呂萬鵬

（應急管理部南方航空護林總站，云南 昆明650021）

森林火災是一種失去人為控制的森林燃燒現(xiàn)象。根據(jù)起因不同可分為自然火和人為火。自然火是指雷電、泥炭自然發(fā)酵、滾石擊起火花、林木干枝的摩擦等引起的火災；人為火是指由于人類在生活、生產中的不當行為引起的火災[1]。林火作為一種自然災害具有突發(fā)性的特征，一旦超出人為控制后在森林中延伸擴展，就會給人類生命財產造成損失，給生態(tài)環(huán)境帶來危害。我國是一個森林火災多發(fā)的國家，僅2000-2014年我國森林火災的次數(shù)平均為7945次/年，火場總面積平均為24萬km2/年，受害森林面積平均為10萬km2/年[2]。我國實施天然林保護和退耕還林工程以來，天然林和人工林林內可燃物載荷增加；同時，全球氣候變暖造成了森林高火險天氣數(shù)量增加。我國未來森林防火形勢嚴峻。

森林火災的監(jiān)測和撲救，如果單靠人工進行，不僅要花費大量的人力和財力，而且要經(jīng)過很長的時間才能獲得火場全面的資料。用遙感技術，則能在短時間內獲得全面準確的資料，方便及時指導防災、救災工作。

1 遙感技術概述

1.1 遙感的定義

“遙感”，顧名思義，就是遙遠地感知，簡稱RS。人類通過大量的實踐，發(fā)現(xiàn)地球上每一個物體都在不停地吸收、發(fā)射信息和能量，其中有一種人類已經(jīng)認識到的形式——電磁波，并且發(fā)現(xiàn)不同物體的電磁波輻射特性是不同的。遙感就是根據(jù)這個原理來探測地表物體對電磁波的反射和其輻射的電磁波，從而提取這些物體的信息，完成遠距離識別物體。

1.2 遙感技術的發(fā)展

遙感作為一種空間探測技術，至今已經(jīng)歷了地面遙感、航空遙感和航天遙感三個階段。遙感技術是從19世紀初出現(xiàn)攝影術開始的。19世紀中葉，就有人使用氣球從空中對地面進行攝影。20世紀初，飛機問世以后，人們開始從空中利用飛機對地面進行攝影，并將航空影像應用于地形和地圖制圖等方面，這揭開了當今遙感技術的序幕。近十幾年隨著空間技術的迅速發(fā)展，雖然航天遙感具有許多優(yōu)越性，但是由于航空遙感具有成像比例尺大、分辨率高、幾何糾正準確等優(yōu)點，故航空遙感現(xiàn)在仍然是重要的遙感手段。

遙感技術包括傳感器技術、信息傳輸技術、信息處理、提取和應用技術，目標信息特征的分析與測量技術等。

1.3 遙感技術的應用

遙感的關鍵裝置是傳感器。傳感器在航空或航天中接受地面物體反射的電磁波信號，以圖像形式記錄下來，傳送到地面，最后通過處理和判斷分析，揭示物體的特征、性質和變化。按照傳感器使用的平臺可分為：航空遙感技術和地面遙感技術[3]。常用的傳感器包括航空攝像儀、全景攝像機、多光譜攝像機、多光譜掃描儀、專題制圖儀、反束光導攝像管、合成孔徑側視雷達、固體掃描儀（CCD）、紅外線掃描儀等。

近十幾年來，我國遙感技術的發(fā)展也十分迅速，不僅可以直接接收、處理和提供衛(wèi)星的遙感信息，而且具有航空航天遙感信息采集的能力，能夠自行設計制造如紅外線掃描儀、合成孔徑側視雷達等多種用途的航空航天遙感儀器和用于地物波普測定的儀器。其中，機載CCD相機常用于探測火災的重災區(qū)，可以用來分析受災程度和建立災情解譯分析標志。熱紅外多光譜掃描儀是監(jiān)測森林火災的有效傳感器，它設置了0.4～0.5 μm、3～5 μm和8～12.5 μm三個探測通道，其中可見光通道用作背景，直觀地反應地表自然景觀；3～5 μm通道是探測火災的主要通道，通過探測火災產生的高溫溫度場揭示地表火情；8～12.5 μm通道用于揭示地表背景溫度場（常溫溫度場）。將熱紅外掃描儀和CCD相機結合，進行火災區(qū)的航空監(jiān)測，對圖像進行處理和解譯，分析火災的蔓延趨勢和可能出現(xiàn)暗火的區(qū)域，為采取有效的滅火措施提供準確的依據(jù)[4]。

2 遙感技術在南方森林航空消防工作中的應用情況

自1993年成立西南衛(wèi)星林火監(jiān)測分中心以來，遙感技術特別是航空遙感技術逐漸應用到南方森林航空消防工作中。南方航空護林總站是我國西南地區(qū)專門從事森林防火、滅火的一支現(xiàn)代化森林航空消防專業(yè)隊伍，承擔著黃河以南18個?。▍^(qū)、市）森林航空消防工作。航空護林防護區(qū)內的國土面積共418.07萬km2，已開航省份森林航空消防覆蓋面積約254.46萬km2，約占南方18個省（區(qū)、市）國土面積的60.87%。目前，南方森林航空消防實際工作中，遙感技術重點應用在林火的預警監(jiān)測和火災的實際撲救上。

2.1 遙感技術在南方林火監(jiān)測中的應用

衛(wèi)星監(jiān)測是林火監(jiān)測技術發(fā)展的前沿領域，利用衛(wèi)星搭載遙感裝置可以監(jiān)測記錄地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的各類信息。其中根據(jù)森林燃燒時溫度高于背景地表溫度，衛(wèi)星能夠完成森林熱點的識別監(jiān)測。衛(wèi)星遙感技術在林火識別監(jiān)測中可以實現(xiàn)著火點地理位置的判定、火線的范圍制圖、火場變化趨勢判斷及火燒跡地植被恢復過程的監(jiān)測和評價。遙感技術在衛(wèi)星林火監(jiān)測上有獨特優(yōu)勢，分辨率高，發(fā)現(xiàn)早，發(fā)現(xiàn)火情可及時通知林業(yè)部門采取措施，阻止火點蔓燃，最大限度降低林火造成損失。目前，在南方林區(qū)用于森林火災監(jiān)測的衛(wèi)星多為極軌衛(wèi)星，主要是FY、TERRA、AQUA、NOAA、EOS/MODIS系列氣象衛(wèi)星。美國NOAA氣象衛(wèi)星信息源是面向全球的無償遙感信息源，具有周期短、密度高、多時相動態(tài)遙感的能力，但分辨率給林火信息監(jiān)測帶來一定困難；EOS衛(wèi)星在林火監(jiān)測中具有很好的應用前景，不僅可應用于林火的直接監(jiān)測，同時可以開展地表溫度、濕度的監(jiān)測，利用MODIS資料進行林火的動態(tài)監(jiān)測，具有較好的應用前景，在林火的準確率和定位上較NOAA衛(wèi)星有較大的提高[3]。

利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行林火監(jiān)測，雖然能夠實現(xiàn)每天對南方林區(qū)開展森林火情的監(jiān)測，但衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在空間分辨率較低，利用熱紅外通道數(shù)據(jù)進行林火監(jiān)測時易受到強反射面和高溫飽和等因素的干擾。另外，氣象衛(wèi)星監(jiān)測易受到云、霧的影響，進而影響到林火監(jiān)測的精度。解決這些問題，需要在衛(wèi)星遙感技術及監(jiān)測平臺上取得技術發(fā)展，從而提高衛(wèi)星對林火監(jiān)測的成熟度。

近年來，在我國遙感技術領域，伴隨著多傳感器、多分辨率、多時相遙感數(shù)據(jù)源的接收和應用以及對高質量遙感數(shù)據(jù)的開發(fā)，促成了各種遙感數(shù)據(jù)融合技術的出現(xiàn)與發(fā)展。在衛(wèi)星林火監(jiān)測領域，應用部門希望利用有限的數(shù)據(jù)資源獲得來自不同衛(wèi)星或不同儀器遙感數(shù)據(jù)源的信息，以增強對林火的檢測與識別能力，提高衛(wèi)星遙感應用的精度、范圍和效率。于是，多衛(wèi)星、多儀器數(shù)據(jù)匹配以及其融合產品有了廣闊的市場。目前，我國自主研發(fā)的FY-3A是衛(wèi)星林火監(jiān)測工作中常用的一顆衛(wèi)星，該衛(wèi)星同時搭載紅外分光計、微波溫度計、微波濕度計，主要用于大氣垂直探測。綜合三個儀器，覆蓋了從可見光、近紅外、熱紅外到微波波段的光譜范圍，其間的光譜信息非常豐富。為了解決有云條件下衛(wèi)星大氣垂直探測技術難題，以及有效地提高大氣參數(shù)反演的精度，該衛(wèi)星綜合利用紅外通道和微波探測通道信息進行大氣垂直探測。通過紅外分光計、微波溫度計、微波濕度計三個儀器的數(shù)據(jù)融合，在與地理信息系統(tǒng)結合使用后，F(xiàn)Y-3A氣象衛(wèi)星在南方林火監(jiān)測工作中發(fā)揮了重大作用，大大提高了衛(wèi)星林火熱點的判定[5]。

2019年，我國首顆亞米級高分辨率光學對地觀測衛(wèi)星高分七號在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。高分七號衛(wèi)星是光學立體測繪衛(wèi)星，已在高分辨率立體測繪圖像數(shù)據(jù)獲取、高分辨率立體測圖、高精度衛(wèi)星遙感和遙感統(tǒng)計調查等領域取得突破。高分七號衛(wèi)星定位精度是目前國內最高的，能夠將我國乃至全球的地形地貌繪制出一幅誤差在1 m以內的立體地圖。高分七號光學衛(wèi)星不僅能夠為規(guī)劃、環(huán)保、國土、農業(yè)部門提供寶貴的信息，未來還可以應用在森林防火工作中，特別是高分衛(wèi)星的高分辨率和高定位精度在衛(wèi)星林火監(jiān)測中會發(fā)揮重要作用。

南方航空護林總站除利用衛(wèi)星遙感技術進行林火監(jiān)測外，最近幾年也在不斷探索利用無人機遙感進行林火監(jiān)測。無人機遙感應用主要集中在中低空遙感。隨著計算機技術、通信技術的迅速發(fā)展以及各種數(shù)字化、重量輕、體積小、探測精度高的小型傳感器的不斷面世，常用的低空無人機已經(jīng)可滿足1∶10000或1∶2000比例尺遙感應用的需要。相比較衛(wèi)星遙感，無人機進行遙感圖像的獲取具有較高的經(jīng)濟性和靈活性。目前，在南方林火監(jiān)測中，無人機已經(jīng)可以通過超短波通信鏈路將數(shù)據(jù)就近傳輸回地面站。圖像傳輸利用PT系列無線音視頻傳輸系統(tǒng)，可以無線、遠距離傳輸一路或多路視頻信號及音頻信號，所獲得的圖像信號和音頻信號實時、連續(xù)、無失真。無線音視頻傳輸系統(tǒng)實際傳輸距離，在無遮擋的條件下最遠可達10余公里。利用無人機配合遙感衛(wèi)星監(jiān)測森林火災已成為南方林火監(jiān)測技術重要發(fā)展方向[4]。

2.2 遙感技術在南方森林火災撲救中的應用

將遙感技術同航空護林飛機結合，在目前的森林火災撲救中，特別是在火場偵查過程中得到廣泛應用。

航空護林常用的載臺是有人飛機。目前，南方護區(qū)主要使用的直升機型有Mi-26、Mi-8、Mi-171、Ka-32、（AS-350B3）小松鼠；固定翼機型有Y12、賽斯納208、夏延等[6]。隨著機載圖傳系統(tǒng)的日趨成熟，各種遙感儀器更加小型輕質化。南方林區(qū)在實際工作中已經(jīng)將航空攝像儀、多光譜攝像機、固體掃描儀（CCD）、紅外線掃描儀等遙感設備搭載在飛機上對火場進行空中偵查。飛機觀察員將收集到的火場信息通過信息傳輸技術傳遞給火場地面撲救專業(yè)隊伍，形成了以地面指揮為主、地空配合的火場調度和撲救體系。

2014年5月21日，云南省昆明市安寧鄭家溝發(fā)生森林火災。5月21日19時，西南衛(wèi)星林火監(jiān)測分中心通過NOAA-18衛(wèi)星監(jiān)測發(fā)現(xiàn)有5個像素的熱點（YN-10），經(jīng)反饋證實為昆明安寧境內的林火。安寧當?shù)厣址阑鸩块T獲知火情后，迅速組織人員撲救，在第一時間將火情控制住。隨后，南方航空護林總站啟動《南方森林航空消防處置森林火災預案》，針對火場信息，緊急從普洱、麗江、保山和西昌航站調動1架M-171和3架卡-32直升機前往火場撲救。其中，M-171直升機載有航空攝像儀、紅外線掃描儀和圖傳設備，負責火場偵察和空中指揮，3架卡-32直升機組成編隊滅火。此外，應國家森林防火指揮部要求，南方航空護林總站派出赴火場工作組攜帶應急通信設備并調派大型通信指揮車，前往火場一線協(xié)調和指導火災撲救工作。

據(jù)統(tǒng)計，此次火災撲救過程中，M-171上的飛行觀察員利用機載攝像儀、固體掃描儀、紅外線掃描儀和圖傳設備對火場空中偵察17架次，及時向火場前指匯報火場最新態(tài)勢，提供火場偵察報告17份，火場態(tài)勢圖15份，上報火場重點部位照片75張，為火場指揮人員的決策和指揮提供了重要依據(jù)。與此同時，西南衛(wèi)星林火監(jiān)測分中心每天利用NOAA-18、FY-3A等過境衛(wèi)星連續(xù)跟蹤熱點，從5月21日發(fā)生林火到27日林火被撲滅，共制作連續(xù)熱點圖像35幅。

在處置“5·21”火災中，南航總站應用了移動多媒體實施傳輸系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、火場標繪系統(tǒng)、GIS和GPS系統(tǒng)、無線圖傳系統(tǒng)等技術，發(fā)揮了較好的作用?；饒龉ぷ鹘M的大型通信指揮車到達火場后，立即建立起火場一線—國家森林防火指揮部指揮中心—火場前指的視頻連線，利用信息傳輸技術，通過圖傳設備傳輸空中飛機偵察的火場視頻、照片和態(tài)勢圖等火場信息，保障國家森林防火指揮部與前指的視頻會議暢通，為上情下達和下情上報提供堅實保障，為各級領導及時全面掌控火場動態(tài)、做出準確分析、實施果斷決策和正確指揮提供了可靠、直觀的多媒體信息和有力的技術支持。在直升機撲救重點區(qū)域時，依托GIS準確引領吊滅，提高了火場偵察效率和滅火準確度。這些技術特別是遙感技術在森林消防中的應用，極大地提高了處置安寧火場的工作效率，為最終撲滅火災發(fā)揮了重要作用[7]。

遙感技術還可以應用于林火損失評估。當發(fā)生森林火災之后，相關部門需要對火災的起因、受害面積、撲救情況、經(jīng)濟損失、人員傷亡以及造成的環(huán)境影響等進行調查分析，從中吸取教訓，以便有針對性地加強森林防火工作。通常情況下，在對火源進行分析的過程中，需要結合環(huán)境一并分析。在確定起火位置后，不可以主觀地下結論，要按照起火地點的火源、可燃物以及環(huán)境等因素進行全面綜合分析，從而得出科學結論。在對火災發(fā)生后的火場進行評價時，可通過植物光譜的反射特征來完成。借助衛(wèi)星通道的紅外短波窗區(qū)對火場高溫熱源進行檢測，輔以林火蔓延模型，進而對起火點及火災的發(fā)展規(guī)律進行分析，不僅極大地提高了林火的撲救效率，還能迅速準確地對林火發(fā)生后的經(jīng)濟損失和社會損失進行評估。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在南方森林防火中得到應用。

遙感技術與地理信息系統(tǒng)相結合，還可以分析總結出森林火災發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，為森林防火制定新的技術規(guī)范，提高了南方森林防火綜合防控能力[3]。

3 結語

森林防火是一項復雜且系統(tǒng)的工作。為了能夠降低森林火災的發(fā)生概率，減輕火災損失，近年來，遙感技術的一系列方法手段被應用在森林防火工作中，對快速發(fā)現(xiàn)和處置森林火災起到了重要作用。在南方森林防火預警監(jiān)測和撲救實踐中，隨著遙感技術的發(fā)展和遙感產品的深入應用，結合計算機地理信息系統(tǒng)的不斷發(fā)展完善，南航總站在科學組織林火預防和撲救方面，工作水平不斷得到提高。