静止卫星森林草原火情监测服务平台构建与应用

文 | 温涛 刘博远 石剑岳 葛锡志 陈烁

中科星图股份有限公司

一、应用背景

我国幅员辽阔，森林草原分布范围广泛，森林草原火灾时有发生。据统计，我国1950-2015年均森林火灾次数1.1万次，年均面积56.3万公顷，死亡110人，伤1000余人。2018年，全国共发生森林火灾2478起。其中，一般森林火灾1579起、较大森林火灾894起、重大森林火灾3起、特大森林火灾2起，受害森林面积16309公顷，因灾造成人员伤亡39人（含死亡23人），国家、人民的生命和财产遭受了巨大损失。为从总体上减少损失，我国建设了包括卫星监测、航空监测、近地面观测和地面巡逻四个层次的立体森林草原火情监测体系。其中，卫星遥感监测手段凭借其覆盖范围广、经济高效等优势，已成为全国火情日常业务监测的一种重要技术手段。卫星遥感火情监测通常采取静止气象卫星和极轨卫星两种监测手段，其中静止卫星具有高时效性，极轨卫星具有较高的空间分辨率。然而，过去很长一段时间，由于当时的静止气象卫星传感器的空间分辨率低、探测通道少，森林火灾不得不依赖极轨气象卫星进行火点监测，而极轨卫星林火监测方法在时效性方面依旧不能够满足林火监测的需要。近年来，欧洲气象卫星第2代/第3代（MSG/MTG）、日本向日葵八号、九号（Himawari-8/9）、美国地球静止业务环境卫星十六号、十七号（GEOS-16/17）、中国风云四号A星（FY-4A）、高分四号卫星（GF-4）、地球静止轨道-韩国多用途卫星2A（GK-2A）等新一代静止气象卫星相继投入使用，其搭载的可见光和红外传感器在空间时间分辨率和光谱设置方面有了显著提高，进一步提升了森林草原火情监测的空间分辨能力。

中科星图股份有限公司（以下简称中科星图）在GEOVIS数字地球基础平台的基础上致力于静止卫星森林草原火情遥感监测服务平台研发与攻关，使用FY-4A、GF-4、Himawari-8等静止卫星数据，通过数据预处理、火情判识与提取、火情监测产品制作等流程实现对森林草原火情的大范围、高频次监测，结合现有的森林草原火情监测体系，为应急管理部、国家森林草原防灭火指挥部办公室、各省级防灭火指挥部办公室等单位提供高效、准确的火情监测服务。

二、静止卫星森林草原火情监测服务平台设计

中科星图发挥GEOVIS数字地球基础平台优异的兼容性、扩展性优势，结合森林草原火情监测具体业务，采用深度学习、人工智能等技术，基于FY-4、GF-4、Himawari-8等静止轨道卫星遥感观测数据，进行静止卫星森林草原火情遥感监测服务平台（以下简称平台）建设，为森林草原火情遥感综合监测提供支撑，平台架构如图1所示。

图 1 静止卫星森林草原火情遥感监测服务平台架构图

静止卫星森林草原火情遥感监测服务平台主要分为基础支撑层、数据层、服务支撑层、应用层等四层。

（1）基础支撑层

为系统提供相应的计算、存储等资源，同时利用数据专线连接中国资源卫星应用中心，申请GF-4卫星数据、定制拍摄申请、下载数据，利用数据专线连接中国气象局国家气象信息中心，获取其推送的FY-4卫星数据和日本Himawari-8卫星数据，预留韩国GK-2A卫星数据的数据接收接口。

（2）数据层

包括基础空间数据库、基础设施数据库、卫星观测数据库、气象观测数据库、卫星影像历史数据库、林区资源区划数据库和产品数据库，为平台运行提供数据支撑。

（3）服务支撑层

GEOVIS数字地球基础平台具备统一时空的基准以及算法集成框架，可以承载FY-4数据预处理、GF-4数据预处理、Himawari-8数据预处理算法以及火点判识与提取算法、非火情热异常点排除算法，同时预留GK-2A数据预处理算法接口，为上层应用提供服务支撑。

（4）应用服务层

基于服务支撑层，按照“微内核+插件”的技术架构，实现火情监测专题产品制作、火情监测产品发布、火情监测信息综合展示与核查反馈等应用。

三、平台主要功能

1.静止卫星数据预处理

采用智能降噪等方法识别并去除原始影像数据坏点，集成辐射校正、大气校正、几何精纠正、正射校正、波段合成、增强/滤波、投影/坐标转换、图像定位等算法模型，实现GF-4、FY-4、Himawari-8等静止卫星影像数据的自动化处理，生成可直接用于火情信息提取的高精度产品数据。

2.火情信息判识与提取

基于火点和非火点像元时序特征，根据对火敏感的通道亮温的时相变化，即利用相邻时次的通道亮温差值，并结合其他波段的特性，进行波段组合运算，设定阈值来实现晴空条件下陆地火点的检测。当检测区域内影像出现异常，如大量高层云、中低层云覆盖，地面洪涝灾害和太阳耀斑影响等，系统自动优化火点识别模型参数，提示用户和管理人员进行人机交互，调整火点识别参数，提高火点识别精度。建设异常火点库，自动更新异常火点信息数据，提升火情信息判识准确率。

3.火情监测产品制作

通过对卫星林火判识结果进行图像增强处理，结合基础地理信息数据，实现火情监测专题产品的制作（包括火情监测专题图、火点强度专题图以及火情监测报告等），并依据多时次卫星影像及火情信息，制作火情演变动画，动态反映重要火情火灾发生、发展蔓延过程。图2为利用Himawari-8监测到的四川省西昌市2020年3月30日15时和16时的火点信息。

图 2 四川省西昌市火点卫星遥感监测图

4.火情监测成果发布与推送

与移动终端APP结合，实现火情监测信息的发布和核查反馈信息的上传，为各级业务部门联合进行林火监测以及火情核查提供技术支撑。

四、平台主要优势

（1）快速高效的数据处理能力

本平台基于GEOVIS数字地球基础平台开发，采用存算一体化、混合异构计算等多种并行计算策略，实现了海量静止卫星数据全自动、高效率、高精度的快速处理和实时响应。

（2）智能精准的火情判识

平台采用深度学习、决策树等人工智能技术，通过自适应的调整火情识别算法阈值参数，有效提高了火点判识的灵敏度，结合自动更新的异常火点库，剔除非火情点干扰，进一步提高了火点判识的准确率。

（3）实时动态的火情推送

平台与安卓APP结合，将热点监测结果实时、精准的推送给辖区内基层护林员，同时接收护林员的核查反馈信息，更新平台异常火点库，以进一步提升火情判别算法准确率。

五、结束语

未来，静止卫星森林草原火情遥感监测服务平台将与其他包括极轨卫星监测、航空监测、近地面观测和地面巡逻火情监测系统协作配合，构建立体的森林草原火情监测体系，为各级防火部门实现“打早、打小、打了”提供有力支撑，为提高森林草原防火能力发挥积极作用。