曾慶峰，陳斌鋒，曾 臻

（廣東省航空護(hù)林站/廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510173）

森林是陸地生態(tài)的主體，是人類賴以生存和發(fā)展的寶貴資源，它具有涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養(yǎng)物質(zhì)、凈化大氣環(huán)境、森林防護(hù)、生物多樣性保護(hù)和森林游憩等生態(tài)服務(wù)功能，是地球生態(tài)平衡的保護(hù)者。林火作為一種自然現(xiàn)象，是森林生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因素之一，全球每年約有1%的森林經(jīng)歷火的干擾，林火直接影響和改變區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的過程和格局[1]。國家衛(wèi)星氣象中心從1986年開始開展利用氣象衛(wèi)星資料監(jiān)測(cè)林火的研究和服務(wù)，近年來利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測(cè)林火已經(jīng)在全國各地形成業(yè)務(wù)，發(fā)揮了巨大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[2]。

1 我國衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

我國衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)研究應(yīng)用始于20世紀(jì)80年代，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)思想啟蒙于蘇聯(lián)護(hù)林防火工作。到90年代初，從國外的NOAA/AVHHR、EOS/MO?DIS衛(wèi)星到國內(nèi)的FY、CBERS、HJ系列衛(wèi)星，我國進(jìn)入了快速的林火監(jiān)測(cè)研究和應(yīng)用階段。目前，以國家林業(yè)和草原局為中心，已建立了覆蓋全國的北京、東北、西南、西北林區(qū)及各市縣衛(wèi)星監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)[3]。衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)以其覆蓋范圍廣、監(jiān)測(cè)時(shí)次多和監(jiān)測(cè)成本低、受人為因素影響小等特點(diǎn)，被譽(yù)為森林防火工作的千里眼。多年來，衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)已成為國家和廣東省發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)最重要的技術(shù)手段，取得很好的應(yīng)用效益。當(dāng)前，衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)工作在廣東省森林防火工作中主要發(fā)揮3方面的作用：一是實(shí)時(shí)監(jiān)控全省火情動(dòng)態(tài)，宏觀掌握全省火險(xiǎn)形勢(shì)；二是全面監(jiān)測(cè)林內(nèi)用火情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)初發(fā)火災(zāi)，為實(shí)現(xiàn)“打早、打小、打了”提供技術(shù)支持；三是在較大火災(zāi)發(fā)生后，對(duì)火災(zāi)實(shí)行動(dòng)態(tài)連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解火災(zāi)的發(fā)展、蔓延情況、火頭分布、復(fù)燃煙點(diǎn)等實(shí)況信息，為撲火指揮決策提供依據(jù)。

目前，國家林業(yè)和草原局森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)所用衛(wèi)星主要是我國FY3系列實(shí)驗(yàn)星（A星、B星）、美國NOAA系列和EOS-MODIS系列的極軌衛(wèi)星。極軌氣象衛(wèi)星雖然在林火監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用，但由于其軌道運(yùn)行特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中仍有如下不足。

1）極軌氣象衛(wèi)星的時(shí)間分辨率低。即便目前林火監(jiān)測(cè)已有多顆運(yùn)行的極軌氣象衛(wèi)星，但過境時(shí)間相對(duì)集中，平均時(shí)間間隔高達(dá)4～5小時(shí)，且每天仍有若干時(shí)段無觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2）極軌衛(wèi)星的掃描寬度相對(duì)較窄，邊緣部分畸變較大，分辨率降低。

3）極軌衛(wèi)星雖然有多顆星，但每顆衛(wèi)星的觀測(cè)角度不同，對(duì)地面的覆蓋范圍和位置也不同，對(duì)突發(fā)性事件的連續(xù)觀測(cè)能力不足。由于觀測(cè)角度和遙感儀器特性不同，對(duì)同一地物，不同衛(wèi)星獲取的輻射信息不同，即便進(jìn)行了校正，不同校正將存在不同程度誤差，因此無法進(jìn)行較高要求的分析比較。

2 新一代靜止衛(wèi)星在林火監(jiān)測(cè)工作中的優(yōu)勢(shì)

靜止衛(wèi)星又稱地球同步軌道衛(wèi)星。由于靜止衛(wèi)星運(yùn)行和地球自轉(zhuǎn)同步，因此，靜止衛(wèi)星每天對(duì)所覆蓋的固定區(qū)域可以進(jìn)行高頻次的觀測(cè)，目前的觀測(cè)頻次可達(dá)到分鐘級(jí)。

隨著我國風(fēng)云四號(hào)（FY-4）以及日本葵花8號(hào)（Himawari 8）等靜止氣象衛(wèi)星的發(fā)射使用，為衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)工作提供了更多、更好、更穩(wěn)定的衛(wèi)星資源。靜止衛(wèi)星具有覆蓋范圍寬廣、資料獲取時(shí)間同步、觀測(cè)位置固定、觀測(cè)時(shí)次密集連續(xù)等特點(diǎn)，可極大地提高衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)技術(shù)和服務(wù)水平，緩解當(dāng)前森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)工作中星源不足及極軌衛(wèi)星監(jiān)測(cè)存在空白時(shí)段的問題。

3 廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 總體設(shè)計(jì)

廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)首先接收廣東省氣象局推送的葵花8號(hào)圖像，通過對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、檢測(cè)、統(tǒng)計(jì)、異常熱點(diǎn)處理、存儲(chǔ)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)采用單景圖像和多時(shí)次多景圖像的多模式提取森林火情信息，制作森林火情監(jiān)測(cè)報(bào)告，并自動(dòng)提交至廣東省森林防火綜合管理系統(tǒng)，向廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測(cè)中心推送森林火情信息；同時(shí)，按市級(jí)行政區(qū)劃進(jìn)行數(shù)據(jù)切分，推送至廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享云平臺(tái)，以短信方式告知各市級(jí)森林防火部門下載本區(qū)域火情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)推送至疑似火情所在區(qū)域的護(hù)林員進(jìn)行第一時(shí)間實(shí)地核查，實(shí)現(xiàn)向全省各級(jí)森林防火部門提供高頻次、高精度、高準(zhǔn)確性的森林火情衛(wèi)星監(jiān)測(cè)信息，為廣東省森林火情監(jiān)測(cè)工作提供有力的高科技手段。靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本運(yùn)行方式見圖1。

圖1 廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收控制、葵花8號(hào)數(shù)據(jù)林火監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分發(fā)與成果發(fā)布等3個(gè)模塊，見圖2。

圖2 廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能架構(gòu)

1）數(shù)據(jù)接收控制模塊。負(fù)責(zé)接收廣東省氣象局推送的葵花8號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳、速度限制、權(quán)限限制、目錄權(quán)限訪問限制等。系統(tǒng)后臺(tái)程序?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮、檢測(cè)，包括對(duì)解壓后的衛(wèi)星數(shù)據(jù)文件夾名稱與文件名是否一致進(jìn)行檢查、每景影像數(shù)據(jù)量大小檢查、每景影像波段及文件完整性檢查、每景影像坐標(biāo)信息是否與實(shí)地位置相對(duì)應(yīng)檢查、每景影像投影信息是否與元數(shù)據(jù)信息匹配檢查等。

2）葵花8號(hào)數(shù)據(jù)林火監(jiān)測(cè)模塊。采用適用于葵花8號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的林火提取算法，按單景模式和多時(shí)次多景模式進(jìn)行林火監(jiān)測(cè)提取，制作林火監(jiān)測(cè)報(bào)告。系統(tǒng)支持自動(dòng)火點(diǎn)判識(shí)，也支持通過人機(jī)交互調(diào)整系數(shù)調(diào)整、閾值調(diào)整方式判識(shí)火點(diǎn)。根據(jù)前期測(cè)試，采用人機(jī)交互判識(shí)可以提高火點(diǎn)判識(shí)準(zhǔn)確度。同時(shí)，系統(tǒng)支持對(duì)過火面積進(jìn)行自動(dòng)評(píng)估，對(duì)火勢(shì)發(fā)展方向、火情強(qiáng)度增強(qiáng)/減弱等信息的評(píng)估。

林火監(jiān)測(cè)成果制作支持自動(dòng)（手動(dòng)）定位幾何精校正。林火監(jiān)測(cè)報(bào)告包括火點(diǎn)的經(jīng)緯度信息、火點(diǎn)的像元信息、是否有煙、是否連續(xù)、火點(diǎn)的背景地類（包括林地、農(nóng)田等）及其比例等。由于葵花8號(hào)衛(wèi)星每15 min可提供一次數(shù)據(jù)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，模塊支持林火監(jiān)測(cè)結(jié)果時(shí)間序列統(tǒng)計(jì)分析、對(duì)比以及動(dòng)態(tài)展示。

3）數(shù)據(jù)分發(fā)與成果發(fā)布模塊。該模塊首先對(duì)葵花8號(hào)數(shù)據(jù)做影像拼接處理，然后根據(jù)市級(jí)區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行切割分幅，把分幅數(shù)據(jù)推送到廣東省森林防火綜合管理系統(tǒng)和廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享云平臺(tái)，各市級(jí)部門通過系統(tǒng)查看各自轄區(qū)的火情信息數(shù)據(jù)并組織護(hù)林員及有關(guān)力量進(jìn)行實(shí)地核查和撲救。開發(fā)的成果發(fā)布界面見圖3。

3.3 廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享云平臺(tái)設(shè)計(jì)

廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享云接收來自靜止衛(wèi)星系統(tǒng)推送的葵花8號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)以及林火監(jiān)測(cè)結(jié)果。該系統(tǒng)支持各級(jí)森林防火部門用戶在線查詢、顯示、下載衛(wèi)星數(shù)據(jù)和林火監(jiān)測(cè)成果的功能。

廣東省衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享云平臺(tái)按功能可以劃分為靜止衛(wèi)星顯示、林火監(jiān)測(cè)成果發(fā)布、林火監(jiān)測(cè)成果推送與下載等3個(gè)模塊。

圖3 廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)成果發(fā)布及熱點(diǎn)反饋軟件界面

1）靜止氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)顯示模塊。該模塊支持已上傳至衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)上的葵花8號(hào)數(shù)據(jù)影像動(dòng)態(tài)顯示。

2）林火監(jiān)測(cè)成果發(fā)布模塊。支持在線查詢和顯示靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的林火監(jiān)測(cè)成果。

3）林火監(jiān)測(cè)成果推送與下載模塊。負(fù)責(zé)從靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的林火監(jiān)測(cè)成果推送到廣東省森林防火綜合管理系統(tǒng)，支持各市級(jí)森林防火部門在線查看和下載。

目前，系統(tǒng)支持7X24小時(shí)衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)信息報(bào)送，時(shí)間頻度為每30 min至1 h一次。對(duì)于重點(diǎn)地區(qū)和防火緊要時(shí)期，時(shí)間頻度可達(dá)每15 min一次。監(jiān)測(cè)熱點(diǎn)可與廣東省森林防火地理信息系統(tǒng)自動(dòng)疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)熱點(diǎn)的在線實(shí)時(shí)反饋。系統(tǒng)疊加界面見圖4。

圖4 靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)熱點(diǎn)與地理信息系統(tǒng)疊加界面

4 結(jié)論和展望

2018年清明節(jié)期間，廣東省靜止衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上線試運(yùn)行，利用葵花8號(hào)衛(wèi)星共監(jiān)測(cè)到全省38宗森林火情。由于監(jiān)測(cè)及時(shí)準(zhǔn)確，有關(guān)部門迅速組織撲救力量，采取行之有效措施，第一時(shí)間有效處置火情，基本達(dá)到有火不成災(zāi)，實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)“打早，打小，打了”。未來將通過加大林火視頻監(jiān)控、巡山護(hù)林和實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)等方式，來進(jìn)一步提高算法，從而提高葵花8號(hào)衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性，更好地服務(wù)于森林防火工作。

我國頒布的《全國森林防火規(guī)劃（2016—2025年）》和《全國林業(yè)信息化建設(shè)綱要》，對(duì)于新時(shí)期我國森林防火信息化工作具有重要的指導(dǎo)意義。我國的森林防火工作應(yīng)打防結(jié)合、預(yù)防與監(jiān)測(cè)撲救并重[4]。在現(xiàn)有通過衛(wèi)星監(jiān)測(cè)全國范圍、重點(diǎn)林區(qū)航空護(hù)林和視頻監(jiān)控以及地面巡護(hù)的基礎(chǔ)上，利用葵花8號(hào)靜止氣象衛(wèi)星遙感技術(shù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)、GPS定位以及數(shù)據(jù)庫、視頻及通信傳輸?shù)雀咝录夹g(shù)，對(duì)現(xiàn)有的林火監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行完善、補(bǔ)充和提升，開展整合葵花8號(hào)靜止氣象衛(wèi)星與廣東省森林防火綜合業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，對(duì)于我省深入和高質(zhì)量推進(jìn)綠化廣東大行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“四個(gè)堅(jiān)持”“三個(gè)支撐”和“兩個(gè)走在前列”，保護(hù)生態(tài)文明建設(shè)成果都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。