卫星遥感技术在森林火灾风险预警的应用探讨

林惠鸿

（广西南宁林业勘测设计院有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

人类对森林的干扰频繁，在干旱条件下容易引发森林火灾，对社会稳定、经济发展和人民生命安全构成巨大威胁[1]。随着经济发展方式的转变，生态环境建设在社会经济发展中的地位越来越重要，森林作为城市生态环境建设的重要组成部分正在迅速发展。作为一个大城市，森林资源丰富，森林火灾风险较高。森林防火工作需要全面加强。基于以上原因，本研究分析了森林火灾的风险特征和防范体系建设，为森林火灾防控提供科学依据。

1 遥感测绘技术的应用范围

随着遥感测绘技术的成熟，越来越多的行业将其投入实际生产工作中，借用先进的技术手段有效提高工作效率和质量，同时也在一定程度上降低了成本。目前，遥感测绘技术主要应用于以下领域。

1.1 收集图像信息

遥感技术可以应用于施工图的绘制。在进行野外遥感测绘工作之前，相关工作人员需要结合工程要求、规范和标准、外部环境因素和天气因素等诸多条件，对遥感测绘工作路线、飞行参数等指标进行规划设计，并进行一定的试飞，将指标调整到合适的状态。当卫星进入工作状态时，尽管设备本身配备了有效的控制系统，但仍需要相关工作人员对其进行监控，以确保卫星的正常运行。在森林火灾工作中，遥感技术可以为测绘区域中识别的地面对象生成矢量数据，以确保位置信息的准确性[2]。此外，遥感测绘技术还可以生成3D 模型。数据处理系统用于直接计算和处理输入数据，并高精度地导出三维模型，为工程领域的后续工作步骤提供了强有力的技术支持。

1.2 低空作业

卫星技术在低空作战中的应用，主要是由于某些地区的自然环境复杂，人类难以到达，或者通过人工手段完成任务的高风险因素。此外，由于一些山区的空气流动性强，高空作业会降低卫星工作的稳定性，密集的云层不利于卫星的高空数据采集。在这些情况下，卫星可用于执行低空作战。通过设置参数和飞行路线，卫星可以以更放松的姿态在安全的环境中更好地完成任务。

2 森林火灾要素风险分析

森林火灾的3 个要素是火源、可燃物和气象环境。森林火灾的成因比较复杂，主要涉及自然和社会因素，相关因素直接或间接影响火灾的3 个要素引发火灾[3]。

2.1 可燃风险分析

可燃物质是森林生态系统的基本组成部分，是森林火灾发生和燃烧的物质基础。与一般森林资源相比，城市森林可燃物较少。主要有两个原因：城市的森林资源是人工造林，发展较晚，林区可燃物较少。这是因为城市的森林资源稀缺，林业基础薄弱。进入21 世纪以来，市政府投入大量资金，推进大型公园、市级重点生态公益林项目和经济果林建设，林业进入快速发展期。因此，城市的森林资源主要集中在中幼林，森林总蓄积量仍处于较低水平，可燃物总量不高。然而，近年来，随着林业的快速发展和城市林业自然管理的逐步实施，森林燃料的积累逐渐增加，由此产生的火灾风险也逐渐增加。

2.2 气象环境风险分析

气象环境是森林火灾发生和发展的环境条件。有许多气象要素与森林火灾的发生和发展有关，包括温度、风、湿度、降水和各种天气现象。其中，风速是诱发森林火灾的关键因素，也是导致森林火灾蔓延的重要气象因素。根据相关研究，城市发展和建设的强度对气候有重大影响。就城市空间变化而言，湿度和风速通常表现为从市中心区域向周围区域增加[4]。基于上述分析，与其他地区相比，森林火灾及其蔓延的风险较低。

2.3 火源风险分析

火源是森林火灾发生的关键因素。在可燃物和气象环境条件下，一个小的点火源会引发火灾。森林的特点是资源斑块零碎，人与森林的联系紧密。由于森林城市化程度高，人口、企业和经济高度发达和集中，森林资源可及性高，人们在森林内或附近活动高度密集，吸烟、垃圾焚烧、电线和住宅火灾等人类生产活动频繁。森林受到的威胁越来越严重，已成为森林火灾的主要风险。

3 实时火灾监控预警

森林火灾发生后，实时监测和分析火灾动态，有利于缩短响应时间，及时有效地开展扑救和控制火势蔓延，减少森林火灾造成的损失。卫星遥感技术弥补了地面巡逻、望塔等传统方法的不足，提高了森林火灾动态监测的效率。热异常是森林火灾发生和燃烧监测的典型特征。遥感卫星搭载的热红外传感器对地表热异常非常敏感，可以根据卫星数据所代表的热异常信息，监测森林火灾的发生和燃烧状态，为及时发现和扑灭森林火灾提供数据支持。目前，卫星遥感监测森林火灾的研究主要集中在火灾探测和燃烧动态监测方面。

3.1 火点检测

根据维恩位移定律，辐射能量随黑体温度的升高而增加，最大辐射值向短波方向移动。实验研究证实，森林火灾辐射的峰值波长约为3.7μm，而表面温度变化在11μm 左右更为明显。因此，配备中红外波段（波长3～5μm）和远红外波段（波段10～13μm）传感器的遥感卫星可用于森林火灾探测。基于卫星遥感光谱特征构建点火检测算法是点火检测的主要方法。根据检测特性的不同，分为亮度-温度特性检测方法和反射特性检测方法。亮度温度特性检测方法基于中红外和远红外波段中燃烧像素和非燃烧像素之间的亮度温度差，并结合它们在可见光和近红外波段中的反射特性来确定燃点，适用于MODIS、Himawari-8 和其他中红外和远红外波段的卫星数据。反射特性检测方法主要基于短波红外中燃烧像素和非燃烧像素之间的反射率差，并结合可见光和近红外波段之间的反射率差异，适用于LandsatTM/ETM+、LandsatOLI/TIRS 等具有短波红外波段数据的卫星。基于近红外和短波红外波段中高温燃点的光谱特征，利用Landsat8 数据，结合改进的归一化燃烧指数和短波红外高温燃点峰值关系。结果表明，与传统算法相比，亮度-温度检测方法在火灾提取精度上有很大提高。

3.2 燃烧动态监测

森林火灾的发生和蔓延具有很强的时效性，受气象、地形等因素的影响，很难判断火灾的发展。遥感卫星搭载的传感器对地表热环境非常敏感，能够快速捕捉森林火灾燃烧的动态变化，有助于在短时间内确定森林火灾的发展态势。一方面，利用卫星图像提取火线轮廓及其具体参数，以达到监测森林火灾燃烧动态的目的。在低空间分辨率的热红外通道中，森林火灾只表现出点的特征，而在中高空间分辨率的卫星图像中，火线的特征很好。另一方面，利用数学方法和遥感数据，根据森林火灾蔓延形式，结合气象、地形、可燃物等影响因素，选择合适的森林火灾蔓延模型。地表火灾描述了可燃物质在森林表面的燃烧，约占所有森林火灾的94%。因此，地面火灾蔓延模型是研究最广泛的模型。地表火蔓延模型有多种类型，包括基于能量守恒定律的物理机制模型Rothermel 模型，以及由多点燃烧试验得出的半机制和半统计模型，如澳大利亚的McArthur 模型、加拿大的森林火蔓延模型和王正飞模型。然而，每种模型在参数和适用可燃物的选择上都有局限性，因此在实际应用中需要适当调整参数。中国学者主要改进了Rothermel 模型和王正非模型，并将其应用于中国森林火灾蔓延的研究。通过比较传统的Rothermel 模型、具有重新估计参数的Rothermal 模型和自建的Rothermel 模型，结果表明，重新估计参数的Rothermel模型和自建Rothermel 模型的预测精度与Rothermell模型相似，但自建Rothermel 模型可能更简单、更易于使用，并且可以预测地面无风条件下可燃性地表火灾的蔓延速度。

4 卫星遥感技术在森林火灾监测的应用

4.1 定点自动监测

工业化程度高，经济发达，基础设施完善，可以利用现有的气象、广播电视、塔台公司和其他基础设施，如林区和周边地区的塔台，建设高密度视频监控系统。通过视频监控和AI 分析相结合，可以对森林资源进行全覆盖监测，实现有效的自动检测和预警。为了对森林生态系统的结构和功能等动态过程进行长期观测和研究，建设了12 个长期定位观测站（点）。森林火灾监测站（点）可用于设置视频监控，通过AI 分析技术自动开展重点监测预警、森林资源和重要源头点的智能识别，及时收集预警信息。

4.2 机载预警和监测

通过卫星遥感技术，高分辨率卫星可以实现对环境因素、火源因素和可燃因素的监测和预警，并结合数学建模、大数据技术、气象数据、地表植被、森林火灾风险等级预测、森林火灾危险性等级预测、历史火灾信息和其他地表参数数据。森林火灾现象可以通过叠加树种结构、地形、森林自然性、地表可燃水含量等因素进行监测和预警，从而实现小规模森林火灾风险等级预测。已建成大数据中心，可以有效收集、传输和处理数据。可以在大数据平台的基础上构建森林防火子系统，通过空中和空中监测和网络传输，引入热红外、近红外和高分辨率遥感等森林监测数据。结合气象卫星的大规模遥感数据，可以对森林资源、火源和人员活动进行监控实现森林火灾的宏观和微观综合监测预警。

4.3 地面机动巡逻

森林资源主要由各级造林、生态廊道造林、水土保持公益林等组成，在造林作业的同时，分别配备管护队伍。因此，通过向森林和造林巡逻队分配防火巡逻和监测职责，可以建立一支科学合理的地面巡逻队。通过科学设置固定巡逻路线、临时巡逻路线和时钟点，结合手持监控设备和移动APP，科学分配护林巡逻任务，开展森林防火系统巡逻，将防火巡查责任落实到具体管护区域和管护人员，加强对森林火灾高发期和高发区域的实时监测，做好疑似火灾的早期发现、早期救援。

4.4 卫星遥感技术的应用建议

卫星遥感为森林火灾监测提供技术支持，在森林火灾预测、扑救和灾后评估中发挥着重要作用。中国学者对利用卫星遥感技术监测森林火灾的研究越来越深入。结合卫星遥感技术、航空遥感技术以及地面和近地面监测技术，在森林火灾发生之前、期间和之后的3 个阶段进行了大量的研究和探索。然而，卫星遥感技术在森林火灾监测中的应用仍存在一些问题。用于森林火灾监测的卫星数量在增加，但很少有卫星能够同时集成高时间分辨率、高空间分辨率和高光谱；卫星数据处理方法多种多样，但每种方法的数据处理质量难以衡量；地形、植被和气象因素对卫星遥感监测森林火灾的影响仍然很大[5]。因此，针对目前卫星遥感技术在森林火灾监测中的不足，对其未来在森林火灾监控中的研究提出以下建议。

（1）提高遥感卫星的时空分辨率。增加用于森林火灾监测的高分辨率气象卫星数量，增加高分辨率卫星在森林火灾监测中的应用和研究，丰富火灾监测卫星数据源，提高数据质量，计算各种植被指数和模型参数，为准确快速预测森林火灾提供基础数据支持，分析和战斗。

（2）结合大数据、人工智能和遥感技术监测森林火灾。将人工智能和卫星遥感技术相结合，开发一种新的监测技术系统，可以分担人工压力。深度学习、机器学习等技术结合卫星遥感技术监测森林火灾已经开始发展，这也是未来森林火灾监测的一个新方向。

（3）建立成熟的森林火灾监测系统。林业遥感监测系统缺乏海量遥感数据处理技术和计算资源的支持，高分辨率卫星遥感数据在林业调查和监测业务中的应用受到限制，这严重影响了应用系统的规范运行。因此，尽快建立一套完整的森林火灾卫星遥感评价体系，对今后森林火灾监测和研究具有重要意义。

5 结语

当前，卫星遥感测绘技术在森林火灾领域中的应用已经非常广泛和成熟，是当下森林火灾风险预警工作中的首选技术手段之一，因其具有高效率、高准确度及成本低廉等优势，在森林火灾领域广受好评。但同时，卫星遥感测绘技术在实际应用中仍存在一些亟待解决的问题，还需要相关工作单位加大研究力度，充分挖掘卫星遥感技术的应用优势，解决当前暴露出的应用问题，让卫星遥感测绘技术在今后为森林火灾风险预警中提供更多的帮助。