衛(wèi)星遙感在草原火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用

衛(wèi)星遙感在草原火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用

草地火災(zāi)是破壞草地生態(tài)平衡，損害草地人民生命財產(chǎn)安全的嚴(yán)重事件之一。草原火災(zāi)通常具有火勢猛,蔓延速度快的特點(diǎn),而且很多火災(zāi)發(fā)生在人煙稀少的地方。衛(wèi)星遙感具有成像周期快,覆蓋范圍廣的特點(diǎn),對草原火災(zāi)的快速監(jiān)測和評估可以發(fā)揮重要的作用。國內(nèi)外在這方面開展了很多研究,主要是利用時間分辨率比較高的風(fēng)云氣象衛(wèi)星(FY)或NOAA/AVHRR氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)、EOS/MODIS遙感數(shù)據(jù)等來監(jiān)測草原火災(zāi)、估算過火區(qū)面積,并取得了比較好的研究成果。環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星HJ等陸地衛(wèi)星觀測時效較低,空間分辨率較高,可用來提高草原火災(zāi)的監(jiān)測、評估精度。而草原火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展過程中,必然受到天氣條件、地表狀況等多個因素的影響,因此對這些信息的綜合分析,可以更加客觀的對草原火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測和評估。本文以2012年4月7日內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟東烏旗的草原火災(zāi)監(jiān)測為例,綜合利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象常規(guī)觀測數(shù)據(jù)等對草原火災(zāi)過程進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測和評估分析。1在防火設(shè)計、氣象災(zāi)害方面的應(yīng)用2012年4月7日,內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟東烏旗發(fā)生了草原大火。我們獲得了火災(zāi)發(fā)生期間的氣象衛(wèi)星、環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星和氣象常規(guī)觀測數(shù)據(jù)。其中,氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括我國自主研發(fā)的風(fēng)云3號衛(wèi)星(FY-3)數(shù)據(jù)和美國的NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)。FY-3衛(wèi)星作為我國自主研發(fā)的第2代極軌氣象衛(wèi)星,星上搭載了11種傳感器,可實現(xiàn)全球、全天候、多光譜、三維、定量探測,并廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報、災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測、氣候變化研究等領(lǐng)域,極大地提升我國防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對氣候變化的能力。目前在軌運(yùn)行的FY-3A和FY-3B上下午雙星形成組網(wǎng)觀測,兩顆星上都搭載了可見光紅外掃描輻射計(VIRR)和中等分辨率光譜成像儀(MERSI),1d可以實現(xiàn)多次監(jiān)測。FY-3/VIRR具有與NOAA/AVHRR相似的通道設(shè)置(表1,表2),可以用來對草原火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測分析。FY-3/MERSI具有5個250m通道(表3)和15個1km通道,可用來進(jìn)行過火面積估算。其中,環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括A、B(HJ-1A/1B)兩顆星,于2008年9月6日成功發(fā)射。星上都搭載了CCD相機(jī)包括可見光到近紅外范圍包括4個通道,空間分辨率為30m(表4),可用來對過火面積進(jìn)行較精細(xì)化的估算,對氣象衛(wèi)星過火面積估算結(jié)果進(jìn)行驗證。氣象常規(guī)觀測數(shù)據(jù)為火災(zāi)發(fā)生過程中的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù),可用來分析火場蔓延的方向和火場煙霧的位置等。2未開洞火點(diǎn)判識根據(jù)維恩位移定律,黑體溫度T和輻射峰值波長λmax成反比,即溫度愈高,輻射峰值波長愈小,常溫(約300K)地表輻射峰值波長在FY-3/VIRR和NOAA/AVHRR通道4波長范圍左右,草本植物和林木燃燒溫度一般在550K以上,火焰溫度更是高達(dá)1000K以上,其熱輻射峰值波長靠近FY-3/VIRR和NOAA/AVHR通道3波長范圍。因此,當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)火點(diǎn)時,通道3的亮溫將急劇變化,和周圍的通道3像元形成明顯反差,并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通道4增量,可根據(jù)中紅外亮溫與周圍背景像元亮溫差異,以及中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫增量差異對火點(diǎn)進(jìn)行判識:T3-T3bg>T3TH,且T34-T34bg>T34TH.(1)式中:T3,T3bg,T3TH分別為被判識像元中紅外通道亮溫、中紅外通道背景亮溫、中紅外通道火點(diǎn)判識閾值;T34,T34bg,T34TH分別為被判識像元中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異、中紅外與遠(yuǎn)紅外差異與背景亮溫差異、中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異火點(diǎn)判識閾值。根據(jù)我們?nèi)粘；鹎楸O(jiān)測經(jīng)驗和人工火場星地同步實驗結(jié)果,T3TH和T34TH取8K作為判識閾值。背景溫度計算對判識精度有直接影響。對于下墊面單一的植被覆蓋稠密區(qū),由鄰近像元取平均對被判識像元有較好的代表性。而在植被與荒漠交錯地帶,鄰近像元平均亮溫可能與被判識像元有較大差異,可以利用背景像元亮溫標(biāo)準(zhǔn)差決定判識閾值。3根據(jù)3.7m和11m通道估算亞像元火點(diǎn)面積和溫度的方法FY-3/VIRR和NOAA/AVHRR第3通道對高溫?zé)嵩捶浅Ｃ舾?可從圖像上判識出小于1hm2大小的火點(diǎn)。但由于VIRR和AVHRR數(shù)據(jù)的空間分辨率較低,星下點(diǎn)像元分辨率為1km。如果以像元分辨率表示明火區(qū)面積,則明顯夸大了明火的實際面積。Dozier曾提出利用圖解法查找根據(jù)3.7μm和11μm通道估算亞像元火點(diǎn)面積和溫度的方法,該方法使用十分不便,并且未考慮3.7μm飽和的情況,而這在實際監(jiān)測中經(jīng)常遇到。我們利用牛頓迭代法解二元非線性方程組估算亞像元火點(diǎn)面積的方法,并利用我們開展的人工火場衛(wèi)星同步觀測實驗數(shù)據(jù)、無人機(jī)衛(wèi)星同步野火觀測實驗和大范圍火跡地實地考察等方式對亞像元火點(diǎn)估算精度和有效性進(jìn)行了驗證,對估算方法進(jìn)行了改進(jìn),提出了業(yè)務(wù)監(jiān)測實用的估算方法:P=(L3(T3mix)-L3(Tbg))/(T3(Tf)-L3(Tbg)).(2)式中L3(T3mix),L3(T3bg),L3(Tf),分別為中紅外通道混合像元亮溫、中紅外通道背景溫度、明火區(qū)溫度。這里僅有L3(Tf)是未知數(shù),通過對人工火場衛(wèi)星同步觀測資料的分析,設(shè)定明火區(qū)溫度750K,即Tf=750K。當(dāng)中紅外通道飽和時,可利用遠(yuǎn)紅外通道估算。4未長至海達(dá)方的地物特征利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)估算過火區(qū)面積,首先要根據(jù)火災(zāi)前后地表輻射特征的變化來確定過火像元。2007年5月下旬我們對黑龍江省黑河市嫩江縣火跡地進(jìn)行了實地考察,獲得了ASD光譜儀在火跡地現(xiàn)場測量了過火區(qū)和未過火區(qū)的植被光譜,圖1給出了草地過火前后的光譜特征曲線。從圖中可以看到,植被燃燒后,其葉綠素細(xì)胞受到損害,致使過火后的草地等植被的光譜特征發(fā)生了明顯的變化,主要體現(xiàn)在近紅外波段地物反射率的迅速下降。通過選擇過火像元和未過火像元在近紅外通道反射率的差異,利用域值法可以提取過火區(qū),表達(dá)式如下:RNir<TNir,(3)式中,RNir為近紅外通道的反射率。TNir為域值,即過火像元和未過火像元在近紅外通道反射率的差異。該方法可操作性強(qiáng),但容易受到水體、煙霧和云形成的陰影等低反射率地物的影響。以2012年4月7日14:12的NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)提取過火區(qū)為例,圖2分別給出了321通道彩色合成圖2(a),121通道彩色合成圖2(b)。通過圖2(a)可以清楚得看到明火區(qū)的空間分布位置(圖中B區(qū)域),以及明火區(qū)偏東方向有一處暗色區(qū)域(圖中A區(qū)域),表現(xiàn)為過火區(qū)的特征。而A區(qū)域在圖2(b)上表現(xiàn)出云或者煙霧的特征。為了明確A區(qū)域的地物性質(zhì),圖3分別給出了通道1,2,3,4的灰度圖像。在圖3(a)(紅色通道)中,A區(qū)域表現(xiàn)出部分低反射率和部分高反射率的特征,與B區(qū)域表現(xiàn)出的地物特征相似;在圖3(b)(近紅外通道)中,A區(qū)域主要表現(xiàn)出低反射率地物的特征,與B區(qū)域地物特征相近。如果利用式(3)提取過火區(qū),必然把A區(qū)域判識成過火區(qū);在圖3(c)(中紅外通道)中,A區(qū)域的亮溫明顯低于B區(qū)域亮溫。而B區(qū)域亮溫高是因為該區(qū)域為明火區(qū)和剛過火后的過火區(qū)。從這點(diǎn)可以判斷A區(qū)域不是過火區(qū);在圖3(d)(遠(yuǎn)紅外通道)中,A區(qū)域的亮溫低于周邊陸地區(qū)域亮溫,說明該區(qū)域應(yīng)該有云的影響。綜合以上分析可知:A區(qū)域為火場形成的煙霧、薄云和云的陰影組成。因為通道1(紅色通道)波長較通道2(近紅外通道)波長短,通道1沒有穿透薄云和煙霧,而通道2中下墊面信息部分穿透薄云和煙霧到達(dá)傳感器,由于該處存在云影影響,表現(xiàn)出低反射率特征。通過對氣象常規(guī)觀測資料的分析可以進(jìn)一步驗證上面的分析。圖4中給出了火場及周邊區(qū)域的11點(diǎn)圖4(a)和14點(diǎn)圖4(b)的風(fēng)速示意圖(紅色圈中為火場區(qū)域),可以看到這期間火場區(qū)域主要是偏西風(fēng)和西北風(fēng)為主。這樣可以說明位于火場東側(cè)的A區(qū)域煙霧的存在。綜合以上分析可知,在過火面積提取過程中,在式(3)的基礎(chǔ)上可以加入中紅外通道的閾值條件,這樣可以去除近紅外通道中不是過火區(qū),但又表現(xiàn)出低反射率地物的影響,表達(dá)式如下:RMir>TMir,(4)式中,RMir為中紅外通道的反射率,TMir為域值,即火像元和未過火像元在中紅外通道反射率的差異。5溫點(diǎn)及沖火點(diǎn)的估計基于本文的火點(diǎn)監(jiān)測、亞像元估算和過火面積估算方法,我們共利用了9個時次的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(表5),對2012年4月7日內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟東烏旗的草原火災(zāi)進(jìn)行了動態(tài)監(jiān)測評估分析。圖5為利用4月7日10時58分的HJ-1B/CCD數(shù)據(jù)提取的監(jiān)測結(jié)果,估算過火像元面積為9.8km2。此時為火災(zāi)剛發(fā)生不久的圖像,通過該數(shù)據(jù)可以確定火災(zāi)發(fā)生的起始位置在北緯46°20′,東經(jīng)118°附近。圖6給出了利用11時30分的FY-3A/VIRR數(shù)據(jù)提取的監(jiān)測結(jié)果,可以看到此時火場上空被云層覆蓋,但通過云縫隙處還是監(jiān)測到了異常高溫點(diǎn),亮溫達(dá)到332K。通過與圖5的火場位置對比分析可知,該處異常高溫點(diǎn)為火場中的明火點(diǎn)。圖7為利用4月7日13時25分的FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)提取的監(jiān)測結(jié)果,可以清楚的看到此時火場的明火面積和過火區(qū)面積較圖5已經(jīng)明顯擴(kuò)大,經(jīng)估算此時明火像元面積達(dá)到148km2,亞像元估算明火面積約為16hm2,過火像元面積達(dá)到了106km2。圖8為利用4月7日14時12分的NOAA-18/AVHRR數(shù)據(jù)提取的監(jiān)測結(jié)果,經(jīng)估算火場的明火像元面積約180km2,亞像元估算明火面積約為9hm2,過火像元面積達(dá)到了399km2。通過對比可知,此時火場明火像元面積和過火像元面積較上個時次都迅速增大,說明火場蔓延速度非?？臁＿@與火場當(dāng)時的風(fēng)速較大密切相關(guān),通過圖4可以知道,這期間的風(fēng)速達(dá)到4～6級。但值得注意的是此時亞像元估算的明火面積較上個時次有所減少,說明此時火點(diǎn)強(qiáng)度有減弱趨勢。為了對此次火場過程進(jìn)行全面的監(jiān)測,充分利用氣象衛(wèi)星中紅外通道夜間對火點(diǎn)的監(jiān)測能力,利用2012年4月7日晚上21時15分的FY-3A/VIRR數(shù)據(jù)、4月8日凌晨1時45分的FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)和4月8日凌晨2時30分的NOAA-18/AVHRR數(shù)據(jù)對該區(qū)域進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測,均未發(fā)現(xiàn)該火場有明火信息,說明此次火災(zāi)過程已經(jīng)結(jié)束。火災(zāi)結(jié)束后,就可以利用衛(wèi)星遙感對這次火災(zāi)最終形成的過火面積進(jìn)行估算。選擇離火災(zāi)發(fā)生后最近時次的晴空數(shù)據(jù),即4月8日的FY-3B/MERSI數(shù)據(jù),對過火面積進(jìn)行了估算(圖9),經(jīng)估算面積為918km2。為了對250m空間分辨率的FY-3B/MERSI數(shù)據(jù)估算的面積進(jìn)行驗證,選擇了距離該時次最近的2012年4月12日的HJ/CCD晴空數(shù)據(jù),采用了人機(jī)交互判識的方式,對過火區(qū)進(jìn)行了提取和面積估算(圖10),對比圖9和圖10可知,兩圖出示的過火區(qū)空間分布基本是一致的。經(jīng)HJ/CCD數(shù)據(jù)估算的過火區(qū)面積為960km2,因為HJ/CCD的空間分辨率為30m,高于FY-3B/MERSI的空間分辨率,假定HJ/CCD估算的過火面積為真值,則可計算出FY-3B/MERSI數(shù)據(jù)估算的過火區(qū)面積精度達(dá)到95%以上。6草原火災(zāi)原因分析本文在分析衛(wèi)星遙感火點(diǎn)監(jiān)測、亞像元火點(diǎn)估算和過火區(qū)監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上,以2012年4月7日東烏旗的草原火災(zāi)監(jiān)測為例,綜合利用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)、環(huán)境減災(zāi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和氣象常規(guī)觀測數(shù)據(jù)對草原火災(zāi)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測分析。結(jié)合這次火災(zāi)