文|李曉彤 覃先林 劉倩 劉樹超

中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所

一、高分六號衛(wèi)星

高分六號衛(wèi)星是國家高分辨率重大專項衛(wèi)星，又稱“高分陸地應(yīng)急監(jiān)測衛(wèi)星”，于2018年6月2日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征二號丁運載火箭成功發(fā)射升空[1]。高分六號衛(wèi)星是一顆低軌光學(xué)遙感衛(wèi)星，具有高分辨率、寬覆蓋、高質(zhì)量成像、高效能成像、國產(chǎn)化率高等特點。它突破了單投影中心超大視場成像技術(shù)，提高了國產(chǎn)大視場相機圖像的精確度[2]。高分六號衛(wèi)星搭載了一臺2m全色/8m多光譜高分辨率相機和一臺16m多光譜中分辨率寬幅相機，2m全色/8m多光譜相機觀測幅寬為90km，16m多光譜相機觀測幅寬為800km，均達到國際領(lǐng)先水平。

高分六號與高分一號衛(wèi)星組網(wǎng)運行，數(shù)據(jù)每2天覆蓋全球1次，可為農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測、林業(yè)資源調(diào)查、防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域提供遙感數(shù)據(jù)支撐。與高分一號衛(wèi)星相比，高分六號衛(wèi)星性能指標(biāo)進一步提升，它實現(xiàn)了8譜段CMOS探測器的國產(chǎn)化研制，是我國首顆設(shè)有反映植被特性的“紅邊”波段的多光譜遙感衛(wèi)星，其“雙紅邊”植被敏感波段可有效提升植被、作物等的識別精度。

二、森林火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用

森林火災(zāi)是指發(fā)生在除城市市區(qū)以外，在開放的森林生態(tài)系統(tǒng)中失去人為控制的森林燃燒現(xiàn)象。在我國，森林火災(zāi)具有隨機性、突發(fā)性、破壞性，是一種處置救助較為困難的自然災(zāi)害，也是森林生態(tài)系統(tǒng)最主要的干擾因素之一[3]。森林火災(zāi)的發(fā)生往往會造成森林資源的嚴(yán)重損失，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)，同時在火災(zāi)發(fā)生時會釋放大量的CO2、CH4等溫室氣體，引起地表濕度和溫度等變化，對全球生態(tài)環(huán)境帶來影響。對火燒跡地的準(zhǔn)確識別是開展森林火災(zāi)災(zāi)情監(jiān)測的基礎(chǔ)工作。準(zhǔn)確的過火面積信息可以反映森林植被的變化和經(jīng)濟損失，也可以評估生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。近年來，較多研究表明利用衛(wèi)星遙感技術(shù)進行火燒跡地的識別和火災(zāi)損失評估是一種非常有效的方法[4]。遙感技術(shù)具有快速、經(jīng)濟、宏觀的特點，適用于對森林火災(zāi)監(jiān)測和過火面積的估算，尤其是在人員難以到達的偏遠林區(qū)。目前，利用遙感數(shù)據(jù)識別森林火燒跡地的研究已取得顯著進展；在全球尺度或長時間序列的火燒跡地識別中，主要采用具有高時間分辨率、中低空間分辨率特性的AVHRR、MODIS等遙感產(chǎn)品[5-7]；而在小區(qū)域范圍內(nèi)的火燒跡地識別中多采用中高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)，如TM影像[8]、高分一號影像[9]、CBERS影像[10]等。高分六號衛(wèi)星增加了能夠有效反映作物特有光譜特性的“紅邊”波段?；诟叻至枌挿鶖?shù)據(jù)的這一優(yōu)勢，本文選取2018年6月1日發(fā)生在內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局汗馬自然保護區(qū)的森林火災(zāi)形成的火燒跡地為研究區(qū)，分析并評價該數(shù)據(jù)在森林火燒跡地識別中的應(yīng)用能力，以期為我國森林火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1.森林火災(zāi)監(jiān)測實例

2018年6月1日19時，內(nèi)蒙古大興安嶺重點國有林管理局汗馬自然保護區(qū)發(fā)生的森林火災(zāi)，經(jīng)3620人（其中林業(yè)撲火隊1940人、森警1680人）的全力撲救，于6日10時全線合圍，外線明火全部撲滅，過火總面積約5100公頃（其中，內(nèi)蒙古境內(nèi)約4500公頃，黑龍江境內(nèi)約600公頃）。著火區(qū)域位于大興安嶺北段西坡，呼倫貝爾市北部，屬于溫帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量400～500mm，平均氣溫-5.5℃，優(yōu)勢樹種為興安落葉松、白樺、山楊、樟子松等。本文獲取該區(qū)域2018年7月30日高分六號寬幅數(shù)據(jù)，作為火燒跡地識別的數(shù)據(jù)源。

（1）典型地物光譜分析

對經(jīng)輻射定標(biāo)和正射校正等預(yù)處理后的高分六號寬幅數(shù)據(jù)，分別選取森林、灌木、裸地、火燒跡地、水體、云和云陰影區(qū)等七種樣本，將選取的典型地物樣本分為分類樣本和評價樣本，分別用于七種類型識別以及精度驗證。利用分類樣本對其在各波段的輻射亮度進行統(tǒng)計分析，其結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出，火燒跡地在高分六號寬幅數(shù)據(jù)的可見光近紅外區(qū)間各通道（1-4波段）的輻射亮度值與水體對應(yīng)通道值相差較少，而在其兩個紅邊波段（5波段和6波段）均表現(xiàn)出一定的差異，利用這兩個紅邊波段數(shù)據(jù)與其他波段數(shù)據(jù)結(jié)合，有利于火燒跡地的識別和提取。

圖1 典型地物輻射亮度統(tǒng)計分析結(jié)果

（2）樣本分離性評價

利用ENVI5.3.1軟件，對已選取的分類樣本森林、灌木、裸地、火燒跡地、水體、云和云陰影區(qū)等七類樣本進行評價，計算任意類別間的統(tǒng)計距離，用以確定兩個類別間的差異性程度，從而衡量所選類型樣本的可分離性，結(jié)果見表1。

表1 高分六號寬幅數(shù)據(jù)分類樣本分離性評價結(jié)果

從表1可以看出，云陰影與火燒跡地的可分離度最低，但所有地物間的可分離度均大于1.9，這說明所選各類典型地物樣本間的可分離性較好，有利于不同地物類型的識別。

（3）火燒跡地識別

采用最大似然法，分別利用高分六號寬幅數(shù)據(jù)的1-4波段（不包含紅邊波段信息）、1-5波段和1-6波段影像來識別森林火燒跡地，并對識別結(jié)果的精度進行評價。

圖2 高分六號寬幅數(shù)據(jù)火燒跡地識別結(jié)果圖（a為研究區(qū)假彩色合成圖R：3波段、G：4波段、B：2波段 ；b為1-4波段識別結(jié)果；c為1-5波段識別結(jié)果；d為1-6波段識別結(jié)果）

圖2中黑色區(qū)域為識別的火燒跡地，經(jīng)精度驗證得出：精度最高的是采用高分六號寬幅數(shù)據(jù)1-5波段影像時生成的結(jié)果，火燒跡地識別精度為87.25%，總精度為87.71%，Kappa系數(shù)為0.81；而利用其1-6波段影像火燒跡地識別精度為85.72%，總精度為85.82%，Kappa系數(shù)為0.79；不利用其紅邊波段信息火燒跡地識別精度為83.80%，總精度為85.66%，Kappa系數(shù)為0.79。三種識別總精度均優(yōu)于80%，采用紅邊波段信息可使火燒跡地識別精度有所提高。結(jié)果表明，高分六號影像的光譜質(zhì)量較好，監(jiān)督分類結(jié)果符合實際火燒跡地的情況，可較好地表現(xiàn)森林火燒跡地細節(jié)和識別火燒跡地等，新增的紅邊信息可提高森林火燒跡地的識別精度。

2.應(yīng)用總結(jié)

利用選取的高分六號16m多光譜中分辨率寬幅影像，采用最大似然法，分別利用影像的1-4波段、1-5波段和1-6波段，對內(nèi)蒙古大興安嶺汗馬自然保護區(qū)開展了火燒跡地等類型識別研究，結(jié)果表明：高分六號寬幅數(shù)據(jù)可較好地表現(xiàn)森林火燒跡地細節(jié)和識別火燒跡地等，新增的紅邊信息可提高森林火燒跡地的識別精度，能夠滿足我國森林火災(zāi)災(zāi)情信息評價中對衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求，有助于為森林火災(zāi)災(zāi)后恢復(fù)評價等工作提供更精細的數(shù)據(jù)資料。

三、發(fā)展展望

《全國森林防火規(guī)劃（2016-2025年）》提出了二期規(guī)劃總目標(biāo)，我國將重點實施林火預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)[11]。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要形成一個將多源遙感監(jiān)測相結(jié)合集成高效、全面靈活的監(jiān)控體系。我國高分專項衛(wèi)星的陸續(xù)發(fā)射和廣泛應(yīng)用，極大豐富了我國自主的對地觀測數(shù)據(jù)源。高分六號與高分一號衛(wèi)星組網(wǎng)運行，大大縮短了數(shù)據(jù)的更新周期，也彌補了單顆衛(wèi)星在短期內(nèi)影像不能覆蓋目標(biāo)區(qū)域的不足。隨著我國高分系列衛(wèi)星成功發(fā)射并投入使用，結(jié)合具有亞米級空間分辨率的高分二號和具有分鐘級對地觀測能力的高分四號等衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對森林火災(zāi)的實時監(jiān)測，在時間和空間上為森林火災(zāi)應(yīng)急指揮工作提供數(shù)據(jù)資料和技術(shù)保障。與此同時，在未來的森林火災(zāi)監(jiān)測體系建設(shè)中，還需結(jié)合航空監(jiān)測、地面監(jiān)測與衛(wèi)星監(jiān)測等不同監(jiān)測平臺，逐步構(gòu)建天-空-地一體化森林火災(zāi)監(jiān)測體系，為我國森林資源高效管理和陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展服務(wù)。