衛(wèi)星遙感在草原火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

衛(wèi)星遙感在草原火災(zāi)監(jiān)測(cè)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(cái)產(chǎn)安全的嚴(yán)重事件之一。草原火災(zāi)通常具有火勢(shì)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(duì)草原火災(zāi)的快速監(jiān)測(cè)和評(píng)估可以發(fā)揮重要的作用。國(guó)內(nèi)外在這方面開(kāi)展了很多研究,主要是利用時(shí)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(lái)監(jiān)測(cè)草原火災(zāi)、估算過(guò)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(cè)時(shí)效較低,空間分辨率較高,可用來(lái)提高草原火災(zāi)的監(jiān)測(cè)、評(píng)估精度。而草原火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中,必然受到天氣條件、地表狀況等多個(gè)因素的影響,因此對(duì)這些信息的綜合分析,可以更加客觀的對(duì)草原火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)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(cè)為例,綜合利用多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、氣象常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)等對(duì)草原火災(zāi)過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估分析。1在防火設(shè)計(jì)、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(cè)數(shù)據(jù)。其中,氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括我國(guó)自主研發(fā)的風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星(FY-3)數(shù)據(jù)和美國(guó)的NOAA衛(wèi)星數(shù)據(jù)。FY-3衛(wèi)星作為我國(guó)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(shí)現(xiàn)全球、全天候、多光譜、三維、定量探測(cè),并廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害與環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候變化研究等領(lǐng)域,極大地提升我國(guó)防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)對(duì)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(cè),兩顆星上都搭載了可見(jiàn)光紅外掃描輻射計(jì)(VIRR)和中等分辨率光譜成像儀(MERSI),1d可以實(shí)現(xiàn)多次監(jiān)測(cè)。FY-3/VIRR具有與NOAA/AVHRR相似的通道設(shè)置(表1,表2),可以用來(lái)對(duì)草原火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。FY-3/MERSI具有5個(gè)250m通道(表3)和15個(gè)1km通道,可用來(lái)進(jìn)行過(guò)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(jiàn)光到近紅外范圍包括4個(gè)通道,空間分辨率為30m(表4),可用來(lái)對(duì)過(guò)火面積進(jìn)行較精細(xì)化的估算,對(duì)氣象衛(wèi)星過(guò)火面積估算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。氣象常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)為火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中的風(fēng)速和風(fēng)向數(shù)據(jù),可用來(lái)分析火場(chǎng)蔓延的方向和火場(chǎng)煙霧的位置等。2未開(kāi)洞火點(diǎn)判識(shí)根據(jù)維恩位移定律,黑體溫度T和輻射峰值波長(zhǎng)λmax成反比,即溫度愈高,輻射峰值波長(zhǎng)愈小,常溫(約300K)地表輻射峰值波長(zhǎng)在FY-3/VIRR和NOAA/AVHRR通道4波長(zhǎng)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(zhǎng)靠近FY-3/VIRR和NOAA/AVHR通道3波長(zhǎng)范圍。因此,當(dāng)?shù)孛娉霈F(xiàn)火點(diǎn)時(shí),通道3的亮溫將急劇變化,和周?chē)耐ǖ?像元形成明顯反差,并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通道4增量,可根據(jù)中紅外亮溫與周?chē)尘跋裨翜夭町?以及中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫增量差異對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行判識(shí):T3-T3bg>T3TH,且T34-T34bg>T34TH.(1)式中:T3,T3bg,T3TH分別為被判識(shí)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(shí)閾值;T34,T34bg,T34TH分別為被判識(shí)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(shí)閾值。根據(jù)我們?nèi)粘；鹎楸O(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)和人工火場(chǎng)星地同步實(shí)驗(yàn)結(jié)果,T3TH和T34TH取8K作為判識(shí)閾值。背景溫度計(jì)算對(duì)判識(shí)精度有直接影響。對(duì)于下墊面單一的植被覆蓋稠密區(qū),由鄰近像元取平均對(duì)被判識(shí)像元有較好的代表性。而在植被與荒漠交錯(cuò)地帶,鄰近像元平均亮溫可能與被判識(shí)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(shí)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(duì)高溫?zé)嵩捶浅Ｃ舾?可從圖像上判識(shí)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(shí)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(shí)際監(jiān)測(cè)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(kāi)展的人工火場(chǎng)衛(wèi)星同步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)衛(wèi)星同步野火觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和大范圍火跡地實(shí)地考察等方式對(duì)亞像元火點(diǎn)估算精度和有效性進(jìn)行了驗(yàn)證,對(duì)估算方法進(jìn)行了改進(jìn),提出了業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)實(shí)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(guò)對(duì)人工火場(chǎng)衛(wèi)星同步觀測(cè)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(shí),可利用遠(yuǎn)紅外通道估算。4未長(zhǎng)至海達(dá)方的地物特征利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)估算過(guò)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(lái)確定過(guò)火像元。2007年5月下旬我們對(duì)黑龍江省黑河市嫩江縣火跡地進(jìn)行了實(shí)地考察,獲得了ASD光譜儀在火跡地現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了過(guò)火區(qū)和未過(guò)火區(qū)的植被光譜,圖1給出了草地過(guò)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(guò)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(guò)選擇過(guò)火像元和未過(guò)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(guò)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(guò)火像元和未過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)火區(qū),必然把A區(qū)域判識(shí)成過(guò)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(niǎo)區(qū)域亮溫高是因?yàn)樵搮^(qū)域?yàn)槊骰饏^(qū)和剛過(guò)火后的過(guò)火區(qū)。從這點(diǎn)可以判斷A區(qū)域不是過(guò)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(shuō)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?yàn)榛饒?chǎng)形成的煙霧、薄云和云的陰影組成。因?yàn)橥ǖ?(紅色通道)波長(zhǎng)較通道2(近紅外通道)波長(zhǎng)短,通道1沒(méi)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(guò)對(duì)氣象常規(guī)觀測(cè)資料的分析可以進(jìn)一步驗(yàn)證上面的分析。圖4中給出了火場(chǎng)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(chǎng)區(qū)域),可以看到這期間火場(chǎng)區(qū)域主要是偏西風(fēng)和西北風(fēng)為主。這樣可以說(shuō)明位于火場(chǎng)東側(cè)的A區(qū)域煙霧的存在。綜合以上分析可知,在過(guò)火面積提取過(guò)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(guò)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(guò)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(jì)基于本文的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)、亞像元估算和過(guò)火面積估算方法,我們共利用了9個(gè)時(shí)次的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)(表5),對(duì)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估分析。圖5為利用4月7日10時(shí)58分的HJ-1B/CCD數(shù)據(jù)提取的監(jiān)測(cè)結(jié)果,估算過(guò)火像元面積為9.8km2。此時(shí)為火災(zāi)剛發(fā)生不久的圖像,通過(guò)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(shí)30分的FY-3A/VIRR數(shù)據(jù)提取的監(jiān)測(cè)結(jié)果,可以看到此時(shí)火場(chǎng)上空被云層覆蓋,但通過(guò)云縫隙處還是監(jiān)測(cè)到了異常高溫點(diǎn),亮溫達(dá)到332K。通過(guò)與圖5的火場(chǎng)位置對(duì)比分析可知,該處異常高溫點(diǎn)為火場(chǎng)中的明火點(diǎn)。圖7為利用4月7日13時(shí)25分的FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)提取的監(jiān)測(cè)結(jié)果,可以清楚的看到此時(shí)火場(chǎng)的明火面積和過(guò)火區(qū)面積較圖5已經(jīng)明顯擴(kuò)大,經(jīng)估算此時(shí)明火像元面積達(dá)到148km2,亞像元估算明火面積約為16hm2,過(guò)火像元面積達(dá)到了106km2。圖8為利用4月7日14時(shí)12分的NOAA-18/AVHRR數(shù)據(jù)提取的監(jiān)測(cè)結(jié)果,經(jīng)估算火場(chǎng)的明火像元面積約180km2,亞像元估算明火面積約為9hm2,過(guò)火像元面積達(dá)到了399km2。通過(guò)對(duì)比可知,此時(shí)火場(chǎng)明火像元面積和過(guò)火像元面積較上個(gè)時(shí)次都迅速增大,說(shuō)明火場(chǎng)蔓延速度非?？?。這與火場(chǎng)當(dāng)時(shí)的風(fēng)速較大密切相關(guān),通過(guò)圖4可以知道,這期間的風(fēng)速達(dá)到4～6級(jí)。但值得注意的是此時(shí)亞像元估算的明火面積較上個(gè)時(shí)次有所減少,說(shuō)明此時(shí)火點(diǎn)強(qiáng)度有減弱趨勢(shì)。為了對(duì)此次火場(chǎng)過(guò)程進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè),充分利用氣象衛(wèi)星中紅外通道夜間對(duì)火點(diǎn)的監(jiān)測(cè)能力,利用2012年4月7日晚上21時(shí)15分的FY-3A/VIRR數(shù)據(jù)、4月8日凌晨1時(shí)45分的FY-3B/VIRR數(shù)據(jù)和4月8日凌晨2時(shí)30分的NOAA-18/AVHRR數(shù)據(jù)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè),均未發(fā)現(xiàn)該火場(chǎng)有明火信息,說(shuō)明此次火災(zāi)過(guò)程已經(jīng)結(jié)束?；馂?zāi)結(jié)束后,就可以利用衛(wèi)星遙感對(duì)這次火災(zāi)最終形成的過(guò)火面積進(jìn)行估算。選擇離火災(zāi)發(fā)生后最近時(shí)次的晴空數(shù)據(jù),即4月8日的FY-3B/MERSI數(shù)據(jù),對(duì)過(guò)火面積進(jìn)行了估算(圖9),經(jīng)估算面積為918km2。為了對(duì)250m空間分辨率的FY-3B/MERSI數(shù)據(jù)估算的面積進(jìn)行驗(yàn)證,選擇了距離該時(shí)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(shí)的方式,對(duì)過(guò)火區(qū)進(jìn)行了提取和面積估算(圖10),對(duì)比圖9和圖10可知,兩圖出示的過(guò)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(guò)火區(qū)面積為960km2,因?yàn)镠J/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(guò)火面積為真值,則可計(jì)算出FY-3B/MERSI數(shù)據(jù)估算的過(guò)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(cè)、亞像元火點(diǎn)估算和過(guò)火區(qū)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)草原火災(zāi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析。結(jié)合這次火災(zāi)