高分卫星助力云南省森林防火监测与评估应用

文｜陈晨 王力 杜新 李雁 李卫海 包娅萍 王艳英 邵妍妍

1.云南省国防科技工业局综合研究所（高分辨率对地观测系统云南数据与应用中心）2.国家国防科工局重大专项工程中心3.北京航天泰坦科技股份有限公司

一、前言

云南属山地高原地形，山地面积33.11 万平方千米，占全省国土总面积的84%，是中国的主要林区，同时也是中国重要的森林资源基地之一。2015 年以来，云南省森林资源加速增长，森林覆盖率增加了9.34 个百分点，高达65.04%，森林面积达到23.93 万平方千米，居全国第二位，森林蓄积量达到20.67 亿立方米，居全国第三位，是名副其实的“千山之省”。云南还是我国物种丰富度最高的省区之一，动物种类数为全国之冠，也是全国植物种类最多的省份，丰富的森林资源和物种资源让防火工作面临巨大压力。森林火灾是全球最主要的自然灾害之一，由于森林是极难控制的天然火灾源，对森林防火的要求更高，森林火灾一旦发生，不仅会给生态环境和人民生命财产造成巨大损失，还会对国民经济发展带来不利影响。目前，我国森林火灾的发生具有明显的季节性特征。每年的3—9 月是我国森林火灾易发、高发期，其中3—4 月又是我国森林防火期内高火险时段[1]。同时，由于南方多雨湿热气候的影响，山火发生前往往会有较多积雨云覆盖，使得山火易发、难控、易成灾。森林防火工作具有复杂性和艰巨性，是确保森林资源和生态安全的重要保障，也是生态环境保护工作的重要组成部分。

火灾发生后必须尽快采取应急措施，针对林火易发生的时段和区域，做到早发现、早处置，防止生命、财产的意外损失和环境的破坏。加强灾后评估和管理，逐步完善森林灾害的全过程监控机制，利用高科技手段提高森林火灾的预防和预警、分析和决策、规划和调度，为森林消防赢得宝贵的时间，最大限度减少损失，是森林防火发展的必然趋势。目前，云南省森林防火工作多采用视频监测、远程广播、巡护值守等结合的模式。本文以高分卫星遥感森林防火监测系统及应用为切入点，介绍了高分辨率对地观测系统云南数据与应用中心（以下简称“云南高分中心”）在森林防火监测与评估方面的探索与尝试。

二、森林防火遥感监测需求

云南省丰富的森林资源、多样的气候条件、复杂的地形地貌和近年来快速发展的社会经济带来的资源消耗、生态压力越来越大，致使森林火灾频发、火险气象等级居高不下，森林防火工作依然面临严峻挑战。目前，我国森林防火工作存在森林防火基础设施建设薄弱、监测手段落后、预警能力不强、应急响应能力不足等问题。

随着现代科学技术的发展，卫星遥感技术作为一种重要的空间观测技术，已成为林火监测和扑救工作中不可或缺的技术手段之一。《云南省数字政府建设总体方案》中提到，聚焦资源管理、森林草原防火等监测，构建卫星遥感、低空巡航、视频监控、定点观测、地面巡护一体化的生态物联网综合监测控体系，不断提升林草资源监测能力。高分卫星具有全天候、全天时、高空间分辨率和高光谱分辨率的特点，具有覆盖范围广、采集速度快、成本低等优势[2]，可应用于城市森林防火监测[3]、森林火险预警[4]和扑救等方面，为森林火灾监测提供全新途径。利用高分卫星遥感、云计算、大数据、人工智能等现代信息技术，建立高分卫星遥感森林防火监测系统，提升林火卫星遥感预警监测业务应用能力，使其具有高效、高精度的生成林火预警监测专题产品的能力，进而形成“高分卫星数据获取—火情产品生产—火情信息共享服务”的业务流程，有助于森林火险的科学预防、扑救与灾后恢复重建。

三、森林防火监测系统建设

1.云南省森林防火监测系统建设情况

近些年来，高分云南中心依据数字林业总体建设方案的规划部署，全面加快全省各地林草感知“一张网”及森林防火监测系统建设，基于国产自主高分遥感数据、基础地理数据、无人机数据、实时视频监控数据、森林资源数据、森林火灾历史数据，重点从卫星遥感视频监控联查、GIS 与视频监控和护林员指挥调度联动等方面进行研制，实现并突破3S 技术与视频监控技术的融合应用，形成以视频监控为主，融合卫星监测、无人机监测、人工巡护的“空、天、地、人”立体化的森林防火预警监测体系。目前，已有多个州、市完成森林防火监测系统建设并投入使用，该系统的运用为云南森林防火工作提供数字化赋能，在提升火情处置能力，协助做好火情早发现、早报告、早处置，实现森林草原火灾的“打早、打小”方面产生了积极作用，切实为森林防火工作的高效、有序开展夯实基础。其中，卫星林火监测应用依托多源高分辨率卫星，同时整合森林防火相关数据与应用，开发出卫星林火热点视频核查系统，实现卫星林火监测与视频监控、护林员端移动巡检的有机结合，真正建立天地一体化森林火灾监测体系，进一步扩大数据采集范围，提高森林火灾监测覆盖率，提升预防和控制森林火灾的综合能力。

2.高分卫星遥感森林防火监测系统

高分卫星遥感森林防火监测系统基于高分一号、高分四号等卫星数据，采用实时数据传输、分析、反馈，为云南提供了火点监测预警、时段火情查询、短信自动推送、区域气象实况等服务，实现林火“识别—预警—定位—分析—处置”的业务流程，提供卫星热点实时接收、卫星林火地理定位、卫星林火报警通知推送、卫星林火警报处理、卫星历史火情管理、卫星热点视频核查等功能应用，其最大优势是对大面积森林的无死角、全天候、实时监控，不仅可以及时发现早期林火，特别是边远地区和人烟稀少地区的林火，还可以对已发现的林火，特别是重大林火蔓延情况进行连续跟踪监测，为扑火救火工作提供辅助决策，也可以为日常森林防火及航空护林提供气象、地理信息。

四、森林防火遥感应用

1.数据源

《国家综合防灾减灾规划（2016—2020 年）》明确指出，在重点区域开展“天空地”一体化综合应用示范，带动区域和省级卫星减灾应用能力发展。建立卫星减灾应用信息综合服务平台，具备产品定制和全球化服务能力，为我国周边及“一带一路”沿线国家提供灾害遥感监测信息服务。利用高分一号、高分六号卫星大幅宽、高分二号卫星高空间分辨率、高分四号卫星高时间频次动态实时等优势，开展火灾近实时跟踪监测，为森林火灾预防监测研究工作提供重要数据来源，可应用于森林火灾智能预警、动态监测、灾损评估等。

2.应用

（1）森林火灾智能预警

通过卫星遥感林火监测，进行大面积、常态化、持续性监测，有效弥补林火视频监测覆盖率不足的问题，根据火点位置近实时模拟火灾的传播方向和蔓延速率，为火灾的救援提供科学指导。强化卫星遥感、大数据、云计算、物联网等技术融合创新应用，加强综合监测预警系统建设，提高预报预警时效性准确性[5]。

（2）森林火灾动态监测

高分卫星结合3S 技术、物联网、工业互联网、视频识别、5G 等技术，可提高灾害事故监测感知能力[6]，实时获取卫星覆盖区域内的火点数据，对火点位置进行高精度定位和监控，对火点态势进行及时探测和监测，实现融合应用与动态监测。

2020 年3 月27 日丽江市宁蒗县红桥镇，3 月29日香格里拉市虎跳峡镇金星村、丽江市玉龙县九河乡、大理州鹤庆县草海镇，3 月30 日大理州宾川县拉乌乡碧鸡村委会小龙潭村等多地相继发生森林火灾。通过高分四号卫星影像可以清晰看到火灾发生的着火点及烟雾蔓延情况，及时提供给相关指挥决策部门，为火情扑救及灾后评估提供信息支撑（图1-2）。

图1 丽江市、大理市、香格里拉市高分四号火灾点及烟雾扩散情况监测

图2 香格里拉市高分四号火灾点及烟雾扩散情况监测

（3）森林火情灾损评估

基于高分卫星数据，获取过火区边界，并实现灾情分级、灾情统计分析、计算受灾面积和蓄积、灾情统计报表生成，辅助灾损评估和恢复评估。

2020 年3 月30 日18 时许，云南省昆明市禄劝县翠华镇烂泥箐突发森林火灾。森林火灾发生后，地物的光谱特征与火灾前存在较大差异，受灾地物颜色会变暗，利用大幅宽、高时间、高空间分辨率高分一号、高分六号卫星对火灾发生区域进行观测，快速实现火灾前后信息识别与评估，提取受灾面积（图3）。

图3 禄劝县翠华镇受灾情况监测

（4）森林防火监测系统

高分卫星遥感森林防火监测系统可实现对卫星遥感林火热点数据的实时接收、监测管理，24 小时不间断地搜索用户地区范围内的火情实时监测数据，进行大面积、常态化、持续性监测，每10 分钟完成一次全圆盘观测，火点判识平均精度保持在85%以上。同时，对卫星热点进行电子地图位置标注，根据卫星热点位置信息，自动反选监控范围内的所有视频设备，从不同视线角度对卫星热点位置进行视频联动核查、火情态势持续追踪（图4）。

图4 高分卫星遥感森林防火监测系统应用

五、结语

在森林防火中科学合理地引入与应用遥感技术，可以显著提升林火预测结果准确度、森林火灾灾情扑灭效率以及森林火灾灾情后评价的合理性[7]，有助于为后续森林防护提供科学的理论依据和指导。高分卫星森林防火监测分析与应用具有较高的精度和时效性，为防火工作提供决策支持，同时助力建设传统调查与现代技术相结合的天、空、地一体化，点、线、面多尺度，“资源—生态环境—工程—灾害”综合的森林火灾立体监测技术体系，全面提升国家森林资源监测、林火预警、林火灾害监测和评价的水平，是推进森林防火工作的一项重要措施，对森林火灾监测预警工作的意义重大，有利于推动全国应急管理部门信息化跨越式发展，为自然灾害防治、生产安全事故预防、应急管理能力提升等提供有力支撑，切实保护人民群众生命财产安全和国家安全。