浙江省基于静止气象卫星的卫星林火监测系统构建思路

李少虹，潘颖瑛，赵晨晨，梁君瑛，王宁杭，张 耿

(浙江省航空护林管理站，浙江 杭州 310020)

森林火灾是减少森林资源、破坏生态系统的主要因素之一，破坏性大、突发性强、灾后修复周期漫长，被联合国粮农组织列为世界八大自然灾害之一。据统计，1950-2010年间，我国累计发生森林火灾760961起，受害森林面积高达174.99万hm2，年均分别高达12683起、7.95万hm2[1]。浙江省森林火灾也频繁发生，仅1996-2019年这24年间就累计发生8808起，受害森林面积达58818.30hm2，年均分别为367起、2450hm2。林火监测是森林防火工作中重要环节之一，是实现“打早、打小、打了”目标的重要基础，目前有地面巡护、瞭望监测、飞机巡护、卫星监测、视频监控等手段。其中卫星监测具有覆盖面积大、获取数据便捷、监测成本低、受人为因素影响小等优点，被誉为森林防火工作的“千里眼”，特别是新一代静止气象卫星陆续发射上天，其应用是未来发展的一个重点方向。为提高浙江省森林火灾监测能力，本文从气象卫星发展和森林火灾发生情况出发，提出了基于静止气象卫星的卫星林火监测系统构建思路。

1 卫星林火监测原理与发展应用

1.1 卫星林火监测原理

高于绝对温度的物体都在不断向外辐射电磁波，温度升高会导致热辐射增强[2]，卫星林火监测正是利用这一原理，根据不同物体热辐射的差异性来判定火点。卫星所携带的探测器可以对不同波段的电磁波进行分辨，根据卫星接收到的不同波长的辐射，即可推算物体温度。辐射波长包括可见光波段、红外波段和微波波段，根据维恩位移定律，常温地表辐射峰值波长在11μm左右，而物质着火时温度可达750K以上，辐射峰值波长位于4μm左右的红外通道上[3]。以AVHRR为例，AVHRR第3通道是波长为3.55～3.93μm的热红外线，对林火极为敏感，林火温度的辐射波长正好对应卫星探测器的红外通道，可明显显示为亮红色热点，与背景色进行清晰的区分[4,5]。而对火点进行快速、精准的定位则需将探测器获得的信息与地理信息系统(GIS)技术相结合。运用GIS系统的地理信息数据库将森林、水系、道路、森林分布等结合到三维地理坐标中去，经过分析、计算后得出森林火灾的准确定位[5]，便于快速核查热点的具体情况。

1.2 卫星林火监测应用与发展

卫星监测在森林火灾防控方面具有很多作用，不仅能够实现及早发现森林火灾，也能通过连续跟踪监测掌握森林火灾的发展蔓延态势并进行火场面积和损失情况估算。国际上美国、俄罗斯、日本、加拿大等发达国家都相继开展了气象卫星林火监测业务，目前已组成了全球气象卫星观测网。1987年“5.6”大火时，我国就开始尝试使用气象卫星监测森林火灾；1993年由黑龙江政府、原国家计委和林业部组织实施了《提高气象卫星探测森林火灾精度和软件包的研制》，建立了卫星林火监测业务系统；1995年原林业部建立了“全国卫星林火监测信息网”并先后设立4个卫星林火监测单位，对全国森林火灾实施全面宏观监测，并对重大森林火灾实施连续跟踪监测。经过30多年来的发展，已经在全国范围内形成规模化业务，对森林火灾监测和有效控制起到了重要的作用。

根据卫星运行轨道差异，气象卫星可分为太阳同步轨道气象卫星和地球同步轨道气象卫星两大类，即极轨气象卫星和静止气象卫星。极轨气象卫星是一种轨道与太阳同步、通过地球南北极的卫星，一昼夜可经过同一地点上空2次，轨道高度约为800km，其搭载的探测器具有较高的空间分辨能力和高温敏感通道，具备较高的火点判别能力和定位精度，已广泛应用于林火监测。目前我国主要应用的仍是极轨气象卫星，主要有AVHRR/NOAA、MODIS/EOS、VIRR/FY-3和VIIRS/NPP等。其中FY-3号气象卫星是我国自主研制并达到国际先进水平的新一代极轨气象卫星，其搭载的可见光红外扫描辐射计(VIRR)特设了T3(3.55～3.93μm)，结合T1～T4可见光波段，能够较好地用来监测森林火灾。经过多年的发展，极轨气象卫星林火监测已成为各省尤其是国家宏观层面监测森林火灾动态最有效的技术手段之一。2001年以来，国家防火办通过卫星监测到热点149271个，核查反馈为森林火灾的有16444起，年均843起(统计显示年均6645起)，成效显著。

静止气象卫星运行轨道距离地球约36000km，地星距离是极轨气象卫星的4倍多。早先由于地星距离和探测器分辨率的限制，静止气象卫星无法用于林火监测，近来随着科技进步，卫星软硬件飞速发展，气象卫星资料的应用技术有了长足进步。如2014年10月发射的日本Himawari-8静止气象卫星，搭载AHI成像仪，能够在10min内完成全盘扫描，拥有16个通道，涵盖0.46～13.3μm波段，空间分辨率最高可达0.5km[3]。中国气象局国家气象卫星中心可以实时接收Himawari-8全部通道原始分辨率的数据，相关科研人员利用这些数据对东北兴安岭林区、甘肃省迭部县达拉林场以及广东省等多地发生的森林火灾进行了研究和对比分析，提供了相关应用实例[6～8]。而我国的FY-4是新一代静止气象卫星，于2016年12月发射成功，其拥有的微波大气探测技术为世界首创。FY-4上搭载的AGRI成像仪特性与AHI相似，能够在15min内完成全盘扫描，拥有涵盖0.45～13.8μm的14个通道，空间分辨率有0.5km、1km、2km、4km等4种[3]，对比我国第一代静止气象卫星FY-2C(每小时观测1次、空间分辨率为5km)，性能有了相当高的提升。目前AGRI/FY-4应用于林火监测还在研究中，部分科研单位已开发出相应算法，正在进行检验并不断优化。

1.3 静止气象卫星的优势

与FY-2等上一代静止气象卫星相比较，以Himawari-8、FY-4等为代表的新一代静止气象卫星的时空分辨率和通道数成倍增长；而与极轨气象卫星相比，除了空间分辨率相对较低以外，新一代静止气象卫星在时间分辨率、连续观测能力、覆盖范围等方面均有优势，能够弥补极轨气象卫星监测存在空白时段这一不足(详见表1)。通过新一代静止气象卫星的应用，不仅能够实现及早发现森林火灾，达到全覆盖、高频次的要求，还能够对森林火灾的发展态势进行连续跟踪，获取火情发展的动态变化数据，为森林火灾的科学扑救提供决策依据。

2 系统构建思路

从浙江省1996-2015年森林火灾情况来看，一天中森林火灾的发生高峰期在10至16时(占86.76%)，16时后次数明显下降，但极轨气象卫星在我省上空过境时间主要集中在6至9时和16至20时，中间时段少有观测数据，等到卫星监测到热点并推送报警时往往火势较大或当地已接到群众报警正在扑救，不利于实现森林火灾的“打早、打小、打了”。2001年以来，浙江省通过国家防火办卫星林火监测系统监测到热点2556个，核查反馈为森林火灾的有933起，年均约49起(统计显示年均335起)。浙江省在国家防火办卫星林火监测系统的基础上运用静止气象卫星开展林火监测，能够进一步补充我省森林火灾监测手段，为森林防火工作提供更加准确、及时和稳定的火情监测信息，对提升森林火灾综合防控能力具有重大意义。

2.1 已具备的基础条件

1)卫星数据资源日益丰富。我国和世界各国为应对气象和其他自然灾害的监测评估，发射了大量的遥感卫星，包括FY-3系列、NOAA系列、EOS系列等极轨气象卫星和FY-4、Himawari-8、千里眼2号等静止气象卫星，能很好地覆盖我国中东部地区，可初步满足气象和自然灾害监测、评估的应用需求。目前国内气象部门已运用静止气象卫星开展强对流天气、台风、雾霾等天气过程的监测业务，省内气象部门也已开展海上大雾、积雪等的监测，取得了一定的成效[9～12]。

2)卫星林火监测技术日趋成熟。卫星遥感特别是极轨气象卫星林火监测技术经过30多年的发展已日趋成熟，其火点识别算法模型、火点定位精度、监测报告准确度、监测报告时效都有了大幅度提高。静止气象卫星热点判识算法和定位精度能够在极轨气象卫星林火监测技术基础上进行研究和优化，并与其开展对比验证，进一步提高热点判识精度，提高林火监测能力。

3)现代技术发展提供有力支撑。静止气象卫星观测间隔短，数据量大，呈现出明显的“大数据”特征，加上遥感数据的直接可读性较差，往往依赖专业人员进行转化，效率相对较低，一定程度上制约着应用和推广。但是近年来大数据、云处理、人工智能等现代技术的发展，能够高效率、低成本地处理原始数据，从而快速进行数据获取传输、通道提取、耀斑滤除、热点判识等流程，并不断优化改进，实现高效、稳定、精确的林火监测。

4)优良经济条件提供有力保障。浙江省是中国经济最发达、最活跃的省(市、区)之一，地区生产总值和财政总收入均居全国前列，2019年全省生产总值(GDP)62352亿元，财政总收入12268亿元，一般公共预算支出10053亿元[13]。浙江省经济条件相对优越，完全具备系统建设所需经济条件，对其后期运行维护也有足够的资金保障。

2.2 建设内容

系统将开发建设静止气象卫星数据接收模块、林火监测业务处理模块及数据成果显示发布共享模块，同步应用FY-4、Himawari-8等多源卫星实时数据资料，实现卫星数据预处理、林火监测分析、卫星资料及产品显示等三大功能，以提升卫星林火监测水平。根据相关要求，系统将建设在政务云平台上运行。具体结构图见图1。

2.3 运行流程

浙江省卫星林火监测系统首先接收FY-4等静止气象卫星遥感数据，后续对其进行数据通道提取、区域投影、定位校准、火点自动判识、人机交互调整、常规热源剔除、图像保存输出等流程，最终发布疑似火点及其监测图像，并同步推送至浙江省自然灾害防控平台、短信、钉钉等进行实时报警，由疑似火点所在地进行核查反馈。其中火点判识算法将在已有算法基础上进行参数本地化改进，建立更适合浙江区域的静止气象卫星林火监测算法。

2.4 建设目标

通过建立该系统，提供全天候、高频次(10～60min间隔)、全覆盖的卫星林火监测服务，实现及早发现200m2的初发火情，且报警准确率达到95%以上、定位精度达到1km；在发现热点后立即通过声光等方式报警，并同步推送至浙江省自然灾害防控平台和指定钉钉、短信；支持热点信息在线查询、动态显示、多次反馈、分析导出等功能，显著提高我省森林火灾监测能力和技防能力。

3 结论与展望

综上所述，静止气象卫星林火监测具有时间分辨率高、连续观测能力强等优点，便于森林火灾早期发现、早期处置、科学扑救。系统建成后，将同地面巡护、视频监控、航空护林等形成“四位一体”的立体林火监测体系，切实提升浙江省森林火灾实时监测能力，有效预防发生重特大森林火灾，有利于保障森林资源和国土生态安全，助力推进生态文明建设以及“美丽浙江”、“森林浙江”和“平安浙江”的顺利实施。