卫星遥感火情综合监测服务应用平台

中国空间技术研究院 孙秀平

北京空间机电研究所 孙晓敏 徐崇斌

一、火情监测的背景及意义

森林火灾极大地影响森林资源安全，造成生态平衡严重破坏，威胁生物多样性，同时，也严重损害人民生命财产安全。因此，需要对森林草原火灾进行及时、准确的监测与定位。而依靠传统地面设备、人工服务和航空器对火情进行监测，不仅费用高，存在盲区，而且在时效性及监测精度等方面都较差强人意。

与传统的火情监测手段相比，卫星遥感火情监测系统以其动态实时监测、更新速度快、覆盖面积大等优点，已成为火灾预防和监测的重要手段，并广泛应用于森林草原火灾的预警、动态监测和灾后评估工作。近年来，北京航天创智科技有限公司（以下简称“航天创智公司”）的研究团队发挥航天系统工程优势，致力于开展卫星遥感火情综合监测服务系统解决方案的研究工作，开发出卫星遥感火情综合监测服务应用平台。该平台的开发基于高频次遥感卫星影像数据源，利用卫星遥感技术、大数据智能计算技术，可以对大区域目标特别是边远地区和人烟稀少地区进行无死角、全天候、连续实时监控，能够及早发现早期地面火情，第一时间将报警信息推送至权责人联系电话上；对于已发现的火情，可以根据下垫面信息自动判定火灾类型，对火灾的蔓延情况进行连续跟踪监测，为扑火提供辅助决策信息。同时，该平台融合了气象及地理信息系统，可提供各类气象信息、地理信息，便于辅助进行灾后评估、统计分析等工作。图1为卫星遥感火情监测平台架构情况。

图1 卫星遥感火情监测平台架构

卫星遥感火情监测平台立足现状、着眼未来，重点突出“多源数据融合、全自动化智能处理、多手段警报推送、灵活的部署与集成方式”，在火情的早期预警发现、火情蔓延发展监测、灾后损失评估上，提供了以消防应急业务流程为核心的成熟、稳定的综合性解决应用方案。该平台在标准规范的层面上，参考并遵循最新的国家规范及行业标准，提供标准化的火情监测输出产品，最大程度满足各应用管理部门的业务流程需要，降低部署集成成本，提高火情监控的管理效率。

二、平台服务概述及处理流程

（一）火情平台服务概述

卫星遥感火情综合监测平台的服务主要由后端数据处理和前端展示两部分组成。地理信息、遥感影像及地物识别分类信息组成平台后端基础数据。利用气象卫星数据，通过遥感算法模型，可准确提取地面异常高温点，进而判识地面火情。由于单一卫星数据不足以支撑平台对时空分辨率的要求，因此，利用人工智能技术、大数据技术对多源卫星遥感数据源进行综合应用分析，保证了监测平台自动解译结果的准确性。在该平台中，对火点的判识、多源数据的整理分发工作，都在后端数据中心服务器完成。经过一系列的数据加工流程，火情信息被及时推送到前端，向用户展示图形化运算结果。前端界面目前能够提供实时监测、历史回放、应急指挥、灾情评估、火情专报、环境污染监测等6项专业模块化信息服务。

该平台服务可以有效覆盖传统森林草原火情监控的盲区，缩短从起火到发现的报警间隔，智能提供解译成果并自动生成统计分析报告；利用多源数据，其能同时兼顾火点识别的时间频次和空间精度；其灵活的部署方式，能够匹配不同地区及不同部门原有火情监控系统的建设进度，实现“1+1＞2”的共赢生态模式，避免公共资源浪费；除必要的服务端后台及平台端界面以外，该平台还提供包括APP、微信公众号等便利的信息终端服务，能够确保报警信息在第一时间传达。图2为卫星遥感火情综合监测服务平台主界面示例。

图2 卫星遥感火情综合监测服务平台主界面示例

（二）火情监测涉及卫星数据源分析

目前，卫星遥感监测火情主要依靠地球同步轨道卫星，常用的卫星主要有美国的GOES卫星系列、MODIS卫星系列，欧洲的Meteosat卫星系列，日本的Himawari-8系列卫星，国内的风云卫星系列等。卫星传感器的参数情况详见表1。其中，Himawari-8卫星能够提供每10min一次的卫星数据，这对火情的及时发现和控制非常重要，本文所述平台即以Himawari-8卫星为主进行火情监测，同时接入其他卫星作为辅助，以进一步提高该平台对火情的监测能力。

表1 卫星传感器相关参数情况

（三）火情监测处理流程

卫星遥感火情综合监测服务平台基于地理信息、遥感影像及地物识别分类信息等基础信息，在攻克了定位和空间分析准确性等难题的基础上，利用大数据技术实现了灾情评估的无人值守一键式报告生成及推送。图3为平台数据处理流程图。

图3 卫星遥感火情监测处理流程图

三、技术创新

航天创智公司以空间遥感技术为核心开发的高频次卫星遥感火情监测平台，在多遥感数据源融合、遥感数据全自动化解译处理、气象遥感数据火点判识等关键技术上进行了创新，从整体化、常态化和自动化等3个视角，完成了从技术到应用的转化。该平台的主要技术创新点包括以下几方面。

（一）多源卫星数据融合

近年来，我国政府职能部门陆续应用遥感技术开展对地火点及高温异常的常态化监测，例如，生态环境部门进行秸秆焚烧监测，林业和草原管理部门进行森林火灾监测，应急管理部门进行危险品爆炸事故监测等。可以说，通过遥感卫星对地面火点及高温异常点的识别，目前已经形成了稳定的市场需求。但是，航天创智公司在进行市场调研的过程中发现，无论是从事技术研究还是承担监测服务的实施单位，之前普遍使用的数据源基本都是基于美国NOAA/AVHRR和EOS/MODIS数据，鲜有国内的数据产品可以替代。随着我国遥感技术的自主创新及技术进步，尤其是以“风云”系列、“高分”系列为代表的过程空间遥感卫星星座的入轨及投入运营，无论是技术上还是效益上，国产卫星的数据应用已越来越成为很多用户的第一选择，而且，国内数据应用后还可以与国外数据形成优势互补。例如，以MODIS、“风云”3号卫星为代表的极轨卫星，重访时间为每天2次，白天、晚上固定时间各1次，在火点识别的应用中，无法做到全时段监控，存在很多的监控时间盲区，但定位精度一般较高；以“风云”4号、“葵花”8号为代表的静止轨道卫星，虽然空间精度略差，但可实现每10min一次的全时段对地观测频次。航天创智公司的技术团队，创造性地将极轨卫星和静止轨道卫星两类多星的遥感数据源作为研究目标，且主要针对国产卫星数据的应用进行技术攻关，同时吸纳国外数据应用的成熟经验，最终形成高低搭配，可同时兼顾对地监控的定位精度和监控频次。得益于该项技术创新，卫星遥感火情综合监测服务平台实现了以下技术指标：监控频次高，每10min/次，全天144个频次；识别精度高，可识别面积大于10m×10m的明火。多源卫星数据融合情况如图4所示。

（二）全自动化的数据处理及火点判别

基于遥感卫星影像技术进行火情监测预警、对地面火点监测的基本原理为运用遥感卫星对地球表面进行连续不间断的扫描，通过卫星地面站把扫描信息接收下来，再利用计算机对这些信息进行处理。当地面出现火点时，明火处在遥感影像数据中红外波段的辐射率急剧增高，混合像元亮温迅速增加，远红外通道混合像元亮温也有所增加，但远小于中红外通道。这将造成含有火点的中红外通道混合像元亮温明显高于周边无火点像元，而远红外通道的混合像元亮温增量与周边无火点像元的差异一般不明显，且远远没有中红外通道高。利用这一特点，即可以准确判识火点信息。

由于现有遥感数据的时间频次已达分钟级别，数据量呈指数型增长态势，传统使用人工或人机交互的半自动化数据处理技术，已无法匹配卫星数据的更新速度。为突破该瓶颈，航天创智公司技术团队通过运用云计算、大数据技术，成功研发出一套数据解译分析系统。通过数据云端分布式存储、大数据实时自动解算，该系统实现了对海量遥感数据的预处理及自动化火点判别监测。卫星遥感火情综合监测服务平台系统后台目前已实现无人值守，能够智能识别出火点且结合地理信息系统对热点进行定位，同时，分析下垫面植被类型及所属行政区划单位，主动推送火情报警。该平台系统具有覆盖范围广（可同时完成对全国范围内的火点监控）、传输时效强（连续监测）的特点，目前，其最大延迟时间（卫星原始数据接收至火点数据提取总时长）不超过15min。图5为全自动化数据处理流程示意图。

（三）气象信息的全方位服务接入

图4 多源卫星数据融合情况

图5 全自动化数据处理流程示意图

无论是森林火险、工厂消防还是秸秆焚烧、草原火灾，事故发生前的气象预警、过程中的应急处置，以及灾后的隐患排查，都离不开气象信息的辅助决策及数据参考。航天创智公司依托股东单位中国航天科技集团有限公司中国空间机电研究所的相关技术储备，整合行业优质资源，在卫星遥感火情综合监测服务平台中提供气象信息的云服务接入功能，系统后台接入气象卫星数据链路，自动对数据流进行解译，其可视化成果通过云服务进行推送，系统前端展示气象实时/预报/预警专题数据。实时数据包括气象云图、气温、气压、相对湿度、风、降水；预报数据包括气温、降水；预警数据包括权威气象部门发布的火险、暴雨、大风、高温、雷电、大雾、雷雨大风预警等信息。每年夏季提供实时的雷击数据每1min更新一次。图6为平台系统中显示的气温、降水、相对湿度、气压等方面的气象信息。

（四）遥感数据辅助灾情评估

当灾害发生的第一时间，及时为消防、应急处置部门提供第一手现场资料；在火情处置过程中，提供可靠的连续数据监控；灾后通过多期影像进行损失评估，这些都需要高分辨率遥感卫星影像数据的支持。因此，在卫星遥感火情综合监测服务平台中，航天创智公司又根据实际工作需要，开发了灾情评估的相关功能模块。通过服务协议，客户可获取火场灾前灾后两期或多期遥感影像，对比发现准确过火面积；通过遥感影像非监督分类解译的方法获取NDVI值，叠加前期二类调查卡片、林相图、土地利用现状图、土壤类型分布图、人工林造林设计、验收图、经济林基地建设材料等基础数据，并结合现场人工实际调查数据，评估灾情损失情况。图7为该平台辅助数据示例。

四、行业应用

航天创智公司团队紧跟市场需求，脚踏实地，结合各行业实际应用，不断完善卫星遥感火情综合监测服务平台的功能设计，在项目实践中，同用户一起打磨细节、改善流程、完善功能，使技术研究以行业应用为牵引，在项目实践中对研究成果进行考验。卫星遥感火情综合监测服务平台自推出以来，自主进行了多轮技术迭代，已经在多个行业中实现成功应用。

图6 平台系统中显示的气象信息

图7 平台系统中辅助数据示例

（一）森林草原火灾

卫星遥感火情综合监测服务平台可为森林草原防火应急指挥提供服务，综合应用卫星遥感技术（RS）、地理信息技术（GIS）、火点空间精准定位技术（GNSS）等3S技术，在各级基础空间数据库、林业草业基础数据库和防火数据库的支持下，采用各种监控手段，及时、准确掌握森林草原火情，通过各种渠道和手段，及时发布高森林火险警报和预警信号，实现森林草原防火动态管理，对扑火指挥和火灾损失评估等各环节实行全过程管理，全面提高森林防火管理的现代化水平, 提高公众在防火方面的参与度，为降低火灾发生率和火灾损失提供技术支撑，为决策者提供基础信息、技术支撑保障和决策依据，辅助决策者进行扑火指挥和灾后评估，及时、快速、准确地完成扑火救援，并在第一时间提供火灾经济损失评估报告。该平台基本实现了火灾全过程监控，灾后全方位、一体化的管控和决策辅助，为建立健全智能化防火体系提供了技术方案。

2019年3月，云南建水发生森林大火，该平台自动监测到火情的时间是16∶50，而当地森林公安的接警时间为同一天的21∶34。3天后，山西沁源发生“3.29”森林火灾，当地接警时间为3月29日13∶10，该监测平台首次发布王陶乡山火的预警时间为13∶20。上述案例有力地验证了该平台在森林草原火情监测识别的高时空分辨率及高精度定位等方面具有的优势。图8为森林草原火灾监测年报样例。

图8 森林草原火灾监测年报样例

（二）秸秆焚烧

卫星遥感火情综合监测服务平台可为生态环保部门提供高频次、全时段、全区域覆盖的秸秆焚烧监测服务，将传统卫星遥感监测手段的时间间隔从12h减少到10min，将数据处理时间从数天降低到15min，将执法处置的响应时间从数小时降低到分钟级别。该平台可按时间段、行政区划、火情类型等，一键式自动生成秸秆焚烧报告，且格式规范，数据准确。2019年年底，航天创智公司与黑龙江省某区政府及当地地面火情监测单位联合，将火情综合监测服务平台接入当地大数据中心，与传统监测手段联合，共同保障了当地防火季用火安全，确保秸秆焚烧及时发现、及时扑灭。图9为秸秆焚烧遥感监测年报样例。

图9 秸秆焚烧遥感监测年报样例

（三）电网及管线走廊监控

近年来，随着电力和石油天然气管线资源的开发力度加大，越来越多的输电输油线路需要穿过高山峻岭地带，这些地区独特的地形地貌、气候条件极易引发山火。近几年由山火造成的线路跳闸、停运等事故明显增多，给电网和输油管线安全稳定运行带来了巨大压力。为切实提高防灾减灾综合监测预警和应急处置辅助决策能力，火点及时准确判识成为亟待解决的问题。传统的山火监测手段是通过眺望塔进行人工实地观测、飞机巡航、砍伐输电线路隔离带等方式来预防山火。这些方法在一定程度上虽然能够有效避免火势蔓延，但是，由于缺乏精确的火情数据，以及观测范围和观测次数有限，因此难以及时提供有效的火情应对措施。卫星遥感火情综合监测服务平台开发和应用后，以遥感卫星数据为基础的热源探测技术为高温目标的识别提供了更为方便、快捷的监控手段，弥补了人工参与模式的众多不足，成为目前监测山火目标的重要手段和方式。

五、结论

本文所述卫星遥感火情综合监测服务应用，是一项基于多源卫星大数据基础，结合人工智能、地理信息系统，利用云计算及云服务，能够实现后台无人值守自动化监测、智能判别火点信息、前台自动定位，以及主动推送火情报警与相应专题报告的系统化服务体系。目前其应用情况表明，相较于传统火情监测报警系统，该卫星遥感火情综合监测服务平台具有空间智能化程度高、时空分辨率高、定位精度高的优势，能够为用户提供更具有宏观指导意义的决策信息支持。