李家國(guó) 顧行發(fā) 余 濤

(中國(guó)科學(xué)院 遙感應(yīng)用研究所,北京 100101)

魏 斌

(環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100029)

澳大利亞?wèn)|南部森林山火 HJ衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)

李家國(guó) 顧行發(fā) 余 濤

(中國(guó)科學(xué)院 遙感應(yīng)用研究所,北京 100101)

魏 斌

(環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心,北京 100029)

以 2009年 2月發(fā)生在澳大利亞?wèn)|南部的森林山火為研究對(duì)象,利用 HJ-1B遙感影像識(shí)別森林山火,分析 HJ-1B在林火災(zāi)害事故中的監(jiān)測(cè)能力,通過(guò)對(duì) HJ-1B IRSB07設(shè)計(jì)參數(shù)及數(shù)據(jù)特點(diǎn)進(jìn)行分析,提出適用于 HJ-1B衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)的歸一化火點(diǎn)指數(shù)(Ku)算法.研究表明:Ku值大于 0.40為潛在可能的火點(diǎn)像元,云耀斑和地表虛假高溫點(diǎn)是影響林火監(jiān)測(cè)的主要噪聲.由于 HJ-1B沒(méi)有獲取到研究區(qū)域未著火前的影像數(shù)據(jù),利用 MODIS(Moderateresolution Imaging Spectroradiometer)空間分辨率為 250m的通道 1和通道 2計(jì)算植被指數(shù),其結(jié)果能較好的應(yīng)用于 HJ-1B林火監(jiān)測(cè)算法中.通過(guò)對(duì)比分析 HJ-1B林火監(jiān)測(cè)結(jié)果和 MODIS林火產(chǎn)品 MOD14認(rèn)為,HJ-1B能更好的監(jiān)測(cè)出澳大利亞?wèn)|南部森林火災(zāi),反映出火災(zāi)的局部空間分布和細(xì)節(jié)特征.

遙感環(huán)境應(yīng)用;森林火災(zāi)監(jiān)測(cè);歸一化火點(diǎn)指數(shù);維多利亞

2009年 2月發(fā)生在澳大利亞?wèn)|南部的森林山火,造成 180多人傷亡,在林火災(zāi)害救助的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,需要對(duì)遙感影像進(jìn)行定量化的研究,從遙感影像中提取著火點(diǎn)的準(zhǔn)確位置以便消防滅火和居民轉(zhuǎn)移.目前,針對(duì)林火監(jiān)測(cè)的定量應(yīng)用研究,多以國(guó)外的 MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer)和AVHRR(Advanced Very High Resolution Radiometer)數(shù)據(jù)為主,如文獻(xiàn)[1]利用 AVHRR第 3,4通道研究了簡(jiǎn)易的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)算法[1-2],文獻(xiàn)[3]利用 MODIS數(shù)據(jù)研究了火點(diǎn)監(jiān)測(cè)的相對(duì)地表亮溫法,文獻(xiàn)[4]對(duì) AVHRR多種火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行比較分析,文獻(xiàn)[5]研究了亮溫-植被指數(shù)法等.由于我國(guó)環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)小衛(wèi)星星座(簡(jiǎn)稱(chēng)“HJ-1”)在軌運(yùn)行時(shí)間短,全球成像能力較弱,以及在軌運(yùn)行期間的林火發(fā)生數(shù)量的制約,HJ-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)的林火監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究尚未發(fā)展成熟.另外,由于 HJ-1衛(wèi)星傳感器和 MODIS及 AVHRR傳感器在波譜寬度、等效波長(zhǎng)和通道響應(yīng)函數(shù)等方面的差異,以及通道條帶噪聲的影響,致使現(xiàn)有的其它傳感器算法不宜直接使用,需要根據(jù) HJ-1衛(wèi)星的實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn).

文中基于 HJ-1B衛(wèi)星數(shù)據(jù),參考 MODIS及AVHRR林火監(jiān)測(cè)算法,研究適合于 2009年 2月發(fā)生在澳大利亞?wèn)|南部的森林山火的定量反演算法,并對(duì)反演出的林火產(chǎn)品與 MODIS的火點(diǎn)產(chǎn)品MOD14進(jìn)行了比對(duì)分析與驗(yàn)證,以期獲得適用于HJ-1B衛(wèi)星的我國(guó)森林防火需求的林火監(jiān)測(cè)算法.

1 HJ-1衛(wèi)星和研究區(qū)介紹

HJ-1衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)為 2顆光學(xué)衛(wèi)星和 1顆雷達(dá)衛(wèi)星的組合,其中編號(hào)為 A(簡(jiǎn)稱(chēng)“HJ-1A”)和 B(簡(jiǎn)稱(chēng)“HJ-1B”)的兩顆光學(xué)衛(wèi)星已于 2008年 9月發(fā)射升空.HJ-1B載荷為兩臺(tái)光學(xué) CCD傳感器和一臺(tái)紅外成像儀 IRS,其參數(shù)如表 1所示.

表 1 HJ-1B CCD/IRS傳感器參數(shù)設(shè)置

澳大利亞?wèn)|南部森林山火發(fā)生區(qū)域主要為沿海地區(qū),經(jīng)緯度范圍為 (36°～39°S,144°～148°E).林火發(fā)生時(shí),該區(qū)正處于南半球的夏季,植被生長(zhǎng)茂盛、覆蓋度大,天氣炎熱,空氣干燥,林火燃燒了 1個(gè)多月,最終在連續(xù) 2天的大雨之后,3月 14日全部熄滅.由于 HJ-1衛(wèi)星以我國(guó)領(lǐng)域?yàn)橹饕O(jiān)測(cè)對(duì)象,受獲取到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的影響,研究時(shí)間選擇從 2月 8日到 2月 14日.

2 森林山火識(shí)別原理與方法

2.1 遙感識(shí)別原理

地表常溫溫度在 300 K左右,林火的火焰溫度更可達(dá) 1000K左右.根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律和維恩位移定律(如式(1)所示),只要黑體溫度有很小的變化,在輻射總量與溫度的四次方成正比的關(guān)系下,就會(huì)引起輻射的很大變化,火焰高溫?zé)嵩吹臏囟雀鼘?huì)引起輻射的急劇變化,這種變化使得山火的監(jiān)測(cè)變得可能,地表常溫對(duì)應(yīng)的輻射峰值 λmax在 11.0μm左右,林火對(duì)應(yīng)的輻射峰值 λmax在 3～5μm左右,HJ-1B B07和 B08正位于這兩個(gè)譜段區(qū)域.

式中,M為黑體的總輻射出射度,W/m-2;λmax為輻射強(qiáng)度最大的波長(zhǎng),μm;T為物體的溫度,K;σ和 A為常數(shù),分別取值 5.6697×10-8W/(m2·K4)和2898μm·K.

HJ-1B在 10～14μm的大氣窗口內(nèi)是寬的單通道(B08),中紅外是窄通道(B07),且通道 B07數(shù)據(jù)伴有嚴(yán)重的條帶噪聲,B08表觀輻亮度平均值是B07的 10倍左右,局部區(qū)域甚至更高達(dá)二個(gè)數(shù)量級(jí).通過(guò)將 B07和 B08數(shù)據(jù)進(jìn)行有效值歸一化處理提高了信息的識(shí)別能力,抑制了條帶噪聲.從中紅外通道中扣除由于地表背景熱輻射而產(chǎn)生的相對(duì)輻射亮度影響,設(shè)置恰當(dāng)?shù)幕瘘c(diǎn)指數(shù)閥值,即可識(shí)別出林火,采用歸一化后的相對(duì)差值更利于閾值設(shè)置的穩(wěn)定性.HJ-1B森林山火監(jiān)測(cè)歸一化火點(diǎn)指數(shù)法(Ku)如下式所示.

式中,L為通道的表觀輻射亮度,W/(m2·sr·μm);M為通道有效數(shù)據(jù)區(qū)域的表觀輻射亮度均值函數(shù),W/(m2· sr· μm);Bi為第 i通道標(biāo)識(shí).

2.2 識(shí)別方法

山火監(jiān)測(cè)技術(shù)流程如圖 1所示.

圖1 林火監(jiān)測(cè)技術(shù)流程

2.2.1 空間配準(zhǔn)及重采樣

將空間分辨率 300m的 B08通道采用雙線性插值法采樣成與 B07空間分辨率 150m相同大小.手動(dòng)配準(zhǔn)不同軌道號(hào)的 CCD數(shù)據(jù)與 IRS數(shù)據(jù).

2.2.2 歸一化火點(diǎn)指數(shù) Ku計(jì)算

以位置點(diǎn)(37°36′38.52″S,145°47′26.69″E)作為 Ku研究樣例,得到各景影像的閾值如表 2所示.Ku值的分布在 0.40～0.45之間,為最大可能的監(jiān)測(cè)出潛在火點(diǎn)的可能性,將閾值設(shè)定為0.40,即滿(mǎn)足 Ku≥0.40即為潛在可能火點(diǎn)像元.

表 2 不同產(chǎn)品號(hào)影像數(shù)據(jù)火點(diǎn)監(jiān)測(cè)閾值

2.2.3 云檢測(cè)

云層的存在會(huì)阻止林火信息的穿透,并且由于云在中紅外譜段的高反射特性,可能會(huì)在 B07通道產(chǎn)生耀斑作用,形成虛假的高溫點(diǎn).云在可見(jiàn)光和近紅外波段的反射率較高,而在熱紅外波段的亮度溫度一般較低[6-8],因而,結(jié)合云在近紅外和熱紅外波段的不同光譜特征,可采用下式來(lái)檢測(cè)受云影響的區(qū)域.

2.2.4 虛假火點(diǎn)剔除

只有植被地區(qū)才有可能發(fā)生林火,但白天裸土的地表亮度溫度在夏季可以達(dá)到 50℃以上,較易在影像上形成虛假的高溫點(diǎn).HJ-1B沒(méi)有獲取未著火前的遙感影像,但 HJ-1B B07和 B08空間分辨率與 MODIS B01和 B02的 250m空間分辨率較接近,因此,以 MODIS B01,B02按下式計(jì)算歸一化植被指數(shù) NDVI(Normalized Difference Vegetation Index):

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證與分析

為了比對(duì)分析 MOD14產(chǎn)品結(jié)果和本文監(jiān)測(cè)結(jié)果,分別將 MOD14產(chǎn)品結(jié)果和本文監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行空間聚類(lèi),并根據(jù) MOD14產(chǎn)品的林火空間離散情況,選擇第 18層空間聚類(lèi)結(jié)果(如圖 2和圖 3所示)進(jìn)行逐一對(duì)應(yīng)分析,表 3為逐一對(duì)應(yīng)結(jié)果.

圖2 2月 16日 MOD 14林火產(chǎn)品空間聚類(lèi)分析

圖3 2月 16日 HJ-1B林火監(jiān)測(cè)結(jié)果空間聚類(lèi)分析

綜合圖表可知:

1)HJ-1B IRS林火監(jiān)測(cè)結(jié)果和 MODIS林火產(chǎn)品在空間分布上一致,MODIS火點(diǎn)產(chǎn)品中的林火像元在 HJ-1B監(jiān)測(cè)結(jié)果上均有對(duì)應(yīng)像元,沒(méi)有發(fā)生漏監(jiān)的現(xiàn)象;

2)MODIS一個(gè)火點(diǎn)像元對(duì)應(yīng)著多個(gè) HJ-1B火點(diǎn)像元,這些 HJ-1B的火點(diǎn)像元在空間上有可能相鄰,也有可能離散,且火點(diǎn)個(gè)數(shù)之間沒(méi)有穩(wěn)定的比值關(guān)系.例如,MOD14中編號(hào) 17類(lèi)的火點(diǎn),在 MOD14上是相鄰的兩個(gè)火點(diǎn)像元,而在 HJ-1B監(jiān)測(cè)結(jié)果上是兩簇相離的火點(diǎn) p類(lèi);

3)HJ-1B 300m的空間分辨率能更好地監(jiān)測(cè)出林火的局部空間分布和細(xì)節(jié)特征.相對(duì)于 MODIS數(shù)據(jù) 1個(gè)像素范圍內(nèi)(星下點(diǎn)約 1km2)離散的林火分布,HJ-1B高分辨率數(shù)據(jù)在林火監(jiān)測(cè)中具有更大的潛在應(yīng)用價(jià)值;

4)在 HJ-1B數(shù)據(jù)中監(jiān)測(cè)出來(lái)的局部個(gè)數(shù)較少的火點(diǎn),在 MODIS傳感器中由于空間分辨率的關(guān)系而無(wú)法監(jiān)測(cè)出來(lái),如圖 3中編號(hào) r類(lèi)的火點(diǎn),在 MOD14中并無(wú)對(duì)應(yīng)火點(diǎn)像元.

表 3 MOD 14產(chǎn)品結(jié)果與 HJ-1B監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)應(yīng)表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析 HJ-1B影像數(shù)據(jù)特點(diǎn),提出適用于澳大利亞?wèn)|南部森林山火監(jiān)測(cè)的歸一化的火點(diǎn)指數(shù)法(Ku),對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證表明 Ku指數(shù)能很好的識(shí)別出林火,但云覆蓋是影響林火信息能否被監(jiān)測(cè)出的主要干擾因素.

文中算法以 2009年 2月發(fā)生在澳大利亞?wèn)|南部的森林山火對(duì)研究對(duì)象,識(shí)別效果較好,但由于區(qū)域性差異,該算法在中國(guó)及亞洲地區(qū)的適用性有待于進(jìn)一步研究與分析.

致 謝感謝環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心為本文研究提供所需的 HJ-1B衛(wèi)星數(shù)據(jù).

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(編 輯 :婁 嘉)

Detection of Australian southeast forest fire using HJ satellite

Li Jiaguo Gu Xingfa Yu Tao

(Institute of Remote Sensing Applications,Chinese Academy of Science,Beijing 100101,China)

Wei Bin

(Satellite Environmental Application Center,Ministry of Environmental Protection,Beijing 100029,China)

By detecting forest fire happened in Australian southeast from remote sensing imagery to demonstrate the application ability of HJ-1B satellite in disaster.After analyzing the character of HJ-1B IRS B07 system parameters and data trait,a normalized forest fire index,Ku,was constructed.Pixels are potential fore fire points where Kuare greater than 0.40.Cloud dazzling points and surface high-temperature points are the main noises disturbing the fire point detection.MODIS 250m spatial resolution band 1 and band 2were used to get normalized difference vegetation index(NDVI)for the lack of HJ-1B data earlier than the fire happened date and its results are suitable for the forest fire detection.The compare of detection results by HJ-1B and moderate-resolution imaging spectroradiometer(MODIS)fire product,MOD14,shows that HJ-1B is better than MOD14 on presenting fire spatial structure for the reason of its higher spatial resolution,300m.

remote sensing-environmental app lications;forest fire detection;unitary fire index;Victoria

S 719;TP 79

A

1001-5965(2010)10-1221-04

2009-08-10

863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA 12Z113);中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向資助項(xiàng)目(kzcx2-yw-303);國(guó)防科技工業(yè)民用專(zhuān)項(xiàng)科研技術(shù)研究資助項(xiàng)目(07K 00100KJ)

李家國(guó)(1982-),男,安徽巢湖人,博士生,jacoli@126.com.