李亞君，鄭 偉，陳 潔，劉 誠(chéng)

(中國(guó)氣象局 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081)

氣象衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測(cè)應(yīng)用

李亞君，鄭 偉，陳 潔，劉 誠(chéng)

(中國(guó)氣象局 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081)

對(duì)氣象衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測(cè)應(yīng)用進(jìn)行了研究。介紹了用中紅外和遠(yuǎn)紅外通道火點(diǎn)像元亮溫與背景差異對(duì)火情進(jìn)行監(jiān)測(cè)的原理，以及可用于監(jiān)測(cè)的主要衛(wèi)星儀器。給出了極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星的火點(diǎn)判別方法，包括亞像元火點(diǎn)面積與溫度、燃燒輻射功(FRP)的火點(diǎn)強(qiáng)度估算方法，以及過(guò)火區(qū)面積估算和影響評(píng)估方法。氣象衛(wèi)星火點(diǎn)監(jiān)測(cè)精度用人工火場(chǎng)衛(wèi)星同步觀測(cè)和用高分辨率陸地衛(wèi)星對(duì)火點(diǎn)監(jiān)測(cè)兩種方法進(jìn)行驗(yàn)證。介紹了風(fēng)云三號(hào)(FY-3)等氣象衛(wèi)星在防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、氣候影響評(píng)估等中的應(yīng)用，包括森林草原火情監(jiān)測(cè)和過(guò)火區(qū)估算、森林草原火險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測(cè)及過(guò)火區(qū)面積估算、生物量燃燒引起的煙霾天氣監(jiān)測(cè)、干旱等氣候事件對(duì)森林火災(zāi)的影響、全球野火監(jiān)測(cè)等。展望了未來(lái)氣象衛(wèi)星在火情監(jiān)測(cè)中的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。

氣象衛(wèi)星； 火情監(jiān)測(cè)； 火點(diǎn)判識(shí)； 強(qiáng)度估算； 過(guò)火評(píng)估； 森林草原

0 引言

森林草原火災(zāi)是破壞森林草原資源的重要災(zāi)害，具有突發(fā)性強(qiáng)、影響范圍大、造成損失嚴(yán)重等特點(diǎn)。氣象衛(wèi)星觀測(cè)范圍寬廣，頻次較密，探測(cè)信息豐富，是監(jiān)測(cè)森林草原火災(zāi)的重要手段。20世紀(jì)80年代初，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的研究和應(yīng)用[1]。在1987年?yáng)|北大興安嶺特大森林火災(zāi)中，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心利用氣象衛(wèi)星對(duì)大火進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)，向撲火指揮部提供了大量氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)信息，在撲火中發(fā)揮了重要作用[2]。多年來(lái)，根據(jù)森林草原防火工作需求，國(guó)內(nèi)外提出了多種氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)方法，在火點(diǎn)判識(shí)、火點(diǎn)強(qiáng)度估算、過(guò)火區(qū)估算和損失評(píng)估等方面的研究與應(yīng)用不斷深入。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著新一代極軌氣象衛(wèi)星FY-3衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)行，我國(guó)氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)應(yīng)用更深入，并向生態(tài)環(huán)境、氣候變化、電力設(shè)施保護(hù)等領(lǐng)域擴(kuò)展，同時(shí)，與此有關(guān)的火點(diǎn)判識(shí)自動(dòng)化、多源衛(wèi)星遙感過(guò)火區(qū)面積估算、長(zhǎng)時(shí)間序列火點(diǎn)數(shù)據(jù)集建立等研究也在發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)在防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、氣候變化等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

本文介紹了氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)的一般原理，綜述火情監(jiān)測(cè)的部分方法，包括火點(diǎn)判識(shí)、火點(diǎn)強(qiáng)度估算、過(guò)火區(qū)面積估算和損失評(píng)估，以及火情監(jiān)測(cè)信息的驗(yàn)證等。給出了FY-3衛(wèi)星等在森林草原火災(zāi)監(jiān)測(cè)和過(guò)火區(qū)評(píng)估、森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)、秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測(cè)和過(guò)火區(qū)面積估算、森林火災(zāi)煙霧對(duì)遠(yuǎn)距離地區(qū)的影響預(yù)測(cè)、干旱等氣候事件對(duì)火險(xiǎn)等級(jí)影響等的應(yīng)用，并展望了氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 原理和衛(wèi)星儀器

1.1原理

根據(jù)維恩位移定律，物體發(fā)射電磁波的峰值波長(zhǎng)與物體溫度成反比，當(dāng)溫度升高時(shí)，輻射峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。森林草原等生物量燃燒的溫度范圍為600～1 200 K，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為2.4～4.8 μm，地表常溫(300 K)的輻射峰值波長(zhǎng)約9.6 μm。當(dāng)物體溫度從300 K升高至600 K以上時(shí)，其黑體輻射率在中紅外波段的增長(zhǎng)率較遠(yuǎn)紅外波段大1～2個(gè)量級(jí)，如圖1所示。

圖1 用普朗克公式計(jì)算的中紅外、遠(yuǎn)紅外 通道不同溫度下黑體輻射率Fig.1 Black body radiance from middle infrared band and far infrared band calculating according to Plank function under various temperature

因明火與其他地物的溫度和輻射率相差數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，故可將含明火的像元(以下簡(jiǎn)稱火點(diǎn)像元)輻亮度視作是明火區(qū)與非明火區(qū)的線性組合。用普朗克公式，對(duì)含火點(diǎn)像元與非火點(diǎn)像元的亮溫差異ΔT可表示為

ΔTi=Timix-TiB=

(1)

式中：ΔTi，Timix，TiB分別為火點(diǎn)像元與背景亮溫差異、通道i亮溫和通道i背景亮溫；Nimix，NiB分別為火點(diǎn)像元通道i輻亮度和背景輻亮度；Vi為通道i的中心波數(shù)；C1=1.191 065 965 1-5mW/(m2·sr·cm-4)；C2=1.438 833 K/cm-1。此處：

Nimix=P·Nihi+(1-P)·Nibg

(2)

式中：P為像元中明火區(qū)面積占像元面積比例；Nihi為通道i的明火區(qū)輻亮度。

當(dāng)TiB=295 K，P=0.5%時(shí)，由式(1)可得當(dāng)明火區(qū)溫度從500 K升高到1 000 K時(shí)，中紅外ΔT將從16.4 K增大到124.2 K，遠(yuǎn)紅外ΔT將從1.7 K增大到7.22 K；當(dāng)P=0.1%時(shí)，由式(1)可得當(dāng)明火區(qū)溫度從500 K升高到1 000 K時(shí)，中紅外ΔT將從4.15 K增大到63.94 K，遠(yuǎn)紅外ΔT將從0.34 K增大到1.48 K，如圖2所示。圖2中：P3，P4分別為中紅外通道和遠(yuǎn)紅外通道的P值。

當(dāng)TiB=295 K，明火區(qū)溫度Tihi分別為500，750，1 000 K時(shí)，由式(1)可得當(dāng)P從0.01%增大到1.5%時(shí)，中紅外ΔT分別從0.44 K升至35.42 K，從5.25 K升至117.2 K，從15.67 K升至182.7 K；遠(yuǎn)紅外ΔT分別從0.037 K升至5.51 K，從0.11 K 升至15.97 K，從0.2 K升至27.52 K，如圖3所示。圖3中：TH3，TH4分別為中紅外和遠(yuǎn)紅外通道的明火區(qū)溫度。

以上分析表明：即使明火區(qū)面積很小，也會(huì)引起火點(diǎn)像元中紅外通道亮溫明顯升高，造成火點(diǎn)像元亮溫與周邊非火點(diǎn)像元中紅外亮溫出現(xiàn)明顯差異，而遠(yuǎn)紅外亮溫也有升高，但差異遠(yuǎn)低于中紅外。中紅外通道的此特性可作為火點(diǎn)判識(shí)的主要依據(jù)。

圖2 不同明火區(qū)溫度下中紅外和遠(yuǎn)紅外 通道火點(diǎn)像元亮溫與背景差異Fig.2 Difference between brightness temperature and background temperature of a fire pixel from middle and far infrared channel under various active fire temperature

圖3 不同火區(qū)面積下中紅外和遠(yuǎn)紅外 通道火點(diǎn)像元亮溫與背景差異Fig.3 Difference between brightness temperature and back- ground temperature of a fire pixel from middle and far infrared channel under various active fire size

1.2衛(wèi)星儀器

目前，可用于氣象衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測(cè)的主要衛(wèi)星儀器及其特性見(jiàn)表1。由表1可知：極軌氣象衛(wèi)星空間分辨率較高，因而對(duì)火點(diǎn)探測(cè)的靈敏度相對(duì)較高，但觀測(cè)頻次較少；靜止氣象衛(wèi)星空間分辨率較低，但觀測(cè)頻次密集，可實(shí)現(xiàn)對(duì)較大范圍火場(chǎng)的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 火情監(jiān)測(cè)方法

2.1火點(diǎn)判識(shí)

2.1.1 極軌衛(wèi)星火點(diǎn)判識(shí)

早期火點(diǎn)判識(shí)方式主要是利用由中紅外、近紅外、可見(jiàn)光通道組成的多波段偽彩色合成圖的人機(jī)交互火點(diǎn)判識(shí)，該方法對(duì)局部區(qū)域有很高的判識(shí)精度[3]。隨著氣象衛(wèi)星野火監(jiān)測(cè)應(yīng)用的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了多種火點(diǎn)自動(dòng)判識(shí)方法，主要有多波段閾值法(Multi Threshold)、上下文法(Contextual)等。多波段法主要根據(jù)野火發(fā)生時(shí)造成火點(diǎn)所在像元中紅外通道溫度升高，同時(shí)中紅外與遠(yuǎn)紅外通道亮溫差異增大現(xiàn)象，設(shè)立閾值：TMIR≥TMIRth且TMIR≥TFAR+TFARth。此處：TMIR，TFAR，TMIRth，TFARth分別為中紅外通道亮溫、遠(yuǎn)紅外通道亮溫、中紅外通道增量閾值和遠(yuǎn)紅外通道增量閾值[4]。20世紀(jì)90年代，提出了上下文法，該法基于野火發(fā)生時(shí)所在像元的中紅外亮溫及中紅外與遠(yuǎn)紅外波段亮溫差異將高于鄰近像元。KAUFMAN等在MODIS火點(diǎn)判識(shí)算法中提出該方法的主要條件為

TMIR>TMIRbg+4δTMIRbg且ΔTMF>

TMFbg+4δTMFbg

(3)

表1 氣象衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測(cè)的主要衛(wèi)星儀器及其特性

式中：TMIR，TMIRbg分別為中紅外亮溫和背景中紅外亮溫；ΔTMF，ΔTMFbg分別為中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異和背景中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異；δTMIRbg，δTMFbg分別為背景中紅外亮溫標(biāo)準(zhǔn)差和背景中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異標(biāo)準(zhǔn)差[5]。背景均取自周邊像元平均值。

多波段法不能適用不同季節(jié)、不同地區(qū)的環(huán)境條件。文獻(xiàn)[4]在建立長(zhǎng)序列衛(wèi)星遙感火點(diǎn)信息數(shù)據(jù)集時(shí)，對(duì)多波段閾值法和上下文法判識(shí)火點(diǎn)的精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為上下文法的精度明顯高于多波段閾值法。

上下文法在一定程度上解決了周邊像元下墊面類型、植被覆蓋度等與探測(cè)像元的差異對(duì)估算背景溫度的影響，但實(shí)際應(yīng)用中仍會(huì)出現(xiàn)由太陽(yáng)光反射等造成的誤判和漏判。其后，對(duì)上下文法提出了改進(jìn)，文獻(xiàn)[6]提出MODIS火點(diǎn)判識(shí)的改進(jìn)算法，增加了對(duì)云污染、荒漠區(qū)邊界、海岸邊界、太陽(yáng)耀斑等的判識(shí)，以及對(duì)非火點(diǎn)像元的判斷等條件，其中對(duì)云污染的判識(shí)條件為

RVIS+RNIR>0.9且TFAR< 265 K，或

RVIS+RNIR>0.7且TFAR<285 K

文獻(xiàn)[7]提出對(duì)火點(diǎn)確認(rèn)式(2)中標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的調(diào)整。文獻(xiàn)[8]提出利用波長(zhǎng)在8.7，10.5 μm的遠(yuǎn)紅外通道亮溫差異判識(shí)裸地。劉誠(chéng)提出在背景溫度計(jì)算中對(duì)疑似火點(diǎn)像元的判斷方法，有

TMIR>TMIRav+8 K且TMF>TMFav+8 K

式中：TMIRav，TMFav分別為鄰域內(nèi)排除云區(qū)、水體像元后亮溫小于315 K的中紅外通道平均值，以及中紅外亮溫小于315 K的中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異的平均值[9]。

在NPP發(fā)射后，文獻(xiàn)[10]提出利用中紅外和遠(yuǎn)紅外通道對(duì)火點(diǎn)亮溫差異的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)指數(shù)模型γFPI，有

γFPI=(TMIR-TFAR)/(TMIR+TFAR)

(4)

目前火情監(jiān)測(cè)中火點(diǎn)判識(shí)多使用上下文法。該法對(duì)背景溫度計(jì)算中的像元選取要求較高，部分使用者根據(jù)氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)實(shí)踐效果，結(jié)合監(jiān)測(cè)區(qū)域特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)。

2.1.2 靜止衛(wèi)星火點(diǎn)判識(shí)

我國(guó)風(fēng)云四號(hào)、日本葵花8號(hào)、美國(guó)GOES-R、歐洲MSG等新一代靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射后，觀測(cè)頻次達(dá)到亞小時(shí)級(jí)，為火點(diǎn)判識(shí)提供了新的途徑。上下文法的重要問(wèn)題是估算背景溫度時(shí)，盡可能獲取與探測(cè)像元一致的下墊面條件(地表覆蓋類型和溫度)。這主要是因?yàn)槊骰鸢l(fā)生后，衛(wèi)星探測(cè)的像元輻射已含明火發(fā)射的輻射，不能代表該像元未發(fā)生明火時(shí)的狀態(tài)，而周邊像元下墊面類型、植被覆蓋度等可能與探測(cè)像元不同，所估算的背景溫度是探測(cè)像元未發(fā)生明火時(shí)的近似值，難免有一定程度的誤差。新一代靜止氣象衛(wèi)星10～15 min頻次的觀測(cè)密度和較高的定位精度，可將未發(fā)生明火的前一時(shí)次的像元亮溫作為實(shí)際背景亮溫。通過(guò)分析日常條件下該像元逐時(shí)次(相隔10～15 min)亮溫差異幅度，可選擇適當(dāng)?shù)拈撝底鳛榛瘘c(diǎn)判識(shí)條件。Himavary-8衛(wèi)星ABI通道7(3.9 μm)，13(10.4 μm)，3(0.64 μm)，4(0.86 μm)，6(2.3 μm)，5(1.6 μm)在2017年4月11日11時(shí)至15時(shí)(北京時(shí))逐時(shí)次(10分鐘/次)觀測(cè)到的東北地區(qū)某一火點(diǎn)像元及火點(diǎn)像元鄰近某一無(wú)火點(diǎn)像元的亮溫與反射率時(shí)序圖如圖4所示。其中：圖4(c)為13：50中紅外通道火點(diǎn)像元區(qū)域圖，黑斑為火點(diǎn)像元。比較圖4(a)、(b)可知：一般情況下中紅外通道每10 min的亮溫變化量約1 K，而在圖4(a)中，中紅外亮溫13：30至13：40增量為5 K，13：40至13：50增量為11 K(圖4(c))，因此當(dāng)相鄰時(shí)次亮溫增量為5 K時(shí)，有可能是由火點(diǎn)引起，這一時(shí)序亮溫增量條件將有助于提高火點(diǎn)判識(shí)靈敏度。

圖4 火點(diǎn)與鄰近非火點(diǎn)像元時(shí)序圖Fig.4 Temperatures changing of fire pixel and non fire pixelalong with time series

2.2火點(diǎn)強(qiáng)度估算及其應(yīng)用方式

氣象衛(wèi)星較低的空間分辨率和較高的火點(diǎn)靈敏度，使其在實(shí)際應(yīng)用中需估算火點(diǎn)像元中實(shí)際的明火區(qū)面積和溫度，同時(shí)在估算生物質(zhì)燃燒量應(yīng)用中需計(jì)算明火區(qū)的輻射強(qiáng)度(FRP)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣象衛(wèi)星亞像元火點(diǎn)面積、溫度和火點(diǎn)輻射強(qiáng)度估算進(jìn)行了研究和應(yīng)用。

2.2.1 亞像元火點(diǎn)面積和溫度估算

文獻(xiàn)[11]最早提出利用NOAA極軌氣象衛(wèi)星AVHRR通道3(中紅外)和通道4(遠(yuǎn)紅外)混合像元表達(dá)式建立二元非線性方程組，求解亞像元火點(diǎn)面積比例和火點(diǎn)溫度方法，有

(5)

式中：N3mix，N4mix，N3hi，N4hi，N3bg，N4bg分別為中紅外和遠(yuǎn)紅外混合像元輻亮度、明火區(qū)輻亮度、背景輻亮度；P為亞像元火點(diǎn)面積占像元面積百分比?；饏^(qū)的輻亮度由亞像元火點(diǎn)輻亮度Nihi確定，式(5)中的未知數(shù)為P，Nihi。文獻(xiàn)[12]提出用牛頓迭代法求解式(5)中P，Nihi的方法。

實(shí)際應(yīng)用中式(5)存在一些限制，如對(duì)小火點(diǎn)，遠(yuǎn)紅外通道背景溫度估算難以達(dá)到需要的精度，而一些衛(wèi)星的中紅外亮溫上限較低，容易飽和，以及有時(shí)迭代不收斂等。文獻(xiàn)[13]提出用單通道估算亞像元火點(diǎn)面積方法。整理式(5)可得

P= (Ni(Timix)-Ni(Tbg))/(Ni(Thi)-

Ni(Tbg))

(6)

式中：設(shè)定明火區(qū)溫度Thi=750 K，該值根據(jù)人工火場(chǎng)衛(wèi)星同步實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析確定[14]。此處：i為通道號(hào)，i=3為中紅外，i=4為遠(yuǎn)紅外，當(dāng)中紅外亮溫飽和時(shí)用遠(yuǎn)紅外通道估算。

為便于在火情監(jiān)測(cè)服務(wù)中使用亞像元火點(diǎn)估算信息，可根據(jù)亞像元火點(diǎn)面積大小制定火點(diǎn)強(qiáng)度等級(jí)，見(jiàn)表2[13]。

表2 衛(wèi)星遙感火點(diǎn)強(qiáng)度分級(jí)表

利用火點(diǎn)強(qiáng)度等級(jí)生成的火點(diǎn)強(qiáng)度圖像可直觀反映火區(qū)的態(tài)勢(shì)和發(fā)展情況，如在大范圍火場(chǎng)內(nèi)各火區(qū)火勢(shì)強(qiáng)度差異及空間分布。

2.2.2 FRP估算

在估算生物質(zhì)燃燒排放量時(shí)需獲取火點(diǎn)FRP，F(xiàn)RP可由像元內(nèi)的亞像元火區(qū)面積和溫度表示為

PFRP=Shi·σT4

(7)

式中：Shi，T分別為亞像元火點(diǎn)面積和溫度；σ=5.669 35.6-8W/(m2·K4)[15]。

考慮可能存在中紅外和遠(yuǎn)紅外通道像元空間不配準(zhǔn)問(wèn)題，KAUFMAN提出利用MODIS中紅外通道估算FRP的方法，有

PFRP(MODIS)= 4.34×10-19((TMIR)8-(TbMIR)8)

(8)

式中：TMIR，TbMIR分別為火點(diǎn)像元中紅外通道和鄰近非火點(diǎn)像元的背景亮溫。

2.3過(guò)火區(qū)面積估算

過(guò)火區(qū)面積估算是氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)的重要應(yīng)用部分。

文獻(xiàn)[16]提出用NOAA衛(wèi)星AVHRR中紅外、近紅外、可見(jiàn)光三通道合成圖中明顯的過(guò)火后黑斑信息，識(shí)別過(guò)火區(qū)以及過(guò)火區(qū)像元面積計(jì)算方法。文獻(xiàn)[17]提出用過(guò)火區(qū)和非過(guò)火區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)信息差異計(jì)算過(guò)火區(qū)面積方法。文獻(xiàn)[18]提出以氣象衛(wèi)星資料為主的多源衛(wèi)星遙感森林火災(zāi)過(guò)火區(qū)方法面積估算方法，該方法基于混合像元分解原理計(jì)算植被覆蓋度，在判識(shí)過(guò)火區(qū)后過(guò)火區(qū)面積

(9)

式中：n為過(guò)火像元個(gè)數(shù)；Si為第i個(gè)像元的面積；Ci為過(guò)火區(qū)第i個(gè)像元的植被覆蓋度。Ci可用具有較高空間分辨率的CBERS CCD(19.5 m)等陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。文獻(xiàn)[19]提出用風(fēng)云三號(hào)(FY-3)衛(wèi)星(250 m)結(jié)合高分一號(hào)(GF-1)衛(wèi)星(16 m)衛(wèi)星資料的多源衛(wèi)星農(nóng)作物秸稈焚燒過(guò)火區(qū)面積估算方法。該方法根據(jù)線性光譜混合模型，假設(shè)每個(gè)氣象衛(wèi)星像元由農(nóng)田(純未過(guò)火農(nóng)田)、水體和居民地三類下墊面組成，則背景混合像元反射率Rmix可表示為

Rmix=Pc×Rc+Pw×Rw+Pn×Rn

(10)

式中：Rc，Rw，Rn分別為農(nóng)田、水體和居民地反射率；Pc，Pw，Pn分別為農(nóng)田、水體和居民地所占像元的面積比例，可由GF-1衛(wèi)星資料進(jìn)行土地利用分類計(jì)算獲得。農(nóng)田過(guò)火后，像元內(nèi)農(nóng)田反射率將由Pcf×Rcf+Pcn×Rcn組成。此處：Rcf為過(guò)火農(nóng)田反射率；Rcn為未過(guò)火農(nóng)田反射率。Pcf可由過(guò)火像元、未過(guò)火像元和完全過(guò)火像元反射率算得。

2.4火點(diǎn)監(jiān)測(cè)精度驗(yàn)證

黨的十八大以來(lái)，以習(xí)近平同志為核心的黨中央接過(guò)歷史的接力棒，以巨大的政治勇氣、堅(jiān)定的意志品質(zhì)、強(qiáng)烈的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，引領(lǐng)中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入新時(shí)代：改革全面發(fā)力、多點(diǎn)突破、縱深推進(jìn)，開(kāi)放全面擴(kuò)大、多層布局、深入展開(kāi)……

衛(wèi)星遙感火點(diǎn)監(jiān)測(cè)精度驗(yàn)證方法包括人工火場(chǎng)衛(wèi)星同步觀測(cè)驗(yàn)證和利用高分辨率陸地衛(wèi)星對(duì)氣象衛(wèi)星火點(diǎn)監(jiān)測(cè)的驗(yàn)證。

國(guó)家衛(wèi)星氣象中心廣西遙感應(yīng)用試驗(yàn)基地于2005年10月下旬在廣西南寧進(jìn)行了有關(guān)人工火場(chǎng)衛(wèi)星同步觀測(cè)和測(cè)量的大型實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)置了面積分別為100，200 m2的圓型火場(chǎng)中均勻鋪放樹枝、樹干等可燃物。衛(wèi)星過(guò)境前火場(chǎng)各處同時(shí)點(diǎn)燃。共進(jìn)行5次與氣象衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間同步的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：地面100～200 m2火場(chǎng)在完全燃燒情況下,可在氣象衛(wèi)星和EOS環(huán)境衛(wèi)星中紅外通道引起較明顯的亮溫增溫, 并可達(dá)到火情監(jiān)測(cè)的閾值[14，19-20]。

文獻(xiàn)[21]利用與MODIS/TERRA同步觀測(cè)的EOS/ASTER(2.295～2.365 μm，30 m)以及ETM+(2.09～2.35 μm，30 m)數(shù)據(jù)驗(yàn)證MODIS火點(diǎn)信息數(shù)據(jù)(MOD14，1 km)和GOES火點(diǎn)算法產(chǎn)品(WFABBA，4 km)，并分析以ASTER，ETM+火點(diǎn)信息作為真值，MODIS4，GOES火點(diǎn)信息誤判和漏判的原因。

3 應(yīng)用

2008年FY-3衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，為我國(guó)森林草原防火、火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)、火險(xiǎn)預(yù)警、秸稈焚燒監(jiān)督治理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、氣候影響評(píng)估等領(lǐng)域提供了大量的氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)信息，多次在重大森林草原火災(zāi)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮重要作用，進(jìn)一步提高了我國(guó)的衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測(cè)應(yīng)用能力。

3.1森林草原火情監(jiān)測(cè)和預(yù)警

3.1.1 森林火情監(jiān)測(cè)

圖5 FY-3A星VIRR黑龍江遜克縣火情Fig.5 Fire monitoring of Xunke County in Heilongjiang Province by FY-3A VIRR

利用FY-3A星MERSI的2009年5月5日10：05 CH 3(可見(jiàn)光紅光)，4(近紅外)，2(可見(jiàn)光綠光)制作的過(guò)火區(qū)監(jiān)測(cè)圖如圖6(a)所示。由圖6(a)可知：火災(zāi)已造成大范圍過(guò)火區(qū)。用4月28日至5月5日FY-3A星MERSI提取過(guò)火區(qū)信息，獲取多日過(guò)火區(qū)疊加圖如圖6(b)所示。圖6(b)反映了火災(zāi)發(fā)生以來(lái)火場(chǎng)各日的蔓延發(fā)展情況。

圖6 FY-3A星MERSI黑龍江遜克縣火情Fig.6 Fire monitoring of FY-3A MERSI

3.1.2 草原火災(zāi)預(yù)警

利用衛(wèi)星遙感某一時(shí)間段的火點(diǎn)和過(guò)火區(qū)空間分布，結(jié)合植被生長(zhǎng)期的NDVI背景，可反映境外野火對(duì)我國(guó)影響的態(tài)勢(shì)。2015年春季，靠近我國(guó)邊境蒙古國(guó)、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)多次發(fā)生草原火災(zāi)，并影響到我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)邊境。用FY-3衛(wèi)星對(duì)境外草原火進(jìn)行了嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)。FY-3B星VIRR的2015年3月20日至4月20日火點(diǎn)信息疊加圖如圖7(a)所示，可見(jiàn)這一時(shí)期靠近我國(guó)邊境發(fā)生了大量草原火。用FY-3B星MERSI的2015年4月20日NDVI信息提取的過(guò)火區(qū)圖(圖中土黃色)與FY-3B星MERSI的2014年8月NDVI月合成信息疊加圖如圖7(b)所示，可見(jiàn)蒙古國(guó)東部和俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)草原火已影響到我國(guó)邊境線多處線段，并仍有大部分邊境線段有植被(草原)覆蓋，需繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)這些地區(qū)的防火措施。

圖7 用FY-3B星VIRR，MERSI對(duì)我國(guó) 北方地區(qū)境外火點(diǎn)監(jiān)測(cè)Fig.7 Fire monitoring in abroad country close to northeast in China by FY-3B MERSI and VIRR

3.2生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)

3.2.1 秸稈焚燒過(guò)火區(qū)面積估算

自FY-3衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，在每年作物收獲期為環(huán)保部門提供氣象衛(wèi)星秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測(cè)和過(guò)火區(qū)面積估算信息。FY-3C星MERSI的2014年6月7日11時(shí)CH 3，4，2河南省正陽(yáng)縣秸稈焚燒過(guò)火區(qū)監(jiān)測(cè)圖如圖8(a)所示，可見(jiàn)正陽(yáng)縣北部及南部有較大范圍的過(guò)火區(qū)黑斑?；贔Y-3C星MERSI的秸稈焚燒過(guò)火區(qū)過(guò)火程度圖如圖8(b)所示，用從藍(lán)到紅的程度等級(jí)顏色分布表示過(guò)火區(qū)面積百分比的多少。

圖8 FY-3C星MERSI正陽(yáng)縣過(guò)火區(qū)監(jiān)測(cè)Fig.8 Burned area monitoring by FY-3C MERSI

3.2.2 煙霾監(jiān)測(cè)

大范圍森林火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的煙霧會(huì)給附近甚至更遠(yuǎn)地區(qū)的大氣環(huán)境造成嚴(yán)重影響。利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火點(diǎn)和煙霧信息，結(jié)合氣象觀測(cè)資料，可為煙霧影響預(yù)報(bào)提供重要依據(jù)。FY-3C星VIRR的2014年7月22日11：55的CH3，2，1火情監(jiān)測(cè)圖如圖9(a)所示。由圖9(a)可知：俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)有大量火點(diǎn)，并伴隨有大片向東南擴(kuò)散的煙霧；由同時(shí)次FY-3C星MERSI的真彩色圖與火點(diǎn)、850 hPa環(huán)流場(chǎng)疊加圖(圖9(b))可知：火區(qū)上空有大片濃密煙霧，影響范圍約46萬(wàn)km2。從火區(qū)至我國(guó)內(nèi)蒙古東部和東北地區(qū)北部1 500 m左右上空為風(fēng)速10～14 m/s的偏北風(fēng)，該風(fēng)力導(dǎo)致煙塵向南輸送至我國(guó)境內(nèi)，覆蓋內(nèi)蒙古東部、黑龍江西部。24日，覆蓋東北大部地區(qū)上空，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)嚴(yán)重霾天氣。

圖9 FY-3星MERSI火情監(jiān)測(cè)圖和疊加圖Fig.9 Fire monitoring of FY-3 MERSI true color image overlapped with atmospheric circulate field

3.3森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)和氣候影響評(píng)估應(yīng)用

3.3.1 森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)應(yīng)用

利用長(zhǎng)序列火點(diǎn)信息數(shù)據(jù)集制作火點(diǎn)頻次分布圖，可反映近年來(lái)我國(guó)野火的頻次分布，為森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)提供依據(jù)。用FY-3等氣象衛(wèi)星12年火點(diǎn)信息制作的全國(guó)火點(diǎn)密度年平均分布圖如圖10所示，并疊加貧困縣信息，結(jié)果顯示大部分火點(diǎn)密度較大的區(qū)域均有貧困縣分布，反映了貧困地區(qū)在農(nóng)耕方式、森林防火等方面需進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.3.2 干旱等氣候事件影響評(píng)估

干旱發(fā)生時(shí)，由于長(zhǎng)期高溫少雨，可燃物含水量降低，火險(xiǎn)等級(jí)升高，火災(zāi)頻發(fā)，由氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的旱區(qū)火點(diǎn)頻次將明顯高于常年。如2009入秋至2010年春，我國(guó)西南地區(qū)持續(xù)高溫少雨，發(fā)生嚴(yán)重干旱，長(zhǎng)期干旱造成火險(xiǎn)等級(jí)升高，氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火點(diǎn)頻發(fā)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示該地區(qū)火點(diǎn)頻次顯著高于常年同期，反映了干旱對(duì)森林火險(xiǎn)的影響(如圖11所示)。

圖10 氣象衛(wèi)星遙感全國(guó)火點(diǎn)年平均密度(2003年1月～2005年8月)Fig.10 Average intensity of fire spot derived from meteorological satellite from Jan. 2003 to Aug. 2005

圖11 氣象衛(wèi)星西南地區(qū)火點(diǎn)分布和統(tǒng)計(jì)Fig.11 Fire spot distribution and statistics in southwest China derived from meteorological satellite

圖12 FY-3A星MERSI，VIRR國(guó)外火情監(jiān)測(cè)Fig.12 Abroad fire monitoring by FY-3A MERSI and VIRR

3.4全球野火監(jiān)測(cè)

FY-3衛(wèi)星具有全球觀測(cè)能力，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全球野火信息，為國(guó)際重大森林草原火災(zāi)事件評(píng)估、氣候變化研究等方面提供依據(jù)。2008年11月，美國(guó)加州洛杉磯市郊發(fā)生森林大火，用FY-3A星MERSI的2008年11月16日資料制作的過(guò)火區(qū)監(jiān)測(cè)圖如圖12(a)所示，監(jiān)測(cè)到此次美國(guó)加州洛杉磯市郊區(qū)山林大火已出現(xiàn)較大范圍過(guò)火區(qū)。經(jīng)估算，過(guò)火區(qū)面積約7×107m2。2009年2月，澳大利亞?wèn)|南部發(fā)生多起林火，用FY-3A星VIRR的2009年2月16日00：10(世界時(shí))資料制作的澳大利亞火情監(jiān)測(cè)圖如圖12(b)所示, 澳大利亞?wèn)|南部有多處火點(diǎn)(圖中黃色箭頭所指處)，部分火點(diǎn)有煙，并出現(xiàn)大范圍過(guò)火區(qū)(白色箭頭所指的暗紅色斑塊處為過(guò)火區(qū))。

FY-3衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)，已生成了A星VIRR，B星VIRR和C星VIRR全球月火點(diǎn)像元累計(jì)圖，反映各月全球各大洲的火點(diǎn)分布特點(diǎn)，可為全球氣候事件影響評(píng)估等研究提供依據(jù)。FY-3B星VIRR的2017年4月全球月火點(diǎn)像元累計(jì)專題圖如圖13所示，反映出2017年4月，全球火點(diǎn)主要分布在亞洲東北部、西北部和東南部，非洲中西部，歐洲東部，南美洲北部，北美洲南部和中部，大洋洲東南部和西南部等地。

4 發(fā)展展望

我國(guó)地域遼闊，森林草原分布極廣，氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)在森林草原防火、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、氣候影響評(píng)估等方面有長(zhǎng)期、廣泛的需求，在提高火點(diǎn)探測(cè)靈敏度、過(guò)火區(qū)影響快速評(píng)估、森林草原火險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、火場(chǎng)蔓延預(yù)測(cè)、煙霾影響預(yù)測(cè)、氣候影響評(píng)估、生物量燃燒碳排放估算、全球野火研究等多方面還將繼續(xù)深入發(fā)展，為我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境治理、氣候變化對(duì)策等方面發(fā)揮更大的作用。

a)微小火點(diǎn)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)在森林草原防火工作中有重要意義，森林草原防火部門需要有高空間分辨率結(jié)合高觀測(cè)頻次的火情監(jiān)測(cè)信息。隨著新一代風(fēng)云極軌和靜止氣象衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展和新型衛(wèi)星儀器在分辨率和觀測(cè)頻次等的改進(jìn)，將進(jìn)一步提高火點(diǎn)探測(cè)靈敏度和精度，為防火部門對(duì)森林草原火災(zāi)打早打小提供支持。

b)結(jié)合GF-1衛(wèi)星等高分辨率資料提取的土地利用分類數(shù)據(jù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(人口密度、載畜量、草產(chǎn)量等)，可為森林草原火災(zāi)影響快速評(píng)估提供依據(jù)，為防災(zāi)救災(zāi)工作決策提供參考。

c)可燃物含水量與溫度、光照、云量等密切相關(guān)，是森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的重要因子。氣象衛(wèi)星地表溫度、植被指數(shù)、地表蒸散、太陽(yáng)輻照度、云量等產(chǎn)品可反映可燃物含水量變化，建立基于衛(wèi)星遙感信息的可燃物狀態(tài)估測(cè)模型，可為森林草原火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

d)火場(chǎng)蔓延與可燃物類型、密度、地表溫度、風(fēng)速風(fēng)向、坡度等因子有關(guān)，利用氣象衛(wèi)星火點(diǎn)、過(guò)火區(qū)、地表溫度、煙霧等信息，結(jié)合高分辨率衛(wèi)星地表覆蓋類型分布、高程、氣象觀測(cè)風(fēng)速風(fēng)向等信息，可建立火場(chǎng)蔓延預(yù)測(cè)模型，為火災(zāi)預(yù)防和撲救決策提供參考。

e)利用氣象衛(wèi)星火點(diǎn)、煙霧等監(jiān)測(cè)信息，結(jié)合氣象觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)資料，可預(yù)測(cè)森林草原火災(zāi)、秸稈焚燒引起的煙霧對(duì)周邊甚至是遠(yuǎn)距離地區(qū)大氣環(huán)境的影響，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮作用。

f)FY-3衛(wèi)星時(shí)間序列的全球野火的監(jiān)測(cè)信息，可為氣候影響評(píng)估、氣候變化研究、碳排放估算，以及“一帶一路”國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)提供重要支持。

5 結(jié)束語(yǔ)

自20世紀(jì)末FY-1C星發(fā)射以來(lái)，風(fēng)云衛(wèi)星為我國(guó)的森林草原防火部門提供了大量火情監(jiān)測(cè)信息，多次在重大森林草原火情監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用。隨著21世紀(jì)新一代風(fēng)云氣象衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)行，氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)信息的精度和時(shí)效得到進(jìn)一步提高，風(fēng)云衛(wèi)星的地表溫度、植被指數(shù)、云檢測(cè)等產(chǎn)品也已在火情預(yù)測(cè)評(píng)估中得到應(yīng)用。FY-3衛(wèi)星豐富的探測(cè)信息和全球觀測(cè)能力已達(dá)到國(guó)際上先進(jìn)的衛(wèi)星遙感森林草原火情監(jiān)測(cè)水平。今后以風(fēng)云氣象衛(wèi)星動(dòng)態(tài)觀測(cè)信息為主，結(jié)合高分衛(wèi)星等信息的多源衛(wèi)星遙感森林草原火情監(jiān)測(cè)綜合應(yīng)用信息，將使氣象衛(wèi)星在森林草原火情監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)及評(píng)估方面的作用得到充分發(fā)揮，在防災(zāi)減災(zāi)工作中產(chǎn)生更顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

圖13 2017年4月FY-3B星VIRR全球月火點(diǎn)像元累計(jì)專題圖Fig.13 Monthly global fire spots in Apr. 2017 by FY-3B VIRR

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FireMonitoringandApplicationBasedonMeteorologicalSatellite

LIYa-jun，ZHENGWei，CHENJie，LIUCheng

(National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China)

The fire monitoring and application based on meteorological satellite were studied in this paper. The fire monitoring principle through the brightness temperature different between fire pixel and background in middle infrared and far infrared channels was introduced. The major instruments onborne were given. The discrimination methods of fire point for polar orbit meteorological satellite and geostationary orbit meteorological satellite, fire point intensity estimation including the area and temperature of sub-pixel fire point, and firing radiation power, and the methods of burned area estimation and effect assessment were presented. The fire monitoring accuracy based on meteorological satellite were validated by two ways which were artificial fire field observed synchronously by satellite and fire monitoring by land satellite with high resolution. The applications of FY-3and others meteorological satellites in disaster prevention and reduction, ecological environment protection and climatic effect assessment were introduced, which including forest and prairie fire monitoring, burned reign estimation, warning and forecast of forest and prairie fire, monitoring of fire caused by straw burning and burned area estimation, haze weather monitoring caused by biomass burning, climatic event effect of drought and others on forest fire, and global wildfire monitoring. The technology development and application of meteorological satellite in fire monitoring were prospected.

meteorological satellite; fire monitoring; fire discrimination; intensity estimation; burned assessment; forest and prairie

1006-1630(2017)04-0062-11

2017-06-29；

：2017-07-22

國(guó)家863 項(xiàng)目資助(2006AA12Z125)；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(xiàng)資助(200903041)

李亞君(1964—)，男，工程師，主要從事衛(wèi)星遙感應(yīng)用研究。

鄭 偉(1981—)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境和自然災(zāi)害等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

TP79；P407

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.008