李英科，李全民

（1.山東省威海市文登區(qū)農(nóng)業(yè)局，山東 威海 264400；2.山東省應(yīng)急管理廳，山東 濟南 250100）

利用衛(wèi)星遙感可以大范圍監(jiān)測森林火災(zāi)，快速確定火災(zāi)的位置，估算火災(zāi)面積[1，2]。從1987年成功利用極軌氣象衛(wèi)星監(jiān)測大興安嶺“5·6”特大森林火災(zāi)開始，我國利用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測森林火災(zāi)已有30多年的歷史，其技術(shù)已日趨成熟，其中氣象局和林草局已建立了業(yè)務(wù)化的衛(wèi)星遙感林火監(jiān)測系統(tǒng)。

國家衛(wèi)星氣象中心從20 世紀(jì)80年代開始將NOAA和風(fēng)云衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用于林火監(jiān)測。董超華等[3]曾對氣象衛(wèi)星森林火災(zāi)監(jiān)測的原理、方法進行了全面的歸納。劉玉潔和楊忠東[4]探討了應(yīng)用EOS/MODIS 衛(wèi)星資料進行森林火災(zāi)監(jiān)測的算法。劉誠等[2]分析了氣象衛(wèi)星亞像元火點面積和亮溫估算方法。朱小祥等[5]闡述了FY-2C 衛(wèi)星在火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用。鄭海青及梁益同分別[6，7]介紹了省級氣象局建立衛(wèi)星遙感林火監(jiān)測系統(tǒng)的情況。

目前的衛(wèi)星遙感林火監(jiān)測系統(tǒng)是在衛(wèi)星過境期間將資料接收并存儲，衛(wèi)星過境后再對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、火點判識、火點定位分析等計算及處理，整個計算處理過程需要半小時左右。對于森林防火這種時效性敏感的防災(zāi)工作，晚半個小時監(jiān)測到火情，可能會增加巨大損失，有的甚至?xí)e過最佳滅火時機。

如果能進一步提高林火監(jiān)測的時效，在衛(wèi)星過境的同時就進行火點判識及火點定位分析處理，使相關(guān)部門實時地獲取森林火情的有關(guān)信息，將可提高撲救森林大火的快速響應(yīng)能力。為了提高林火監(jiān)測的時效，我們開發(fā)了新的衛(wèi)星遙感林火實時監(jiān)測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)可實時接收極軌氣象衛(wèi)星資料，并在數(shù)據(jù)接收的同時，實時對資料進行處理，并實時對森林火災(zāi)進行監(jiān)測和定位。軟件以Windows XP為操作系統(tǒng)平臺，開發(fā)環(huán)境為VC++.Net 2003。

1 林火監(jiān)測問題現(xiàn)狀

傳統(tǒng)方法中林火信息實時處理的難點是極軌氣象衛(wèi)星過境期間，地面接收系統(tǒng)必須連續(xù)不斷地接收衛(wèi)星遙感原始數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的火點監(jiān)測算法是為單機單線程的運行環(huán)境開發(fā)的。如果要實現(xiàn)實時監(jiān)測，就必須在同一個處理流程中，每接受一幀的原始數(shù)據(jù)立即對其進行處理，并在下一幀數(shù)據(jù)到來之前處理完畢，轉(zhuǎn)入下一幀數(shù)據(jù)的接受處理流程。

由于衛(wèi)星遙感資料探測火點及計算火點的位置需要經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)處理及計算，包括綜合可見光及紅外通道數(shù)據(jù)對晴空、陸地進行判別，將紅外通道的輻射率反演為亮溫并對晴空、陸地進行火點判別，由衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星姿態(tài)及掃描點序號計算火點經(jīng)緯度。這就使得在完成大量的數(shù)據(jù)處理及計算與確保數(shù)據(jù)的完整接收之間出現(xiàn)矛盾：在下一幀數(shù)據(jù)到來時，由于上一幀數(shù)據(jù)還沒有處理完畢而造成數(shù)據(jù)丟失。

由于以上難點，目前同類的衛(wèi)星遙感林火監(jiān)測系統(tǒng)采用了非實時的處理方法[2，3，6，7]，首先將衛(wèi)星遙感資料接收存盤，再進行處理分析。其處理流程是：在衛(wèi)星過境時將資料接收并存盤；對存盤資料進行預(yù)處理；對預(yù)處理后的資料進行投影，并對1、2通道的反射率做太陽高度角訂正，對3、4、5通道的輻射率做亮溫反演；對投影資料進行火點判別；計算火點的經(jīng)緯度。其特點是，在處理流程中的各環(huán)節(jié)工作時間是不重疊的，上一環(huán)節(jié)的功能模塊處理完成并以文件形式輸出結(jié)果后，下一環(huán)節(jié)的功能模塊才能開始處理。

2 林火監(jiān)測技術(shù)流程

由于傳統(tǒng)的基于單機單線程的火點監(jiān)測算法不能滿足實時處理的要求，必須對原來系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程、火點判別方法及火點的定位算法進行改進及優(yōu)化，以達到實時處理的目的。

新開發(fā)的極軌氣象衛(wèi)星林火實時監(jiān)測系統(tǒng)是由3 臺服務(wù)器組成的并行處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)接收、火點的判斷、火點定位、顯示等的運行時序分配在3臺服務(wù)器中同步運行。

3 臺服務(wù)器分別完成的任務(wù)為：第1 級服務(wù)器完成資料的實時接收，并在接收到每一幀數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行火點的初步模糊判斷；第2 級服務(wù)器對接收到的疑似火點數(shù)據(jù)進行云判識、亮溫反演，對疑似火點做進一步確認(rèn)；第3 級服務(wù)器結(jié)合地理信息完成對火點判識、火點定位、顯示等。

每接收處理一幀衛(wèi)星遙感資料的林火信息分3個步驟完成，每個步驟僅需要上一步驟的處理結(jié)果，由3臺服務(wù)器各承擔(dān)一個步驟的任務(wù)。

衛(wèi)星遙感林火實時監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是流水線并行處理系統(tǒng)。其處理流程是，每臺服務(wù)器接收上一個步驟的結(jié)果數(shù)據(jù)后，開始處理并將處理結(jié)果數(shù)據(jù)送到完成下一級任務(wù)的服務(wù)器，然后準(zhǔn)備接收新數(shù)據(jù)繼續(xù)處理。

2.1 火點實時辨識

火點的實時判識是能否實現(xiàn)林火信息實時處理的關(guān)鍵。其任務(wù)是在實時接收的數(shù)據(jù)中識別出含有林火信息的掃描點，并將掃描時間及掃描點序號提交到火點定位處理模塊進行火點定位計算。

本系統(tǒng)實現(xiàn)火點實時判識的關(guān)鍵技術(shù)是將判識的時序從模糊到確定分3步，分別由3臺服務(wù)器并行處理。其處理流程是：第1 級處理服務(wù)器在接收到每一幀數(shù)據(jù)后，首先根據(jù)反射率及輻射率對數(shù)據(jù)進行火點的初步模糊判斷，并將疑似火點數(shù)據(jù)傳送給下一級處理服務(wù)器做進一步確認(rèn)；第2級處理服務(wù)器對接收到的疑似火點數(shù)據(jù)的反射率做太陽高度角訂正、對輻射率進行亮溫反演，然后對疑似火點做進一步確認(rèn)并將計算結(jié)果傳送給下一級處理服務(wù)器；最后，由第3 級處理服務(wù)器結(jié)合地理信息完成對火點的最終確認(rèn)、火點定位、顯示等。

由于在進行火點的實時判識時，需要將AVHRR 資料原始數(shù)據(jù)的計數(shù)值轉(zhuǎn)換為探測值進行分析，因此必須預(yù)先得到定標(biāo)系數(shù)。本系統(tǒng)在進行火點的實時判識前，先進行一段輻射定標(biāo)系數(shù)的實時計算。

2.1.1 火點模糊判斷

由第1 級處理服務(wù)器完成，目的是在接收一幀數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)做快速的判別，只將疑似火點數(shù)據(jù)送到下一級處理服務(wù)器，有效地減少下一級處理服務(wù)器的運算量。

其方法是，首先簡單地根據(jù)第2 通道反射率是否大于第1通道反射率判斷是否為晴空、陸地，再將其3、4 通道輻射率與經(jīng)驗閥值比較，判斷其為火點的可能性。

疑似火點數(shù)據(jù)被送到第2 級處理服務(wù)器，由第2級處理服務(wù)器對疑似火點作進一步確認(rèn)。

2.1.2 火點進一步確認(rèn)

第1 級處理服務(wù)器完成火點的初步模糊判斷后，疑似火點數(shù)據(jù)送到第2 級處理服務(wù)器。由于進行火點模糊初判時，直接用原始數(shù)據(jù)的可見光反射率進行晴空陸地的判別，直接用原始數(shù)據(jù)的熱紅外輻射率進行火點的判別，并沒有對反射率進行太陽高度角訂正，也沒有對熱紅外輻射率進行亮溫反演，存在錯判的可能。所以，需要由第2 級處理服務(wù)器對疑似火點數(shù)據(jù)作進一步的篩選。其主要工作是對接收到的疑似火點數(shù)據(jù)進行反射率太陽高度角訂正、輻射亮溫反演，根據(jù)訂正及反演后的數(shù)據(jù)對疑似火點做進一步確認(rèn)。

2.1.3 火點最后判定

第2級處理服務(wù)器對疑似火點數(shù)據(jù)進行篩選后，將進一步確認(rèn)的火點數(shù)據(jù)送到第3 級處理服務(wù)器。

這些數(shù)據(jù)是經(jīng)過多通道的遙感資料綜合處理分析之后提取的，已經(jīng)可以確定其為地面的高溫?zé)狳c。由于人類的一些生產(chǎn)性活動也會產(chǎn)生高溫?zé)狳c，例如燒荒、磚廠、化工廠等。因此，這些地面的高溫?zé)狳c仍只是疑似火點。

要最后判定哪些是森林火災(zāi)，就必須結(jié)合地理信息，從這些高溫?zé)狳c中剔除由于人類的生產(chǎn)性活動產(chǎn)生的高溫?zé)狳c。這部分工作由第3級處理服務(wù)器完成。

2.2 火點實時定位

在衛(wèi)星遙感林火實時監(jiān)測系統(tǒng)的整個處理流程中，有2 個環(huán)節(jié)需要對衛(wèi)星遙感資料掃描點進行定位計算：第2 級處理服務(wù)器在對火點做進一步確認(rèn)時，需要對反射率做太陽高度角訂正。因此，需要計算衛(wèi)星遙感資料掃描點的位置，再計算該掃描點的太陽高度角；第3 級處理服務(wù)器在對火點做最終確認(rèn)時，需要計算衛(wèi)星遙感資料掃描點的地理經(jīng)緯度，再結(jié)合地理信息完成對火點的最后判定。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.1 林火監(jiān)測數(shù)據(jù)源

1）資源一號02C 衛(wèi)星。資源一號02C 衛(wèi)星于2011年12月22 日成功發(fā)射。ZY-102C 衛(wèi)星配置的兩臺2.36 m 分辨率HR 相機使數(shù)據(jù)的幅寬達到54 km，從而使數(shù)據(jù)覆蓋能力大幅增加，使重訪周期大大縮短。

2）資源三號衛(wèi)星。資源三號衛(wèi)星于2012年1月9日成功發(fā)射。資源三號衛(wèi)星是我國首顆民用高分辨率光學(xué)傳輸型立體測繪衛(wèi)星，衛(wèi)星集測繪和資源調(diào)查功能于一體。資源三號可以獲取同一地區(qū)3 個不同觀測角度立體像對，能夠提供豐富的三維幾何信息。

3）環(huán)境一號C衛(wèi)星。環(huán)境一號C衛(wèi)星于2012年11月19 日成功發(fā)射，具有一定的穿透力，可以全天時、全天候工作，特別適合惡劣氣候條件下的應(yīng)用。

4）高分二號衛(wèi)星。這是我國自主研制的首顆空間分辨優(yōu)于1 m 的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，搭載有兩臺高分辨率1 m 全色、4 m 多光譜相機，具有亞米級空間分辨率、高定位精度和快速姿態(tài)機動能力等特點，是我國目前分辨率最高的民用陸地觀測衛(wèi)星，星下點空間分辨率可達0.8 m。

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計原則

1）統(tǒng)一設(shè)計原則。為保證數(shù)據(jù)的有效性、合理性、一致性和可用性，在全國統(tǒng)一設(shè)立交換資源庫基本項目和統(tǒng)一編碼的基礎(chǔ)上，進行擴展并制定統(tǒng)一的交換資源庫結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

2）有效提取原則。既要考慮宏觀決策需要，又要兼顧現(xiàn)實性，并進行業(yè)務(wù)信息的有效提取，過濾掉生產(chǎn)區(qū)中的過程性、地方性數(shù)據(jù)，將關(guān)鍵性、結(jié)果性數(shù)據(jù)提交并集中到交換區(qū)數(shù)據(jù)庫中。

3）保證交換原則。統(tǒng)一設(shè)計數(shù)據(jù)交換接口、協(xié)議、流程和規(guī)范，保證數(shù)據(jù)通道的順暢。

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計路線

根據(jù)項目設(shè)計書要求的數(shù)據(jù)內(nèi)容，以及設(shè)計原則設(shè)計基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程中包括數(shù)據(jù)外部設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和運用設(shè)計，三者缺一不可。三者關(guān)系如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計框架

3.4 基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù)庫

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)與地表覆蓋數(shù)據(jù)概括起來有以下幾種類型∶數(shù)字線劃圖數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、興趣點數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)等，見圖2。這些數(shù)據(jù)在建庫前均需經(jīng)過一定的加工處理過程，使其滿足建庫的要求，然后進行數(shù)據(jù)建庫才能在系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

圖2 基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù)庫處理流程

4 林業(yè)防火地理信息系統(tǒng)

4.1 總體架構(gòu)

本系統(tǒng)體系架構(gòu)包括前端GIS 功能、火點詳細(xì)信息功能、衛(wèi)星林地定位功能、地圖底圖類型加載4 部分組成，如圖3 所示，其中前端GIS 功能包括地圖縮放移動、地圖比例尺顯示、地圖經(jīng)緯度顯示，火點詳細(xì)信息功能包括火點可信度統(tǒng)計、火災(zāi)受損面積統(tǒng)計、火點衛(wèi)星圖片查看，衛(wèi)星定位功能包括火點具體位置信息、火點位置經(jīng)緯度信息，地圖底圖類型加載包括天地圖矢量和影像圖、谷歌影像圖、谷歌高程圖。

圖3 林業(yè)防火信息系統(tǒng)體系基本構(gòu)成

4.2 前端操作界面

4.2.1 地圖可視化操作

1）地圖縮放移動：通過地圖縮放控件對地圖底圖的大小進行縮放或者通過鼠標(biāo)的滾輪實現(xiàn)。

2）地圖比例尺的顯示：地圖比例尺大小隨著地圖底圖的放大縮小而變化著。

3）地圖經(jīng)緯度顯示：鼠標(biāo)在地圖底圖上不停地移動，鼠標(biāo)在地圖底圖上的經(jīng)緯度坐標(biāo)也不停地變化著。

4.2.2 火點信息查看

1）火點可信度統(tǒng)計：通過后臺相關(guān)算法和衛(wèi)星影像照片信息計算發(fā)生火點的可信程度。

2）火災(zāi)受損面積統(tǒng)計：通過后臺相關(guān)算法和衛(wèi)星影像照片信息計算發(fā)生火點受損面積的大小。

3）火點衛(wèi)星圖片查看：通過后臺相關(guān)算法和衛(wèi)星影像照片信息查看發(fā)生火點的衛(wèi)星圖片。

4.2.3 衛(wèi)星定位功能

1）火點具體位置信息：通過衛(wèi)星影像照片信息識別發(fā)生火點的具體位置所在地。

2）火點位置經(jīng)緯度信息：通過衛(wèi)星影像照片信息識別發(fā)生火點的具體經(jīng)緯度信息。

4.2.4 遙感底圖及時加載

1）天地圖矢量數(shù)據(jù)加載：通過后臺相關(guān)算法調(diào)用天地圖矢量數(shù)據(jù)作為地圖底圖。

2）天地圖影像數(shù)據(jù)加載：通過后臺相關(guān)算法調(diào)用天地圖影像數(shù)據(jù)作為地圖底圖。

3）谷歌影像圖數(shù)據(jù)加載：通過后臺相關(guān)算法調(diào)用谷歌影像數(shù)據(jù)作為地圖底圖。

4）谷歌高程圖數(shù)據(jù)加載：通過后臺相關(guān)算法調(diào)用谷歌高程數(shù)據(jù)作為地圖底圖。

4.3 林地分類服務(wù)

針對林地面積大、森林類型多樣化的特點，采用衛(wèi)星遙感方法進行全市一級分類服務(wù)，精確地將地區(qū)山水林田湖地理位置進行分類，著重將林地種植面積進行高精度分類，實現(xiàn)分類管理的高精度性。提供每年4 次的林地資源分類調(diào)查報告和林地信息變化監(jiān)測報告。

調(diào)動衛(wèi)星資源，針對實際需求，擬采用米級和亞米級高分辨率衛(wèi)星對目標(biāo)區(qū)域進行林地信息采集。例如，在為廣東汕尾市提供遙感衛(wèi)星服務(wù)過程中，通過衛(wèi)星影像精校正系統(tǒng)對影像進行校正，結(jié)合專業(yè)化的解譯和判讀技術(shù)對全市林區(qū)地物信息進行提取和分類，最后完成一級分類專題圖，形成矢量數(shù)據(jù)文件和分析報告交付用戶。

林業(yè)管理項目中自然資源基數(shù)調(diào)查與林地分類主要包括對影像數(shù)據(jù)和衛(wèi)星圖像批量處理兩部分。如圖4 所示，其中對影像數(shù)據(jù)批量處理流程主要為：通過獲取影像數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進行技術(shù)處理，從而生成林業(yè)一級圖，一級圖中將林、水、田進行分類，得到林業(yè)的分布情況，然后結(jié)合現(xiàn)場確定林業(yè)面積基數(shù)；對衛(wèi)星數(shù)據(jù)批量處理主要流程：首先選擇合適的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星圖像進行技術(shù)處理，結(jié)合地物光譜特征庫和人工實調(diào)數(shù)據(jù)，從而構(gòu)造林地要素反演模型，采用無人機和人工取樣方法，去驗證衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)精度；通過以上兩個部分處理，最終確定森林面積、分布、分類。

圖4 林業(yè)分類技術(shù)路線

4.4 林火監(jiān)測服務(wù)

實現(xiàn)推送靜止軌道氣象衛(wèi)星的火點位置、屬性、衛(wèi)星圖片數(shù)據(jù)；通過靜止氣象衛(wèi)星監(jiān)測，實現(xiàn)高時效、高頻次（10 分鐘1 次）的林火監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)火點的第一時間及時報警，同時火點的定位信息、屬性信息及圖像信息均顯示在系統(tǒng)中。

4.5 軟件支撐環(huán)境

Eclipse開發(fā)平臺、SQL SERVER 2008 R2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件和Arc GIS Engine Runtime 10.2 軟件用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、處理、示范應(yīng)用等應(yīng)用系統(tǒng)運行時支撐。ArcGIS Server Advanced 10.2 軟件用于空間地理信息服務(wù)的發(fā)布、服務(wù)管理、專題信息采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)軟件支撐。ArcGIS Desktop 10.2 數(shù)據(jù)處理桌面端軟件，用于空間數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、要素編輯、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、空間數(shù)據(jù)庫建庫等數(shù)據(jù)加工處理。

4.6 硬件支撐環(huán)境

1）后臺服務(wù)器。

處理器：2顆E5-2603v4（1.7 GHz/10c）/6 GT；

內(nèi)存：128 GB DDR4RECC內(nèi)存；

硬盤：5塊1.2 T熱插拔硬盤；

網(wǎng)卡：1000 M*4。

2）防火通信設(shè)備。

天通衛(wèi)星移動網(wǎng)絡(luò)話音、短信、數(shù)據(jù)功能；SIM卡：Nano SIM卡；導(dǎo)航：GPS北斗。

5 結(jié)論

森林防火信息系統(tǒng)建成后，可有效提升了政府的經(jīng)濟與管理效益，降低森林火災(zāi)的發(fā)生率，推動林業(yè)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展；降低林業(yè)管理成本，提高居民福利水平，使其實現(xiàn)更加包容的增長；降低政府在林業(yè)管理方面投資，減少政府在林業(yè)管理方面人員投入，提高林業(yè)管理水平，通過政府制定的標(biāo)準(zhǔn)化帶動產(chǎn)業(yè)化。林業(yè)防護的安全性得到有效提高，加強了政府在林業(yè)監(jiān)管方面的職能，促進政府的辦事效率和能力的提升。