石艷軍 ，單海濱，張?jiān)戮S ，胡民達(dá)

（1.廣州氣象衛(wèi)星地面站，廣東 廣州 510640；2.中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

新一代靜止氣象衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)研究

石艷軍1，2，單海濱1，張?jiān)戮S1，胡民達(dá)1

（1.廣州氣象衛(wèi)星地面站，廣東 廣州 510640；2.中國(guó)氣象局中國(guó)遙感衛(wèi)星輻射測(cè)量和定標(biāo)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081）

新一代靜止氣象衛(wèi)星具有高頻次、全覆蓋優(yōu)勢(shì)，對(duì)林火有著非常好的監(jiān)測(cè)能力。從林火遙感原理出發(fā)，首先分析了AHI/葵花8號(hào)和AGRI/風(fēng)云四號(hào)儀器的特點(diǎn)，介紹了可用于林火探測(cè)的通道特性。然后，從火點(diǎn)判識(shí)算法、林火監(jiān)測(cè)流程和林火反查系統(tǒng)3個(gè)方面，研究了林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建，包括應(yīng)用中要注意的細(xì)節(jié)和應(yīng)用的嘗試。其中林火反查系統(tǒng)是首次提出，對(duì)改進(jìn)系統(tǒng)的算法和提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率有重要作用。目前，AHI/葵花8號(hào)林火產(chǎn)品已投入本站業(yè)務(wù)使用，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)提供了重要保障。

新一代靜止氣象衛(wèi)星；林火監(jiān)測(cè)；AHI/葵花8號(hào)；AGRI/風(fēng)云四號(hào)

衛(wèi)星遙感林火監(jiān)測(cè)因其全天候、廣區(qū)域的優(yōu)勢(shì)，已成為目前森林火災(zāi)最主要的監(jiān)測(cè)方式。用于林火監(jiān)測(cè)的氣象衛(wèi)星遙感儀器主要有AVHRR/NOAA、MODIS/EOS、VIRR/FY3和VIIRS/NPP等。Kaufman，趙文化，周小成，周利霞等[1-5]對(duì)MODIS/EOS數(shù)據(jù)和算法進(jìn)行了一系列研究。AVHRR/NOAA具有中紅外、熱紅外波段的通道，Nakaya?ma，劉誠(chéng)，覃先林，趙彬等[6-9]等對(duì)AVHRR/NOAA開(kāi)展了一系列研究和應(yīng)用探索。隨著FY3、NPP、METOP等新一代極軌氣象衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射和應(yīng)用，徐擁軍，張?jiān)戮S，郭捷，羅曉霞等[10-13]對(duì)新一代極軌氣象衛(wèi)星探測(cè)器VIRR和VIIRS等作了較深入的研究和應(yīng)用探討。國(guó)家衛(wèi)星氣象中心從1986年開(kāi)始開(kāi)展利用氣象衛(wèi)星資料監(jiān)測(cè)林火的研究和服務(wù)，近年來(lái)利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)林火已經(jīng)在全國(guó)各地形成業(yè)務(wù)，發(fā)揮了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。但是極軌衛(wèi)星是繞兩極呈帶狀掃描，以廣州為例，全天只有4次經(jīng)過(guò)廣州上空，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全時(shí)段、全區(qū)域的覆蓋。

靜止氣象衛(wèi)星在這塊具有天然的優(yōu)勢(shì)，受星地距離及探測(cè)器分辨率的限制，早先的靜止氣象衛(wèi)星無(wú)法用于林火監(jiān)測(cè)，然而新一代高時(shí)空分辨率的靜止氣象衛(wèi)星在天氣、氣候、環(huán)境、地表等方面都具有較好的監(jiān)測(cè)能力，如2014年10月7日發(fā)射的日本葵花8號(hào)以及2016年12月11日發(fā)射的中國(guó)FY-4A[14-15]。葵花8號(hào)攜帶的AHI和風(fēng)云四號(hào)AGRI成像儀均具有觀測(cè)頻次高、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，波段范圍覆蓋可見(jiàn)光至遠(yuǎn)紅外，在林火觀測(cè)上具有巨大的優(yōu)勢(shì)。本文利用廣州氣象衛(wèi)星地面站多年來(lái)在林火監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)上的科研基礎(chǔ)，根據(jù)AHI/葵花8號(hào)和AGRI/FY-4A探測(cè)通道的特點(diǎn)，展開(kāi)新一代靜止氣象衛(wèi)星的林火監(jiān)測(cè)研究。

1 遙感林火監(jiān)測(cè)原理

高于絕對(duì)溫度的物體都在不斷向外輻射電磁波，溫度升高會(huì)導(dǎo)致熱輻射增強(qiáng)[16]。斯蒂芬-波爾茲曼定律

式中，M為單位時(shí)間內(nèi)全波長(zhǎng)黑體輻射出的總能量密度，ε為輻射系數(shù)，δ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，T為物體絕對(duì)溫度。輻射能量密度與該物體絕對(duì)溫度的4次方成正比，當(dāng)物體溫度略微升高時(shí)，輻射能量密度就會(huì)極大地增長(zhǎng)。

普朗克黑體輻射定理描述了黑體輻射出的能量與波長(zhǎng)和絕對(duì)溫度之間的關(guān)系，即

式中，M為單位立體角內(nèi)特定波長(zhǎng)黑體輻射功率，λ為波長(zhǎng)，T為絕對(duì)溫度，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，c為光速，黑體輻射出的能量?jī)H與波長(zhǎng)和絕對(duì)溫度相關(guān)。

另外，根據(jù)維恩位移定律，常溫地表輻射峰值波長(zhǎng)在11 μm左右；當(dāng)物質(zhì)著火時(shí)，溫度可達(dá)750 K以上，輻射峰值波長(zhǎng)就位于4 μm左右。該波長(zhǎng)正好對(duì)應(yīng)衛(wèi)星探測(cè)器的紅外通道，遙感林火監(jiān)測(cè)正是利用了上述原理，利用不同波長(zhǎng)熱輻射的差異性判定火點(diǎn)[17]。圖1為利用普朗克黑體輻射定理計(jì)算獲得的3.7 μm和11 μm通道黑體輻射功率。

圖1 3.7 μm和11 μm通道黑體輻射功率

2 AAHHII和AAGGRRII儀器介紹

葵花8號(hào)成像儀AHI具有全盤和區(qū)域掃描能力，能夠在10分鐘內(nèi)完成全盤掃描，共有16個(gè)通道，波段從0.46 μm到13.3 μm，其空間分辨率有0.5 km、1 km和2 km三種。它有3個(gè)可見(jiàn)光通道，13個(gè)近紅外和紅外通道。我們可以根據(jù)上述衛(wèi)星監(jiān)測(cè)原理，選取與林火監(jiān)測(cè)相關(guān)通道，即4 μm和11 μm附近通道。表1列出了相關(guān)通道的特性。FY-4A成像儀AGRI特性與AHI類似，受制于探測(cè)器和制冷器研制水平，部分通道特性較AHI低，AGRI能夠在15分鐘內(nèi)完成全盤掃描，共有14個(gè)通道，波段從0.45 μm到13.8 μm，其空間分辨率有0.5 km、1 km、2 km和4 km四種。它有3個(gè)可見(jiàn)光通道，12個(gè)近紅外和紅外通道。表2列出了AGRI與林火監(jiān)測(cè)相關(guān)通道的特性。

表1 AHI林火監(jiān)測(cè)相關(guān)通道特性

表2 AGRI林火監(jiān)測(cè)相關(guān)通道特性

3 林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 火點(diǎn)判識(shí)算法

衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)算法一般將火點(diǎn)按亮溫大小分為絕對(duì)火點(diǎn)與相對(duì)火點(diǎn)。絕對(duì)火點(diǎn)的識(shí)別是依據(jù)火點(diǎn)本身中紅外輻射特征，而相對(duì)火點(diǎn)的識(shí)別則是依據(jù)火點(diǎn)輻射與背景輻射之間的差異。廣州氣象衛(wèi)星地面站對(duì)此已有很多研究，算法及改進(jìn)算法詳見(jiàn)廣州氣象衛(wèi)星地面站所進(jìn)行的相關(guān)研究[2、5、11、12]。

3.2 林火監(jiān)測(cè)流程

林火監(jiān)測(cè)流程主要分為數(shù)據(jù)獲取、提取通道信息和經(jīng)緯度、區(qū)域投影、快速大氣校正、云檢測(cè)、水體判識(shí)、耀斑濾除以及火點(diǎn)判識(shí)等。圖2為本站林火監(jiān)測(cè)流程示意圖。在低緯度地區(qū)遙感林火監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，尤其夏季經(jīng)常會(huì)受到太陽(yáng)耀斑的嚴(yán)重影響，即使在太陽(yáng)耀斑8度區(qū)外側(cè)背景亮溫亦有波及。利用FOV、衛(wèi)星與太陽(yáng)之間的相對(duì)幾何關(guān)系計(jì)算耀斑角，然后使用一個(gè)耀斑角經(jīng)驗(yàn)閾值確定耀斑區(qū)域。具體為下面計(jì)算公式中l(wèi)t 8調(diào)整為lt 12。

圖2 林火監(jiān)測(cè)流程

3.3 林火反查系統(tǒng)

受儀器、算法等多種因素的限制，盡管林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已有很高的精度和準(zhǔn)確率，但依然存在漏報(bào)和誤報(bào)的情況。本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于GUI的林火漏報(bào)反查系統(tǒng)。通過(guò)與相關(guān)林火主管部門的合作，根據(jù)實(shí)際情況，提取漏報(bào)林火的經(jīng)緯度、時(shí)間等信息，反查相應(yīng)通道的信息，通過(guò)調(diào)整算法等相關(guān)措施，重新判識(shí)。通過(guò)彌補(bǔ)過(guò)往常規(guī)的林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)缺少這樣一個(gè)模塊的缺陷，可以反過(guò)來(lái)提高算法，從而提高林火監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率。圖3為林火反查系統(tǒng)流程。

圖3 林火反查系統(tǒng)流程

葵花8號(hào)衛(wèi)星自2015年7月7日已開(kāi)始向全球?qū)崟r(shí)廣播葵花8號(hào)數(shù)據(jù)，中國(guó)氣象局國(guó)家氣象衛(wèi)星中心可以近實(shí)時(shí)地接收葵花8號(hào)全部通道原始分辨率的數(shù)據(jù)，并向全國(guó)各省下發(fā)。圖4為使用葵花8號(hào)通過(guò)上述林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在森林火災(zāi)中的一次應(yīng)用嘗試。中國(guó)風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星目前尚未正式下發(fā)衛(wèi)星資料，工作有待進(jìn)一步開(kāi)展。

圖4 葵花8號(hào)林火監(jiān)測(cè)應(yīng)用嘗試

4 結(jié)論

新一代靜止氣象衛(wèi)星高頻次、全覆蓋的優(yōu)勢(shì)，對(duì)林火、臺(tái)風(fēng)以及天氣氣候等方面都具有較好的監(jiān)測(cè)能力。隨著衛(wèi)星遙感資料陸續(xù)投入使用，將為全球提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)服務(wù)，提高防災(zāi)減災(zāi)能力。本文借助本站長(zhǎng)期在林火研究和服務(wù)工作中的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了對(duì)新一代靜止氣象衛(wèi)星的林火監(jiān)測(cè)研究。目前AHI/葵花8號(hào)林火產(chǎn)品已投入使用，AGRI/風(fēng)云四號(hào)林火監(jiān)測(cè)還在研究之中，應(yīng)用效果有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)。利用反查系統(tǒng)可以反過(guò)來(lái)優(yōu)化算法。未來(lái)還可以利用極軌衛(wèi)星與靜止衛(wèi)星對(duì)比研究，進(jìn)一步提高系統(tǒng)識(shí)別精度，為服務(wù)全球林火監(jiān)測(cè)提供可靠的保障。

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S762.3

A

2017-10-18

廣東省社會(huì)發(fā)展氣象領(lǐng)域計(jì)劃項(xiàng)目（12）；廣東省氣象局課題（2016B08）資助。

陳小華）