火烧迹地识别精度为83.80%，总精度为85.66%，Kappa系数为0.79。三种识别总精度均优于80%，采用红边波段信息可使火烧迹地识别精度有所提高。结果表明，高分六号影像的光谱质量较好，监督分类结果符合实际火烧迹地的情况，可较好地表现森林火烧迹地细节和识别火烧迹地等，新增的红边信息可提高森林火烧迹地的识别精度。

2.应用总结

利用选取的高分六号16m多光谱中分辨率宽幅影像，采用最大似然法，分别利用影像的1-4波段、1-5波段和1-6波段，对内蒙古大兴安岭汗马自然保护区开展了火烧迹地等类型识别研究，结果表明：高分六号宽幅数据可较好地表现森林火烧迹地细节和识别火烧迹地等，新增的红边信息可提高森林火烧迹地的识别精度，能够满足我国森林火灾灾情信息评价中对卫星数据质量的要求，有助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。

三、发展展望

《全国森林防火规划（2016-2025年）》提出了二期规划总目标，我国将重点实施林火预警监测系统建设[11]。为实现这一目标，需要形成一个将多源遥感监测相结合集成高效、全面灵活的监控体系。我国高分专项卫星的陆续发射和广泛应用，极大丰富了我国自主的对地观测数据源。高分六号与高分一号卫星组网运行，大大缩短了数据的更新周期，也弥补了单颗卫星在短期内影像不能覆盖目标区域的不足。随着我国高分系列卫星成功发射并投入使用，结合具有亚米级空间分辨率的高分二号和具有分钟级对地观测能力的高分四号等卫星数据，可实现对森林火灾的实时监测，在时间和空间上为森林火灾应急指挥工作提供数据资料和技术保障。与此同时，在未来的森林火灾监测体系建设中，还需结合航空监测、地面监测与卫星监测等不同监测平台，逐步构建天-空-地一体化森林火灾监测体系，为我国森林资源高效管理和陆地生态系统可持续发展服务。