高分六号卫星数据在森林草原火情监测中的应用

文 | 覃先林 李增元 李凡 刘倩 胡心雨 李晓彤

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、引言

森林和草原在维护生态平衡中起着决定性作用。十八大以来，我国赋予了林业和草原在建设生态文明和推动绿色发展中新的地位、新的使命和新的任务。近年来，随着全球气候变暖和极端天气事件增加，国内外森林大火频发，造成大量的森林资源和财产损失，有时还酿成惨重的人身伤亡事件，影响了当地经济发展和社会稳定。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[1-2]。

卫星遥感因具有覆盖范围广、观测频次高等特性，能够准实时地跟踪与监测森林草原火灾的发生、发展及变化情况，已在国内外林火预警、监测、损失评估等方面广泛应用。目前，我国已建立了基于中低空间分辨率卫星数据的火情卫星监测业务系统，每天对全国及周边地区的森林草原火情进行监测与信息服务，已经成为我国森林和草原火灾监测业务中一种不可或缺的重要监测技术手段[3-4]。

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[5]。高分六号（GF-6）卫星是该专项中的民用高分卫星之一，于2018年6月2日在酒泉卫星发射中心成功发射，2019年3月21日正式投入使用[6]，携带一台高分相机和一台宽幅相机。前者有2m 空间分辨率的全色（PAN）、8m 空间分辨率的4 谱段多光谱（PMS）图像产品，后者有16m 空间分辨率的8谱段多光谱（WFV）图像产品，GF-6 PMS 观测幅宽95km，GF-6 WFV 观测幅宽860km，具有高分辨率、宽覆盖和高质量等特点，卫星设计寿命8年，将支撑农业资源监测、林业资源调查、防灾减灾救灾等数据需求，并为生态文明建设、乡村振兴战略等重大需求提供遥感数据支撑。国家林业和草原局作为该卫星的主用户之一，参与了该卫星的研制、在轨测试和应用示范等工作[7]。

二、应用情况

自2019年3月21日GF-6 卫星正式交付运行以来，林业行业根据GF-6 卫星数据特性和覆盖状况，分别开展了森林、湿地、沙化土地、林业生态工程和森林灾害等林业和草原行业典型监测业务应用示范工作。在此，仅对近两年内该卫星数据在我国及境外森林草原火情监测中的应用情况进行介绍。

1.烟区监测

森林和草原等植被发生燃烧时，燃烧物质因含有水分和不完全燃烧而导致产生大量烟的现象。烟通常是由高浓度悬浮物和气溶胶组成，在光学卫星遥感影像的可见光近红外光谱通道，可较好地反映烟点或烟区的分布、浓度和面积大小等信息，为利用光学卫星遥感技术检测烟点（区）提供了可行的条件。由于烟的遮盖，在森林草原火灾卫星遥感监测过程中，烟覆盖下的一些低温焖烧火点常会被遗漏，从而影响火灾检测的准确性。

基于GF-6 可见近红外通道具有对植被燃烧释放的烟敏感的特性，利用经辐射、大气校正和几何校正等处理后的GF-6 WFV 数据，对发生在澳大利亚东南部维多利亚州、巴西亚马逊等地的森林火灾释放的烟区进行识别来监测当时火情的燃烧态势，部分监测结果如图1 所示。

图1 澳大利亚森林火灾烟区分布GF-6 WFV 数据监测结果

从图1 中可以得出起烟点位置及数量，以及烟区的走向、浓密及分布等信息。从烟区浓密程度可以得出植被燃烧火势的大小，利用烟区的走向及分布，并结合地形和植被类型等信息，可预估未来火情蔓延的态势。这些信息可有效地为森林火灾扑救决策提供科学技术支撑。

2.森林火灾灾情评估

森林火灾发生后，由于森林草原等植被遭受火灾的损失而导致其在GF-6 卫星遥感影像上光谱特征的变化，通过GF-6 卫星遥感影像不同谱段的结合，可以监测得到火烧迹地的空间分布及其面积等灾情信息，从而为森林火灾的灾情评估和恢复重建等工作提供技术服务。

利用经辐射校正、大气校正和几何校正等处理后的GF-6 PMS/WFV 影像，对发生在我国内蒙古大兴安岭汗马自然保护区、四川省凉山州和攀枝花市、云南省安宁市等境内，以及澳大利亚东南部维多利亚州、巴西亚马逊、美国加州等境外地区的森林火灾形成的火烧迹地进行了监测；并通过与高分一号（GF-1）和哨兵二号（Sentinel-2）等卫星数据解译的火烧迹地结果以及现地调查结果进行对比，评价了利用GF-6 数据进行森林火灾灾情信息提取的应用潜力；同时，还结合火灾发生前后的GF-6 影像以及当地的森林资源数据，对森林火灾造成的灾情损失情况进行了评价，部分结果如图2 所示。

图2 四川省凉山州西昌市森林火灾灾情评价结果

从图2（a）中可以看出，GF-6 PMS 影像可较好地反映火烧迹地分布区域及植被遭受火烧损失情况；而将森林火灾发生前后的GF-6 PMS 数据相结合，可以对森林火灾造成的植被受灾程度进行定量评估，如图2（b）所示；灾情分级结果与图2（a）影像表现基本一致。因此，在森林草原火灾灾情评价工作中，尤其是在重特大森林火灾发生后的灾后评估中，利用 GF-6 多光谱影像可较好地反映森林等植被遭受火烧伤害的程度特性，及时为森林火灾扑救及灾后恢复等决策提供数据和技术服务。

三、结论

近两年通过GF-6 卫星数据在国内外森林草原火情监测中的应用，表明GF-6 卫星空间分辨率为8m 的PMS 和16m 的WFV 影像均可以较好地反映植被、火烧迹地和烟区等信息；此外，该卫星影像具有宽覆盖特点，也可用于森林草原火灾的发现、火场态势监测和灾情评估。

由于GF-6 卫星为极轨卫星，受幅宽和运行轨道等限制，并不是每天都能覆盖我国全国林地或重点林区，单星还较难满足我国森林草原防火日常监测业务需求，但通过与GF-1 卫星组网观测，观测周期可以缩短为两天，将有力提升其观测能力。随着卫星系统、地面系统等对GF-6 卫星的辐射校正、几何定位等工作的深入开展，将会为用户开展定量化的应用提供更可靠的GF-6 卫星影像数据，其在林业和草原行业的监测业务应用中会更加深入，其应用领域也会更加广泛，将为我国及周边地区的林业和草原生态环境建设工作提供强有力的技术支撑和信息服务。