卫星遥感在草原火灾监测中的应用

卫星遥感在草原火灾监测中的应用

草地火灾是破坏草地生态平衡，损害草地人民生命财产安全的严重事件之一。草原火灾通常具有火势猛,蔓延速度快的特点,而且很多火灾发生在人烟稀少的地方。卫星遥感具有成像周期快,覆盖范围广的特点,对草原火灾的快速监测和评估可以发挥重要的作用。国内外在这方面开展了很多研究,主要是利用时间分辨率比较高的风云气象卫星(FY)或NOAA/AVHRR气象卫星数据、EOS/MODIS遥感数据等来监测草原火灾、估算过火区面积,并取得了比较好的研究成果。环境减灾卫星HJ等陆地卫星观测时效较低,空间分辨率较高,可用来提高草原火灾的监测、评估精度。而草原火灾的发生、发展过程中,必然受到天气条件、地表状况等多个因素的影响,因此对这些信息的综合分析,可以更加客观的对草原火灾进行监测和评估。本文以2012年4月7日内蒙古自治区锡林郭勒盟东乌旗的草原火灾监测为例,综合利用多源卫星遥感数据、气象常规观测数据等对草原火灾过程进行了动态监测和评估分析。1在防火设计、气象灾害方面的应用2012年4月7日,内蒙古自治区锡林郭勒盟东乌旗发生了草原大火。我们获得了火灾发生期间的气象卫星、环境减灾卫星和气象常规观测数据。其中,气象卫星数据包括我国自主研发的风云3号卫星(FY-3)数据和美国的NOAA卫星数据。FY-3卫星作为我国自主研发的第2代极轨气象卫星,星上搭载了11种传感器,可实现全球、全天候、多光谱、三维、定量探测,并广泛应用于天气预报、灾害与环境监测、气候变化研究等领域,极大地提升我国防灾减灾和应对气候变化的能力。目前在轨运行的FY-3A和FY-3B上下午双星形成组网观测,两颗星上都搭载了可见光红外扫描辐射计(VIRR)和中等分辨率光谱成像仪(MERSI),1d可以实现多次监测。FY-3/VIRR具有与NOAA/AVHRR相似的通道设置(表1,表2),可以用来对草原火灾进行监测分析。FY-3/MERSI具有5个250m通道(表3)和15个1km通道,可用来进行过火面积估算。其中,环境减灾卫星数据包括A、B(HJ-1A/1B)两颗星,于2008年9月6日成功发射。星上都搭载了CCD相机包括可见光到近红外范围包括4个通道,空间分辨率为30m(表4),可用来对过火面积进行较精细化的估算,对气象卫星过火面积估算结果进行验证。气象常规观测数据为火灾发生过程中的风速和风向数据,可用来分析火场蔓延的方向和火场烟雾的位置等。2未开洞火点判识根据维恩位移定律,黑体温度T和辐射峰值波长λmax成反比,即温度愈高,辐射峰值波长愈小,常温(约300K)地表辐射峰值波长在FY-3/VIRR和NOAA/AVHRR通道4波长范围左右,草本植物和林木燃烧温度一般在550K以上,火焰温度更是高达1000K以上,其热辐射峰值波长靠近FY-3/VIRR和NOAA/AVHR通道3波长范围。因此,当地面出现火点时,通道3的亮温将急剧变化,和周围的通道3像元形成明显反差,并远远超过通道4增量,可根据中红外亮温与周围背景像元亮温差异,以及中红外与远红外亮温增量差异对火点进行判识:T3-T3bg>T3TH,且T34-T34bg>T34TH.(1)式中:T3,T3bg,T3TH分别为被判识像元中红外通道亮温、中红外通道背景亮温、中红外通道火点判识阈值;T34,T34bg,T34TH分别为被判识像元中红外与远红外亮温差异、中红外与远红外差异与背景亮温差异、中红外与远红外亮温差异火点判识阈值。根据我们日常火情监测经验和人工火场星地同步实验结果,T3TH和T34TH取8K作为判识阈值。背景温度计算对判识精度有直接影响。对于下垫面单一的植被覆盖稠密区,由邻近像元取平均对被判识像元有较好的代表性。而在植被与荒漠交错地带,邻近像元平均亮温可能与被判识像元有较大差异,可以利用背景像元亮温标准差决定判识阈值。3根据3.7m和11m通道估算亚像元火点面积和温度的方法FY-3/VIRR和NOAA/AVHRR第3通道对高温热源非常敏感,可从图像上判识出小于1hm2大小的火点。但由于VIRR和AVHRR数据的空间分辨率较低,星下点像元分辨率为1km。如果以像元分辨率表示明火区面积,则明显夸大了明火的实际面积。Dozier曾提出利用图解法查找根据3.7μm和11μm通道估算亚像元火点面积和温度的方法,该方法使用十分不便,并且未考虑3.7μm饱和的情况,而这在实际监测中经常遇到。我们利用牛顿迭代法解二元非线性方程组估算亚像元火点面积的方法,并利用我们开展的人工火场卫星同步观测实验数据、无人机卫星同步野火观测实验和大范围火迹地实地考察等方式对亚像元火点估算精度和有效性进行了验证,对估算方法进行了改进,提出了业务监测实用的估算方法:P=(L3(T3mix)-L3(Tbg))/(T3(Tf)-L3(Tbg)).(2)式中L3(T3mix),L3(T3bg),L3(Tf),分别为中红外通道混合像元亮温、中红外通道背景温度、明火区温度。这里仅有L3(Tf)是未知数,通过对人工火场卫星同步观测资料的分析,设定明火区温度750K,即Tf=750K。当中红外通道饱和时,可利用远红外通道估算。4未长至海达方的地物特征利用卫星遥感数据估算过火区面积,首先要根据火灾前后地表辐射特征的变化来确定过火像元。2007年5月下旬我们对黑龙江省黑河市嫩江县火迹地进行了实地考察,获得了ASD光谱仪在火迹地现场测量了过火区和未过火区的植被光谱,图1给出了草地过火前后的光谱特征曲线。从图中可以看到,植被燃烧后,其叶绿素细胞受到损害,致使过火后的草地等植被的光谱特征发生了明显的变化,主要体现在近红外波段地物反射率的迅速下降。通过选择过火像元和未过火像元在近红外通道反射率的差异,利用域值法可以提取过火区,表达式如下:RNir<TNir,(3)式中,RNir为近红外通道的反射率。TNir为域值,即过火像元和未过火像元在近红外通道反射率的差异。该方法可操作性强,但容易受到水体、烟雾和云形成的阴影等低反射率地物的影响。以2012年4月7日14:12的NOAA/AVHRR数据提取过火区为例,图2分别给出了321通道彩色合成图2(a),121通道彩色合成图2(b)。通过图2(a)可以清楚得看到明火区的空间分布位置(图中B区域),以及明火区偏东方向有一处暗色区域(图中A区域),表现为过火区的特征。而A区域在图2(b)上表现出云或者烟雾的特征。为了明确A区域的地物性质,图3分别给出了通道1,2,3,4的灰度图像。在图3(a)(红色通道)中,A区域表现出部分低反射率和部分高反射率的特征,与B区域表现出的地物特征相似;在图3(b)(近红外通道)中,A区域主要表现出低反射率地物的特征,与B区域地物特征相近。如果利用式(3)提取过火区,必然把A区域判识成过火区;在图3(c)(中红外通道)中,A区域的亮温明显低于B区域亮温。而B区域亮温高是因为该区域为明火区和刚过火后的过火区。从这点可以判断A区域不是过火区;在图3(d)(远红外通道)中,A区域的亮温低于周边陆地区域亮温,说明该区域应该有云的影响。综合以上分析可知:A区域为火场形成的烟雾、薄云和云的阴影组成。因为通道1(红色通道)波长较通道2(近红外通道)波长短,通道1没有穿透薄云和烟雾,而通道2中下垫面信息部分穿透薄云和烟雾到达传感器,由于该处存在云影影响,表现出低反射率特征。通过对气象常规观测资料的分析可以进一步验证上面的分析。图4中给出了火场及周边区域的11点图4(a)和14点图4(b)的风速示意图(红色圈中为火场区域),可以看到这期间火场区域主要是偏西风和西北风为主。这样可以说明位于火场东侧的A区域烟雾的存在。综合以上分析可知,在过火面积提取过程中,在式(3)的基础上可以加入中红外通道的阈值条件,这样可以去除近红外通道中不是过火区,但又表现出低反射率地物的影响,表达式如下:RMir>TMir,(4)式中,RMir为中红外通道的反射率,TMir为域值,即火像元和未过火像元在中红外通道反射率的差异。5温点及冲火点的估计基于本文的火点监测、亚像元估算和过火面积估算方法,我们共利用了9个时次的卫星遥感数据(表5),对2012年4月7日内蒙古自治区锡林郭勒盟东乌旗的草原火灾进行了动态监测评估分析。图5为利用4月7日10时58分的HJ-1B/CCD数据提取的监测结果,估算过火像元面积为9.8km2。此时为火灾刚发生不久的图像,通过该数据可以确定火灾发生的起始位置在北纬46°20′,东经118°附近。图6给出了利用11时30分的FY-3A/VIRR数据提取的监测结果,可以看到此时火场上空被云层覆盖,但通过云缝隙处还是监测到了异常高温点,亮温达到332K。通过与图5的火场位置对比分析可知,该处异常高温点为火场中的明火点。图7为利用4月7日13时25分的FY-3B/VIRR数据提取的监测结果,可以清楚的看到此时火场的明火面积和过火区面积较图5已经明显扩大,经估算此时明火像元面积达到148km2,亚像元估算明火面积约为16hm2,过火像元面积达到了106km2。图8为利用4月7日14时12分的NOAA-18/AVHRR数据提取的监测结果,经估算火场的明火像元面积约180km2,亚像元估算明火面积约为9hm2,过火像元面积达到了399km2。通过对比可知,此时火场明火像元面积和过火像元面积较上个时次都迅速增大,说明火场蔓延速度非常快。这与火场当时的风速较大密切相关,通过图4可以知道,这期间的风速达到4～6级。但值得注意的是此时亚像元估算的明火面积较上个时次有所减少,说明此时火点强度有减弱趋势。为了对此次火场过程进行全面的监测,充分利用气象卫星中红外通道夜间对火点的监测能力,利用2012年4月7日晚上21时15分的FY-3A/VIRR数据、4月8日凌晨1时45分的FY-3B/VIRR数据和4月8日凌晨2时30分的NOAA-18/AVHRR数据对该区域进行了连续监测,均未发现该火场有明火信息,说明此次火灾过程已经结束。火灾结束后,就可以利用卫星遥感对这次火灾最终形成的过火面积进行估算。选择离火灾发生后最近时次的晴空数据,即4月8日的FY-3B/MERSI数据,对过火面积进行了估算(图9),经估算面积为918km2。为了对250m空间分辨率的FY-3B/MERSI数据估算的面积进行验证,选择了距离该时次最近的2012年4月12日的HJ/CCD晴空数据,采用了人机交互判识的方式,对过火区进行了提取和面积估算(图10),对比图9和图10可知,两图出示的过火区空间分布基本是一致的。经HJ/CCD数据估算的过火区面积为960km2,因为HJ/CCD的空间分辨率为30m,高于FY-3B/MERSI的空间分辨率,假定HJ/CCD估算的过火面积为真值,则可计算出FY-3B/MERSI数据估算的过火区面积精度达到95%以上。6草原火灾原因分析本文在分析卫星遥感火点监测、亚像元火点估算和过火区监测方法的基础上,以2012年4月7日东乌旗的草原火灾监测为例,综合利用气象卫星数据、环境减灾卫星数据和气象常规观测数据对草原火灾进行动态监测分析。结合这次火灾