多源遥感数据在森林火灾应急监测中的应用

文 | 刘锟 欧阳斯达 李鸿洲 李敏敏 高欣圆自然资源部国土卫星遥感应用中心

一、引言

森林资源是陆地生态系统的重要单元，对全球环境和气候有重大影响，而森林火灾是造成森林破坏的主要方式之一[1]。作为一种突发性、破坏性大、处置救援较为困难的自然灾害，森林火灾的发生位置、火场发展变化趋势及面积等信息是开展应急决策、部署火灾扑救力量的重要信息[2]。卫星遥感技术具有宏观、快速的优势，能够为森林火灾应急处置提供准确、及时的监测信息。然而由于遥感影像空间分辨率、光谱分辨率及时间分辨率间存在相互制约的关系，为满足森林火灾监测在时效性、准确性等方面的需求，需要利用不同卫星的优势互补，开展森林火灾应急监测[3]。本文利用高分一号02、03、04星数据，结合高分四号凝视卫星的中红外数据及单日多次成像特点，探讨了一种在森林火灾监测中综合应用多源遥感数据，及时开展火场定位、发展趋势监测及过火面积分析的技术方法。

二、数据源及监测应用

1.数据源

（1）高分一号02、03、04星

高分一号02、03、04星卫星星座是我国高分辨率民用遥感系列卫星的重要组成部分，于2018年3月31日在太原卫星发射中心以“一箭三星”的方式发射成功，并于当年10月交付自然资源部使用，可为自然资源监测管理提供有效的数据保障，其主要技术参数如表1。

表1 高分一号02、03、04星及高分四号卫星主要技术参数

作为我国首个民用高分辨率光学业务卫星星座，采用三星组网的方式可实现3星15天全球覆盖、2天重访，能够长期、连续、稳定、快速地获取2m全色及8m多光谱影像。与高分一号卫星相比，该星座提高了卫星量化位数及信噪比，显著提升了图像质量；无控定位精度由50m提高至25m；侧摆机动时间由200s减少至150s，单日成像圈数由8圈提升至14圈，数据获取能力大大提高；首次采用低轨对月定标，降低了对地面校正系统的依赖；三颗卫星搭载的6台相机辐射响应一致性误差小于3%，具备良好的组网拍摄能力[4]。高分一号02、03、04星在火灾发生后，其三星组网及高效侧摆能力能够及时获取火场高分辨率影像，其较高的无控定位精度有助于迅速开展火场定位及过火面积评估，直观地展示火场情况，为应急处置及部署提供影像参考。

（2）高分四号

高分四号卫星于2015年12月29日在西昌卫星发射中心成功发射，是我国第一颗地球静止轨道高分辨率光学遥感卫星，搭载了一台可见光50m/中波红外400m分辨率、大于400km幅宽的凝视相机，采用面阵凝视方式成像，具备可见光及中红外成像能力，设计寿命8年，通过指向控制，实现对中国及周边地区的观测，其主要技术参数如表1。

高分四号卫星具备普查、凝视、区域、机动巡查4种主要观测模式，满足不同情景下的观测需求；凭借静止轨道优势，可随时接收指令并下传数据，实现一天多次可见光成像，并具备夜间中红外成像能力。高分四号卫星的大范围、高频次、多通道观测数据为灾害风险预警预报、林火灾害监测、地震构造信息提取、气象天气监测等业务提供了重要支撑，开辟了我国地球静止轨道高分辨率对地观测的新领域[5]。火情发生后，在高分四号可见光影像中可见浓烟，在中红外影像中可见显著高亮，能够实现对火场位置的快速定位及火场变化情况的持续监测。

2.森林火灾应用监测

（1）应灾数据获取及处理

为满足高效准确的灾前数据查询及灾后数据拍摄获取需求，需要基于开放性的面向服务的结构体系设计理念，构建包括基础设施层、数据层、业务层和表现层的数据管理系统，实现当森林火灾发生后，第一时间在海量存档数据中查询满足需求的影像数据，并实现该数据在生产、解译、制图和分析等环节的实时同步获取。利用独立于日常卫星观测计划编制作业的应急拍摄通道，针对应急目标预报所掌握卫星资源未来2～120小时的卫星星下点运行轨迹，结合各星的侧摆机动能力，对多星的过境拍摄进行任务协同，消解多星多任务及接收资源使用冲突，对已编制或已下发的观测计划进行修订，对未编制的计划进行应急任务预留，保障灾后数据的持续性获取。

数据处理工作首先是开展灾前高分辨率影像的纠正、融合和镶嵌等处理，得到火场的灾前影像。随后对快速获取的高分四号卫星影像进行粗校正和定位，以获取火场最新的情况及影响范围。对于灾后高分一号02、03、04星影像，需要与灾前影像进行精细化匹配和纠正处理，选取适合的融合算法进行影像融合处理，选取适当的光谱谱段组合，提取火灾影响范围。数据处理的成果主要面向两类应用：一是用于后续解译分析的影像成果；二是灾前灾后变化区域的影像制图成果，可直观展示或反映应急事件的影响。

（2）森林火灾火点监测

森林火灾发生在山地林区，很多火场距离居民点较远，缺少必要的进入道路，难以迅速发现火情。而山区植被茂密，风向多变，火情发现不及时会显著提高其扩散的范围和不确定性，大大提升扑救难度，进而带来更大的生态、经济甚至人口损失。由表1可知，高分四号中红外波长范围为3.50～4.10μm，处于森林火灾的辐射峰值，可使用该波段对火点进行监测。利用高分四号高频次大范围的成像能力，可以快速检测新火点，结合可见光波段的烟火表现，可以实现对不易进入的山地林区火灾的及时监测，利用遥感技术的优势主动开展应急监测。图1为2020年4月1日，利用当日获取的高分四号数据发现云南永仁县白马河林场附近出现火点，立即向相关主管部门及云南省一线报送了火点位置，并启动了应急监测。

图1 云南永仁县森林火灾监测

采用该方法，2020年3月以来，持续对山西、四川、云南等多地森林火灾进行了快速发现和定位，有效地为后续森林火灾持续监测及高分辨率卫星编程获取工作提供了位置信息。

（3）火场发展态势监测

因此，利用高分四号卫星高频次全天成像能力，采用长时间序列中红外数据，能够实现对火点发展变化的长时间动态监测。图2为利用3月30日至4月2日拍摄的12期高分四号中红外波段数据开展的四川西昌森林火灾火场发展变化监测，可以看到火灾由3月30日下午开始发展，3月31日上午显著减弱，经过3月31日下午的一次明显复燃，至4月2日逐渐扑灭的过程。

图2 四川西昌森林火灾火场发展遥感监测变化图

（4）森林受损情况监测

高分四号中红外数据分辨率400m，可见光分辨率50m，能够满足火点定位及火场发展变化趋势监测的需求，然而过火面积提取等森林受损情况监测，需要在更高分辨率的影像数据支撑下才能顺利开展。利用高分一号02、03、04星数据，能够生产最高2m分辨率的多光谱融合影像，具备良好的目视可读性，为勾画火灾影响范围、精细识别过火区提供了可靠的数据保障；星座的波段设置可以生产归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI），通过辐射校正等处理后，能够为自动提取并分析植被受损情况等监测需求提供数据支撑。图3为四川木里县“3.28”森林火灾截至4月1日的森林受损情况监测图，从图中可以清晰地看出森林火灾影响的范围，并可在该范围中识别火烧迹地及未燃烧的植被，同时也可以根据浓烟的位置判断火势严重区域，对后续森林受损情况进行预判，合理部署应急处置力量。

图3 四川木里森林火灾4月1日森林受损情况

三、总结及展望

森林火灾是影响森林生态系统最为严重的灾害之一，严重威胁周边经济、生态及人口安全。对森林火灾的快速发现及定位，能够为及时开展应急处置、安排后续遥感观测提供重要的区位参考信息；而火场的变化趋势及森林受损情况监测，能够为评估火灾损失、合理部署救援力量提供客观、有效的数据支持。遥感技术具备大范围、周期性、综合观测等特点，是开展森林火灾遥感监测的有效手段。由于遥感平台及传感器实际条件的限制，影像的空间、时间及光谱分辨率互相制约，在实际应用中应尽量综合不同卫星数据的优势，满足森林火灾监测的具体需求。

本文探讨了一种综合利用高分四号卫星一天多次、中红外成像能力及高分一号02、03、04星的2m分辨率数据高效获取能力，开展森林火灾应急监测的技术方法。该方法在2020年3月以来的多次森林火灾应急遥感监测工作中，及时定位了偏远山地林区的火点位置，实现了对火场变化情况的一天多次连续监测，并支撑了森林受损情况的准确评估，及时为相关管理部门及救灾一线单位提供了数据及信息服务，取得了良好的应用成果。

为了进一步发挥多源遥感数据在森林火灾遥感监测中的应用潜力，应通过进一步完善数据快速几何校正或配准技术，保证多源卫星数据具备正确、一致的空间定位，实现多源数据在统一的空间坐标系内准确叠合，保障相关空间分析工作及时、顺利展开。同时，还应推进高分四号、高分一号02、03、04星等国产卫星数据的辐射校正及质量改进方法研发，提升数据的辐射质量，围绕特定数据源研发反演模型等相关技术方法，提升监测结果的有效性，逐步形成高效准确的自动监测及分析能力。