李亞君，鄭 偉，陳 潔，劉 誠

(中國氣象局 國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081)

氣象衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測應(yīng)用

李亞君，鄭 偉，陳 潔，劉 誠

(中國氣象局 國家衛(wèi)星氣象中心,北京 100081)

對氣象衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測應(yīng)用進(jìn)行了研究。介紹了用中紅外和遠(yuǎn)紅外通道火點(diǎn)像元亮溫與背景差異對火情進(jìn)行監(jiān)測的原理，以及可用于監(jiān)測的主要衛(wèi)星儀器。給出了極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星的火點(diǎn)判別方法，包括亞像元火點(diǎn)面積與溫度、燃燒輻射功(FRP)的火點(diǎn)強(qiáng)度估算方法，以及過火區(qū)面積估算和影響評估方法。氣象衛(wèi)星火點(diǎn)監(jiān)測精度用人工火場衛(wèi)星同步觀測和用高分辨率陸地衛(wèi)星對火點(diǎn)監(jiān)測兩種方法進(jìn)行驗(yàn)證。介紹了風(fēng)云三號(FY-3)等氣象衛(wèi)星在防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、氣候影響評估等中的應(yīng)用，包括森林草原火情監(jiān)測和過火區(qū)估算、森林草原火險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測及過火區(qū)面積估算、生物量燃燒引起的煙霾天氣監(jiān)測、干旱等氣候事件對森林火災(zāi)的影響、全球野火監(jiān)測等。展望了未來氣象衛(wèi)星在火情監(jiān)測中的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。

氣象衛(wèi)星； 火情監(jiān)測； 火點(diǎn)判識； 強(qiáng)度估算； 過火評估； 森林草原

0 引言

森林草原火災(zāi)是破壞森林草原資源的重要災(zāi)害，具有突發(fā)性強(qiáng)、影響范圍大、造成損失嚴(yán)重等特點(diǎn)。氣象衛(wèi)星觀測范圍寬廣，頻次較密，探測信息豐富，是監(jiān)測森林草原火災(zāi)的重要手段。20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)外開始利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測森林火災(zāi)的研究和應(yīng)用[1]。在1987年東北大興安嶺特大森林火災(zāi)中，國家衛(wèi)星氣象中心利用氣象衛(wèi)星對大火進(jìn)行了全程監(jiān)測，向撲火指揮部提供了大量氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測信息，在撲火中發(fā)揮了重要作用[2]。多年來，根據(jù)森林草原防火工作需求，國內(nèi)外提出了多種氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測方法，在火點(diǎn)判識、火點(diǎn)強(qiáng)度估算、過火區(qū)估算和損失評估等方面的研究與應(yīng)用不斷深入。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著新一代極軌氣象衛(wèi)星FY-3衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)行，我國氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測應(yīng)用更深入，并向生態(tài)環(huán)境、氣候變化、電力設(shè)施保護(hù)等領(lǐng)域擴(kuò)展，同時(shí)，與此有關(guān)的火點(diǎn)判識自動化、多源衛(wèi)星遙感過火區(qū)面積估算、長時(shí)間序列火點(diǎn)數(shù)據(jù)集建立等研究也在發(fā)展，進(jìn)一步促進(jìn)了氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測在防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、氣候變化等領(lǐng)域中的應(yīng)用。

本文介紹了氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測的一般原理，綜述火情監(jiān)測的部分方法，包括火點(diǎn)判識、火點(diǎn)強(qiáng)度估算、過火區(qū)面積估算和損失評估，以及火情監(jiān)測信息的驗(yàn)證等。給出了FY-3衛(wèi)星等在森林草原火災(zāi)監(jiān)測和過火區(qū)評估、森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)、秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測和過火區(qū)面積估算、森林火災(zāi)煙霧對遠(yuǎn)距離地區(qū)的影響預(yù)測、干旱等氣候事件對火險(xiǎn)等級影響等的應(yīng)用，并展望了氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景。

1 原理和衛(wèi)星儀器

1.1原理

根據(jù)維恩位移定律，物體發(fā)射電磁波的峰值波長與物體溫度成反比，當(dāng)溫度升高時(shí)，輻射峰值波長向短波方向移動。森林草原等生物量燃燒的溫度范圍為600～1 200 K，對應(yīng)的波長范圍為2.4～4.8 μm，地表常溫(300 K)的輻射峰值波長約9.6 μm。當(dāng)物體溫度從300 K升高至600 K以上時(shí)，其黑體輻射率在中紅外波段的增長率較遠(yuǎn)紅外波段大1～2個(gè)量級，如圖1所示。

圖1 用普朗克公式計(jì)算的中紅外、遠(yuǎn)紅外 通道不同溫度下黑體輻射率Fig.1 Black body radiance from middle infrared band and far infrared band calculating according to Plank function under various temperature

因明火與其他地物的溫度和輻射率相差數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，故可將含明火的像元(以下簡稱火點(diǎn)像元)輻亮度視作是明火區(qū)與非明火區(qū)的線性組合。用普朗克公式，對含火點(diǎn)像元與非火點(diǎn)像元的亮溫差異ΔT可表示為

ΔTi=Timix-TiB=

(1)

式中：ΔTi，Timix，TiB分別為火點(diǎn)像元與背景亮溫差異、通道i亮溫和通道i背景亮溫；Nimix，NiB分別為火點(diǎn)像元通道i輻亮度和背景輻亮度；Vi為通道i的中心波數(shù)；C1=1.191 065 965 1-5mW/(m2·sr·cm-4)；C2=1.438 833 K/cm-1。此處：

Nimix=P·Nihi+(1-P)·Nibg

(2)

式中：P為像元中明火區(qū)面積占像元面積比例；Nihi為通道i的明火區(qū)輻亮度。

當(dāng)TiB=295 K，P=0.5%時(shí)，由式(1)可得當(dāng)明火區(qū)溫度從500 K升高到1 000 K時(shí)，中紅外ΔT將從16.4 K增大到124.2 K，遠(yuǎn)紅外ΔT將從1.7 K增大到7.22 K；當(dāng)P=0.1%時(shí)，由式(1)可得當(dāng)明火區(qū)溫度從500 K升高到1 000 K時(shí)，中紅外ΔT將從4.15 K增大到63.94 K，遠(yuǎn)紅外ΔT將從0.34 K增大到1.48 K，如圖2所示。圖2中：P3，P4分別為中紅外通道和遠(yuǎn)紅外通道的P值。

當(dāng)TiB=295 K，明火區(qū)溫度Tihi分別為500，750，1 000 K時(shí)，由式(1)可得當(dāng)P從0.01%增大到1.5%時(shí)，中紅外ΔT分別從0.44 K升至35.42 K，從5.25 K升至117.2 K，從15.67 K升至182.7 K；遠(yuǎn)紅外ΔT分別從0.037 K升至5.51 K，從0.11 K 升至15.97 K，從0.2 K升至27.52 K，如圖3所示。圖3中：TH3，TH4分別為中紅外和遠(yuǎn)紅外通道的明火區(qū)溫度。

以上分析表明：即使明火區(qū)面積很小，也會引起火點(diǎn)像元中紅外通道亮溫明顯升高，造成火點(diǎn)像元亮溫與周邊非火點(diǎn)像元中紅外亮溫出現(xiàn)明顯差異，而遠(yuǎn)紅外亮溫也有升高，但差異遠(yuǎn)低于中紅外。中紅外通道的此特性可作為火點(diǎn)判識的主要依據(jù)。

圖2 不同明火區(qū)溫度下中紅外和遠(yuǎn)紅外 通道火點(diǎn)像元亮溫與背景差異Fig.2 Difference between brightness temperature and background temperature of a fire pixel from middle and far infrared channel under various active fire temperature

圖3 不同火區(qū)面積下中紅外和遠(yuǎn)紅外 通道火點(diǎn)像元亮溫與背景差異Fig.3 Difference between brightness temperature and back- ground temperature of a fire pixel from middle and far infrared channel under various active fire size

1.2衛(wèi)星儀器

目前，可用于氣象衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測的主要衛(wèi)星儀器及其特性見表1。由表1可知：極軌氣象衛(wèi)星空間分辨率較高，因而對火點(diǎn)探測的靈敏度相對較高，但觀測頻次較少；靜止氣象衛(wèi)星空間分辨率較低，但觀測頻次密集，可實(shí)現(xiàn)對較大范圍火場的連續(xù)動態(tài)監(jiān)測。

2 火情監(jiān)測方法

2.1火點(diǎn)判識

2.1.1 極軌衛(wèi)星火點(diǎn)判識

早期火點(diǎn)判識方式主要是利用由中紅外、近紅外、可見光通道組成的多波段偽彩色合成圖的人機(jī)交互火點(diǎn)判識，該方法對局部區(qū)域有很高的判識精度[3]。隨著氣象衛(wèi)星野火監(jiān)測應(yīng)用的發(fā)展，國內(nèi)外研發(fā)了多種火點(diǎn)自動判識方法，主要有多波段閾值法(Multi Threshold)、上下文法(Contextual)等。多波段法主要根據(jù)野火發(fā)生時(shí)造成火點(diǎn)所在像元中紅外通道溫度升高，同時(shí)中紅外與遠(yuǎn)紅外通道亮溫差異增大現(xiàn)象，設(shè)立閾值：TMIR≥TMIRth且TMIR≥TFAR+TFARth。此處：TMIR，TFAR，TMIRth，TFARth分別為中紅外通道亮溫、遠(yuǎn)紅外通道亮溫、中紅外通道增量閾值和遠(yuǎn)紅外通道增量閾值[4]。20世紀(jì)90年代，提出了上下文法，該法基于野火發(fā)生時(shí)所在像元的中紅外亮溫及中紅外與遠(yuǎn)紅外波段亮溫差異將高于鄰近像元。KAUFMAN等在MODIS火點(diǎn)判識算法中提出該方法的主要條件為

TMIR>TMIRbg+4δTMIRbg且ΔTMF>

TMFbg+4δTMFbg

(3)

表1 氣象衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測的主要衛(wèi)星儀器及其特性

式中：TMIR，TMIRbg分別為中紅外亮溫和背景中紅外亮溫；ΔTMF，ΔTMFbg分別為中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異和背景中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異；δTMIRbg，δTMFbg分別為背景中紅外亮溫標(biāo)準(zhǔn)差和背景中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異標(biāo)準(zhǔn)差[5]。背景均取自周邊像元平均值。

多波段法不能適用不同季節(jié)、不同地區(qū)的環(huán)境條件。文獻(xiàn)[4]在建立長序列衛(wèi)星遙感火點(diǎn)信息數(shù)據(jù)集時(shí)，對多波段閾值法和上下文法判識火點(diǎn)的精度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為上下文法的精度明顯高于多波段閾值法。

上下文法在一定程度上解決了周邊像元下墊面類型、植被覆蓋度等與探測像元的差異對估算背景溫度的影響，但實(shí)際應(yīng)用中仍會出現(xiàn)由太陽光反射等造成的誤判和漏判。其后，對上下文法提出了改進(jìn)，文獻(xiàn)[6]提出MODIS火點(diǎn)判識的改進(jìn)算法，增加了對云污染、荒漠區(qū)邊界、海岸邊界、太陽耀斑等的判識，以及對非火點(diǎn)像元的判斷等條件，其中對云污染的判識條件為

RVIS+RNIR>0.9且TFAR< 265 K，或

RVIS+RNIR>0.7且TFAR<285 K

文獻(xiàn)[7]提出對火點(diǎn)確認(rèn)式(2)中標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的調(diào)整。文獻(xiàn)[8]提出利用波長在8.7，10.5 μm的遠(yuǎn)紅外通道亮溫差異判識裸地。劉誠提出在背景溫度計(jì)算中對疑似火點(diǎn)像元的判斷方法，有

TMIR>TMIRav+8 K且TMF>TMFav+8 K

式中：TMIRav，TMFav分別為鄰域內(nèi)排除云區(qū)、水體像元后亮溫小于315 K的中紅外通道平均值，以及中紅外亮溫小于315 K的中紅外與遠(yuǎn)紅外亮溫差異的平均值[9]。

在NPP發(fā)射后，文獻(xiàn)[10]提出利用中紅外和遠(yuǎn)紅外通道對火點(diǎn)亮溫差異的火點(diǎn)監(jiān)測指數(shù)模型γFPI，有

γFPI=(TMIR-TFAR)/(TMIR+TFAR)

(4)

目前火情監(jiān)測中火點(diǎn)判識多使用上下文法。該法對背景溫度計(jì)算中的像元選取要求較高，部分使用者根據(jù)氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測業(yè)務(wù)實(shí)踐效果，結(jié)合監(jiān)測區(qū)域特點(diǎn)對其進(jìn)行了適當(dāng)改進(jìn)。

2.1.2 靜止衛(wèi)星火點(diǎn)判識

我國風(fēng)云四號、日本葵花8號、美國GOES-R、歐洲MSG等新一代靜止氣象衛(wèi)星發(fā)射后，觀測頻次達(dá)到亞小時(shí)級，為火點(diǎn)判識提供了新的途徑。上下文法的重要問題是估算背景溫度時(shí)，盡可能獲取與探測像元一致的下墊面條件(地表覆蓋類型和溫度)。這主要是因?yàn)槊骰鸢l(fā)生后，衛(wèi)星探測的像元輻射已含明火發(fā)射的輻射，不能代表該像元未發(fā)生明火時(shí)的狀態(tài)，而周邊像元下墊面類型、植被覆蓋度等可能與探測像元不同，所估算的背景溫度是探測像元未發(fā)生明火時(shí)的近似值，難免有一定程度的誤差。新一代靜止氣象衛(wèi)星10～15 min頻次的觀測密度和較高的定位精度，可將未發(fā)生明火的前一時(shí)次的像元亮溫作為實(shí)際背景亮溫。通過分析日常條件下該像元逐時(shí)次(相隔10～15 min)亮溫差異幅度，可選擇適當(dāng)?shù)拈撝底鳛榛瘘c(diǎn)判識條件。Himavary-8衛(wèi)星ABI通道7(3.9 μm)，13(10.4 μm)，3(0.64 μm)，4(0.86 μm)，6(2.3 μm)，5(1.6 μm)在2017年4月11日11時(shí)至15時(shí)(北京時(shí))逐時(shí)次(10分鐘/次)觀測到的東北地區(qū)某一火點(diǎn)像元及火點(diǎn)像元鄰近某一無火點(diǎn)像元的亮溫與反射率時(shí)序圖如圖4所示。其中：圖4(c)為13：50中紅外通道火點(diǎn)像元區(qū)域圖，黑斑為火點(diǎn)像元。比較圖4(a)、(b)可知：一般情況下中紅外通道每10 min的亮溫變化量約1 K，而在圖4(a)中，中紅外亮溫13：30至13：40增量為5 K，13：40至13：50增量為11 K(圖4(c))，因此當(dāng)相鄰時(shí)次亮溫增量為5 K時(shí)，有可能是由火點(diǎn)引起，這一時(shí)序亮溫增量條件將有助于提高火點(diǎn)判識靈敏度。

圖4 火點(diǎn)與鄰近非火點(diǎn)像元時(shí)序圖Fig.4 Temperatures changing of fire pixel and non fire pixelalong with time series

2.2火點(diǎn)強(qiáng)度估算及其應(yīng)用方式

氣象衛(wèi)星較低的空間分辨率和較高的火點(diǎn)靈敏度，使其在實(shí)際應(yīng)用中需估算火點(diǎn)像元中實(shí)際的明火區(qū)面積和溫度，同時(shí)在估算生物質(zhì)燃燒量應(yīng)用中需計(jì)算明火區(qū)的輻射強(qiáng)度(FRP)。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外對氣象衛(wèi)星亞像元火點(diǎn)面積、溫度和火點(diǎn)輻射強(qiáng)度估算進(jìn)行了研究和應(yīng)用。

2.2.1 亞像元火點(diǎn)面積和溫度估算

文獻(xiàn)[11]最早提出利用NOAA極軌氣象衛(wèi)星AVHRR通道3(中紅外)和通道4(遠(yuǎn)紅外)混合像元表達(dá)式建立二元非線性方程組，求解亞像元火點(diǎn)面積比例和火點(diǎn)溫度方法，有

(5)

式中：N3mix，N4mix，N3hi，N4hi，N3bg，N4bg分別為中紅外和遠(yuǎn)紅外混合像元輻亮度、明火區(qū)輻亮度、背景輻亮度；P為亞像元火點(diǎn)面積占像元面積百分比?；饏^(qū)的輻亮度由亞像元火點(diǎn)輻亮度Nihi確定，式(5)中的未知數(shù)為P，Nihi。文獻(xiàn)[12]提出用牛頓迭代法求解式(5)中P，Nihi的方法。

實(shí)際應(yīng)用中式(5)存在一些限制，如對小火點(diǎn)，遠(yuǎn)紅外通道背景溫度估算難以達(dá)到需要的精度，而一些衛(wèi)星的中紅外亮溫上限較低，容易飽和，以及有時(shí)迭代不收斂等。文獻(xiàn)[13]提出用單通道估算亞像元火點(diǎn)面積方法。整理式(5)可得

P= (Ni(Timix)-Ni(Tbg))/(Ni(Thi)-

Ni(Tbg))

(6)

式中：設(shè)定明火區(qū)溫度Thi=750 K，該值根據(jù)人工火場衛(wèi)星同步實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析確定[14]。此處：i為通道號，i=3為中紅外，i=4為遠(yuǎn)紅外，當(dāng)中紅外亮溫飽和時(shí)用遠(yuǎn)紅外通道估算。

為便于在火情監(jiān)測服務(wù)中使用亞像元火點(diǎn)估算信息，可根據(jù)亞像元火點(diǎn)面積大小制定火點(diǎn)強(qiáng)度等級，見表2[13]。

表2 衛(wèi)星遙感火點(diǎn)強(qiáng)度分級表

利用火點(diǎn)強(qiáng)度等級生成的火點(diǎn)強(qiáng)度圖像可直觀反映火區(qū)的態(tài)勢和發(fā)展情況，如在大范圍火場內(nèi)各火區(qū)火勢強(qiáng)度差異及空間分布。

2.2.2 FRP估算

在估算生物質(zhì)燃燒排放量時(shí)需獲取火點(diǎn)FRP，F(xiàn)RP可由像元內(nèi)的亞像元火區(qū)面積和溫度表示為

PFRP=Shi·σT4

(7)

式中：Shi，T分別為亞像元火點(diǎn)面積和溫度；σ=5.669 35.6-8W/(m2·K4)[15]。

考慮可能存在中紅外和遠(yuǎn)紅外通道像元空間不配準(zhǔn)問題，KAUFMAN提出利用MODIS中紅外通道估算FRP的方法，有

PFRP(MODIS)= 4.34×10-19((TMIR)8-(TbMIR)8)

(8)

式中：TMIR，TbMIR分別為火點(diǎn)像元中紅外通道和鄰近非火點(diǎn)像元的背景亮溫。

2.3過火區(qū)面積估算

過火區(qū)面積估算是氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測的重要應(yīng)用部分。

文獻(xiàn)[16]提出用NOAA衛(wèi)星AVHRR中紅外、近紅外、可見光三通道合成圖中明顯的過火后黑斑信息，識別過火區(qū)以及過火區(qū)像元面積計(jì)算方法。文獻(xiàn)[17]提出用過火區(qū)和非過火區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)信息差異計(jì)算過火區(qū)面積方法。文獻(xiàn)[18]提出以氣象衛(wèi)星資料為主的多源衛(wèi)星遙感森林火災(zāi)過火區(qū)方法面積估算方法，該方法基于混合像元分解原理計(jì)算植被覆蓋度，在判識過火區(qū)后過火區(qū)面積

(9)

式中：n為過火像元個(gè)數(shù)；Si為第i個(gè)像元的面積；Ci為過火區(qū)第i個(gè)像元的植被覆蓋度。Ci可用具有較高空間分辨率的CBERS CCD(19.5 m)等陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)計(jì)算獲得。文獻(xiàn)[19]提出用風(fēng)云三號(FY-3)衛(wèi)星(250 m)結(jié)合高分一號(GF-1)衛(wèi)星(16 m)衛(wèi)星資料的多源衛(wèi)星農(nóng)作物秸稈焚燒過火區(qū)面積估算方法。該方法根據(jù)線性光譜混合模型，假設(shè)每個(gè)氣象衛(wèi)星像元由農(nóng)田(純未過火農(nóng)田)、水體和居民地三類下墊面組成，則背景混合像元反射率Rmix可表示為

Rmix=Pc×Rc+Pw×Rw+Pn×Rn

(10)

式中：Rc，Rw，Rn分別為農(nóng)田、水體和居民地反射率；Pc，Pw，Pn分別為農(nóng)田、水體和居民地所占像元的面積比例，可由GF-1衛(wèi)星資料進(jìn)行土地利用分類計(jì)算獲得。農(nóng)田過火后，像元內(nèi)農(nóng)田反射率將由Pcf×Rcf+Pcn×Rcn組成。此處：Rcf為過火農(nóng)田反射率；Rcn為未過火農(nóng)田反射率。Pcf可由過火像元、未過火像元和完全過火像元反射率算得。

2.4火點(diǎn)監(jiān)測精度驗(yàn)證

黨的十八大以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央接過歷史的接力棒，以巨大的政治勇氣、堅(jiān)定的意志品質(zhì)、強(qiáng)烈的責(zé)任擔(dān)當(dāng)，引領(lǐng)中國特色社會主義進(jìn)入新時(shí)代：改革全面發(fā)力、多點(diǎn)突破、縱深推進(jìn)，開放全面擴(kuò)大、多層布局、深入展開……

衛(wèi)星遙感火點(diǎn)監(jiān)測精度驗(yàn)證方法包括人工火場衛(wèi)星同步觀測驗(yàn)證和利用高分辨率陸地衛(wèi)星對氣象衛(wèi)星火點(diǎn)監(jiān)測的驗(yàn)證。

國家衛(wèi)星氣象中心廣西遙感應(yīng)用試驗(yàn)基地于2005年10月下旬在廣西南寧進(jìn)行了有關(guān)人工火場衛(wèi)星同步觀測和測量的大型實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)場地設(shè)置了面積分別為100，200 m2的圓型火場中均勻鋪放樹枝、樹干等可燃物。衛(wèi)星過境前火場各處同時(shí)點(diǎn)燃。共進(jìn)行5次與氣象衛(wèi)星過境時(shí)間同步的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：地面100～200 m2火場在完全燃燒情況下,可在氣象衛(wèi)星和EOS環(huán)境衛(wèi)星中紅外通道引起較明顯的亮溫增溫, 并可達(dá)到火情監(jiān)測的閾值[14，19-20]。

文獻(xiàn)[21]利用與MODIS/TERRA同步觀測的EOS/ASTER(2.295～2.365 μm，30 m)以及ETM+(2.09～2.35 μm，30 m)數(shù)據(jù)驗(yàn)證MODIS火點(diǎn)信息數(shù)據(jù)(MOD14，1 km)和GOES火點(diǎn)算法產(chǎn)品(WFABBA，4 km)，并分析以ASTER，ETM+火點(diǎn)信息作為真值，MODIS4，GOES火點(diǎn)信息誤判和漏判的原因。

3 應(yīng)用

2008年FY-3衛(wèi)星發(fā)射以來，為我國森林草原防火、火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)、火險(xiǎn)預(yù)警、秸稈焚燒監(jiān)督治理、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、氣候影響評估等領(lǐng)域提供了大量的氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測信息，多次在重大森林草原火災(zāi)監(jiān)測中發(fā)揮重要作用，進(jìn)一步提高了我國的衛(wèi)星遙感火情監(jiān)測應(yīng)用能力。

3.1森林草原火情監(jiān)測和預(yù)警

3.1.1 森林火情監(jiān)測

圖5 FY-3A星VIRR黑龍江遜克縣火情Fig.5 Fire monitoring of Xunke County in Heilongjiang Province by FY-3A VIRR

利用FY-3A星MERSI的2009年5月5日10：05 CH 3(可見光紅光)，4(近紅外)，2(可見光綠光)制作的過火區(qū)監(jiān)測圖如圖6(a)所示。由圖6(a)可知：火災(zāi)已造成大范圍過火區(qū)。用4月28日至5月5日FY-3A星MERSI提取過火區(qū)信息，獲取多日過火區(qū)疊加圖如圖6(b)所示。圖6(b)反映了火災(zāi)發(fā)生以來火場各日的蔓延發(fā)展情況。

圖6 FY-3A星MERSI黑龍江遜克縣火情Fig.6 Fire monitoring of FY-3A MERSI

3.1.2 草原火災(zāi)預(yù)警

利用衛(wèi)星遙感某一時(shí)間段的火點(diǎn)和過火區(qū)空間分布，結(jié)合植被生長期的NDVI背景，可反映境外野火對我國影響的態(tài)勢。2015年春季，靠近我國邊境蒙古國、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)多次發(fā)生草原火災(zāi)，并影響到我國內(nèi)蒙古自治區(qū)邊境。用FY-3衛(wèi)星對境外草原火進(jìn)行了嚴(yán)密的監(jiān)測。FY-3B星VIRR的2015年3月20日至4月20日火點(diǎn)信息疊加圖如圖7(a)所示，可見這一時(shí)期靠近我國邊境發(fā)生了大量草原火。用FY-3B星MERSI的2015年4月20日NDVI信息提取的過火區(qū)圖(圖中土黃色)與FY-3B星MERSI的2014年8月NDVI月合成信息疊加圖如圖7(b)所示，可見蒙古國東部和俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)草原火已影響到我國邊境線多處線段，并仍有大部分邊境線段有植被(草原)覆蓋，需繼續(xù)加強(qiáng)對這些地區(qū)的防火措施。

圖7 用FY-3B星VIRR，MERSI對我國 北方地區(qū)境外火點(diǎn)監(jiān)測Fig.7 Fire monitoring in abroad country close to northeast in China by FY-3B MERSI and VIRR

3.2生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

3.2.1 秸稈焚燒過火區(qū)面積估算

自FY-3衛(wèi)星發(fā)射以來，在每年作物收獲期為環(huán)保部門提供氣象衛(wèi)星秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測和過火區(qū)面積估算信息。FY-3C星MERSI的2014年6月7日11時(shí)CH 3，4，2河南省正陽縣秸稈焚燒過火區(qū)監(jiān)測圖如圖8(a)所示，可見正陽縣北部及南部有較大范圍的過火區(qū)黑斑?；贔Y-3C星MERSI的秸稈焚燒過火區(qū)過火程度圖如圖8(b)所示，用從藍(lán)到紅的程度等級顏色分布表示過火區(qū)面積百分比的多少。

圖8 FY-3C星MERSI正陽縣過火區(qū)監(jiān)測Fig.8 Burned area monitoring by FY-3C MERSI

3.2.2 煙霾監(jiān)測

大范圍森林火災(zāi)燃燒產(chǎn)生的煙霧會給附近甚至更遠(yuǎn)地區(qū)的大氣環(huán)境造成嚴(yán)重影響。利用氣象衛(wèi)星監(jiān)測火點(diǎn)和煙霧信息，結(jié)合氣象觀測資料，可為煙霧影響預(yù)報(bào)提供重要依據(jù)。FY-3C星VIRR的2014年7月22日11：55的CH3，2，1火情監(jiān)測圖如圖9(a)所示。由圖9(a)可知：俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)有大量火點(diǎn)，并伴隨有大片向東南擴(kuò)散的煙霧；由同時(shí)次FY-3C星MERSI的真彩色圖與火點(diǎn)、850 hPa環(huán)流場疊加圖(圖9(b))可知：火區(qū)上空有大片濃密煙霧，影響范圍約46萬km2。從火區(qū)至我國內(nèi)蒙古東部和東北地區(qū)北部1 500 m左右上空為風(fēng)速10～14 m/s的偏北風(fēng)，該風(fēng)力導(dǎo)致煙塵向南輸送至我國境內(nèi)，覆蓋內(nèi)蒙古東部、黑龍江西部。24日，覆蓋東北大部地區(qū)上空，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)嚴(yán)重霾天氣。

圖9 FY-3星MERSI火情監(jiān)測圖和疊加圖Fig.9 Fire monitoring of FY-3 MERSI true color image overlapped with atmospheric circulate field

3.3森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)和氣候影響評估應(yīng)用

3.3.1 森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)應(yīng)用

利用長序列火點(diǎn)信息數(shù)據(jù)集制作火點(diǎn)頻次分布圖，可反映近年來我國野火的頻次分布，為森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)提供依據(jù)。用FY-3等氣象衛(wèi)星12年火點(diǎn)信息制作的全國火點(diǎn)密度年平均分布圖如圖10所示，并疊加貧困縣信息，結(jié)果顯示大部分火點(diǎn)密度較大的區(qū)域均有貧困縣分布，反映了貧困地區(qū)在農(nóng)耕方式、森林防火等方面需進(jìn)一步加強(qiáng)。

3.3.2 干旱等氣候事件影響評估

干旱發(fā)生時(shí)，由于長期高溫少雨，可燃物含水量降低，火險(xiǎn)等級升高，火災(zāi)頻發(fā)，由氣象衛(wèi)星監(jiān)測到的旱區(qū)火點(diǎn)頻次將明顯高于常年。如2009入秋至2010年春，我國西南地區(qū)持續(xù)高溫少雨，發(fā)生嚴(yán)重干旱，長期干旱造成火險(xiǎn)等級升高，氣象衛(wèi)星監(jiān)測火點(diǎn)頻發(fā)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示該地區(qū)火點(diǎn)頻次顯著高于常年同期，反映了干旱對森林火險(xiǎn)的影響(如圖11所示)。

圖10 氣象衛(wèi)星遙感全國火點(diǎn)年平均密度(2003年1月～2005年8月)Fig.10 Average intensity of fire spot derived from meteorological satellite from Jan. 2003 to Aug. 2005

圖11 氣象衛(wèi)星西南地區(qū)火點(diǎn)分布和統(tǒng)計(jì)Fig.11 Fire spot distribution and statistics in southwest China derived from meteorological satellite

圖12 FY-3A星MERSI，VIRR國外火情監(jiān)測Fig.12 Abroad fire monitoring by FY-3A MERSI and VIRR

3.4全球野火監(jiān)測

FY-3衛(wèi)星具有全球觀測能力，可實(shí)時(shí)監(jiān)測全球野火信息，為國際重大森林草原火災(zāi)事件評估、氣候變化研究等方面提供依據(jù)。2008年11月，美國加州洛杉磯市郊發(fā)生森林大火，用FY-3A星MERSI的2008年11月16日資料制作的過火區(qū)監(jiān)測圖如圖12(a)所示，監(jiān)測到此次美國加州洛杉磯市郊區(qū)山林大火已出現(xiàn)較大范圍過火區(qū)。經(jīng)估算，過火區(qū)面積約7×107m2。2009年2月，澳大利亞東南部發(fā)生多起林火，用FY-3A星VIRR的2009年2月16日00：10(世界時(shí))資料制作的澳大利亞火情監(jiān)測圖如圖12(b)所示, 澳大利亞東南部有多處火點(diǎn)(圖中黃色箭頭所指處)，部分火點(diǎn)有煙，并出現(xiàn)大范圍過火區(qū)(白色箭頭所指的暗紅色斑塊處為過火區(qū))。

FY-3衛(wèi)星發(fā)射以來，已生成了A星VIRR，B星VIRR和C星VIRR全球月火點(diǎn)像元累計(jì)圖，反映各月全球各大洲的火點(diǎn)分布特點(diǎn)，可為全球氣候事件影響評估等研究提供依據(jù)。FY-3B星VIRR的2017年4月全球月火點(diǎn)像元累計(jì)專題圖如圖13所示，反映出2017年4月，全球火點(diǎn)主要分布在亞洲東北部、西北部和東南部，非洲中西部，歐洲東部，南美洲北部，北美洲南部和中部，大洋洲東南部和西南部等地。

4 發(fā)展展望

我國地域遼闊，森林草原分布極廣，氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測在森林草原防火、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、氣候影響評估等方面有長期、廣泛的需求，在提高火點(diǎn)探測靈敏度、過火區(qū)影響快速評估、森林草原火險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)、火場蔓延預(yù)測、煙霾影響預(yù)測、氣候影響評估、生物量燃燒碳排放估算、全球野火研究等多方面還將繼續(xù)深入發(fā)展，為我國防災(zāi)減災(zāi)、環(huán)境治理、氣候變化對策等方面發(fā)揮更大的作用。

a)微小火點(diǎn)的及時(shí)發(fā)現(xiàn)在森林草原防火工作中有重要意義，森林草原防火部門需要有高空間分辨率結(jié)合高觀測頻次的火情監(jiān)測信息。隨著新一代風(fēng)云極軌和靜止氣象衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展和新型衛(wèi)星儀器在分辨率和觀測頻次等的改進(jìn)，將進(jìn)一步提高火點(diǎn)探測靈敏度和精度，為防火部門對森林草原火災(zāi)打早打小提供支持。

b)結(jié)合GF-1衛(wèi)星等高分辨率資料提取的土地利用分類數(shù)據(jù)以及社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)(人口密度、載畜量、草產(chǎn)量等)，可為森林草原火災(zāi)影響快速評估提供依據(jù)，為防災(zāi)救災(zāi)工作決策提供參考。

c)可燃物含水量與溫度、光照、云量等密切相關(guān)，是森林草原火險(xiǎn)預(yù)報(bào)的重要因子。氣象衛(wèi)星地表溫度、植被指數(shù)、地表蒸散、太陽輻照度、云量等產(chǎn)品可反映可燃物含水量變化，建立基于衛(wèi)星遙感信息的可燃物狀態(tài)估測模型，可為森林草原火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

d)火場蔓延與可燃物類型、密度、地表溫度、風(fēng)速風(fēng)向、坡度等因子有關(guān)，利用氣象衛(wèi)星火點(diǎn)、過火區(qū)、地表溫度、煙霧等信息，結(jié)合高分辨率衛(wèi)星地表覆蓋類型分布、高程、氣象觀測風(fēng)速風(fēng)向等信息，可建立火場蔓延預(yù)測模型，為火災(zāi)預(yù)防和撲救決策提供參考。

e)利用氣象衛(wèi)星火點(diǎn)、煙霧等監(jiān)測信息，結(jié)合氣象觀測風(fēng)場資料，可預(yù)測森林草原火災(zāi)、秸稈焚燒引起的煙霧對周邊甚至是遠(yuǎn)距離地區(qū)大氣環(huán)境的影響，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮作用。

f)FY-3衛(wèi)星時(shí)間序列的全球野火的監(jiān)測信息，可為氣候影響評估、氣候變化研究、碳排放估算，以及“一帶一路”國家防災(zāi)減災(zāi)提供重要支持。

5 結(jié)束語

自20世紀(jì)末FY-1C星發(fā)射以來，風(fēng)云衛(wèi)星為我國的森林草原防火部門提供了大量火情監(jiān)測信息，多次在重大森林草原火情監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。隨著21世紀(jì)新一代風(fēng)云氣象衛(wèi)星的發(fā)射和運(yùn)行，氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測信息的精度和時(shí)效得到進(jìn)一步提高，風(fēng)云衛(wèi)星的地表溫度、植被指數(shù)、云檢測等產(chǎn)品也已在火情預(yù)測評估中得到應(yīng)用。FY-3衛(wèi)星豐富的探測信息和全球觀測能力已達(dá)到國際上先進(jìn)的衛(wèi)星遙感森林草原火情監(jiān)測水平。今后以風(fēng)云氣象衛(wèi)星動態(tài)觀測信息為主，結(jié)合高分衛(wèi)星等信息的多源衛(wèi)星遙感森林草原火情監(jiān)測綜合應(yīng)用信息，將使氣象衛(wèi)星在森林草原火情監(jiān)測、預(yù)測及評估方面的作用得到充分發(fā)揮，在防災(zāi)減災(zāi)工作中產(chǎn)生更顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。

圖13 2017年4月FY-3B星VIRR全球月火點(diǎn)像元累計(jì)專題圖Fig.13 Monthly global fire spots in Apr. 2017 by FY-3B VIRR

[1] MATSON M, SCHNEIDER S R. Fire detection using the NOAA-series satellite[R]. NOAA Technical Report NESDIS 7, 1984.

[2] ZHANG J J, ZHANG Q S, DIAN C G, et al. Detection of forest fire in Da Hinggan Ling Region by meteorological satellite[J]. Acta Meteorological Sinica, 1989, 3(4): 562-568.

[3] 劉誠, 李亞軍, 閻華， 等. 氣象衛(wèi)星火情監(jiān)測判識方法改進(jìn)[J]. 氣象, 2003(增刊): DOI: 10.7519/j.issn.1000-0526.2003.s1.008.

[4] 劉玉潔, 楊忠東. MODIS遙感信息處理原理與算法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001: 260-277.

[5] FUCHS E M. Fire monitoring-the use of medium resolution satellites (AVHRR, MODIS, TET) for long time series processing and the implementation in user driven application and sercices[J]. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2015, XL-7/W3(7): 797-804.

[6] GIGLIO L, DESCLOITRES J, JUSTICE C O, et al. An enhanced contextual fire detection algorithm for MODIS[J]. Remote Sensing of Environment, 2003, 87: 273-282.

[7] 蔣岳新. 應(yīng)用EOS-MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行林火監(jiān)測的初探[J]. 森林防火, 2002(4): 25-29.

[8] HASSINI A, BENABDELOUAHED F. Active fire monitoring with level 1.5 MSG satellite images[J]. American Journal of Applied Sciences, 2009, 6(1): 157-166.

[9] 楊軍. 氣象衛(wèi)星及其應(yīng)用[M]. 北京: 氣象出版社, 2012: 770-775.

[10] 馬芮, 孫林, 袁廣輝, 等. 可見光紅外成像輻射儀數(shù)據(jù)林火識別算法研究[J]. 遙感信息, 2015, 30(4): 37-43.

[11] DOZIER J. A method for satellite identification of surface temperature fields of sub-pixel resolution[J]. Remote Sensing of Environment, 1982, 11: 221-229.

[12] 劉誠, 李亞君, 趙長海, 等. 氣象衛(wèi)星亞像元火點(diǎn)面積和亮溫估算方法[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2004, 15(3): 273-280.

[13] 劉誠. 多源衛(wèi)星遙感高時(shí)空分辨率森林火情監(jiān)測預(yù)測評估系統(tǒng)研究[J]. 中國科技計(jì)劃成果, 2011(12): 31-32.

[14] 孫涵, 劉誠, 戎志國, 等. 人工火場衛(wèi)星同步觀測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步分析: 農(nóng)業(yè)生態(tài)與衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會[C]∥ 鄭州: 2006.

[15] WOOSTER M J, ROBERTS G, PERRY G L W. Retrieval of biomass combustion rates and totals from fire radiative power observations[J]. Journal of Geophysical Research, 2005, 110: D24311. DOI: 10.1029/2005JD006318.

[16] 范一大, 李云鵬. 利用氣象衛(wèi)星資料計(jì)算過火面積[J]. 內(nèi)蒙古氣象, 1994(6): 26-28.

[17] 易浩若, 紀(jì)平. 森林過火面積的遙感測算方法[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 1998, 13(2): 10-14.

[18] 鄭偉, 李亞君, 劉誠. 基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的森林過火區(qū)面積估算方法[J]. 林業(yè)科學(xué), 2011, 47(8): 192-195.

[19] 陳潔, 鄭偉. 多源衛(wèi)星遙感農(nóng)作物秸稈焚燒過火區(qū)面積估算方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(3): 207-213.

[20] 戎志國, 劉誠, 孫涵. 衛(wèi)星火情探測靈敏度試驗(yàn)與火情遙感新探測通道選擇[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2007, 22(8): 866-871.

[21] SCHROEDER W, PRINSB E, GIGLIO L, et al. Validation of GOES and MODIS active fire detection products using ASTER and ETM+ data[J]. Remote Sensing of Environment, 2008, 112: 2711-2726.

FireMonitoringandApplicationBasedonMeteorologicalSatellite

LIYa-jun，ZHENGWei，CHENJie，LIUCheng

(National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing100081, China)

The fire monitoring and application based on meteorological satellite were studied in this paper. The fire monitoring principle through the brightness temperature different between fire pixel and background in middle infrared and far infrared channels was introduced. The major instruments onborne were given. The discrimination methods of fire point for polar orbit meteorological satellite and geostationary orbit meteorological satellite, fire point intensity estimation including the area and temperature of sub-pixel fire point, and firing radiation power, and the methods of burned area estimation and effect assessment were presented. The fire monitoring accuracy based on meteorological satellite were validated by two ways which were artificial fire field observed synchronously by satellite and fire monitoring by land satellite with high resolution. The applications of FY-3and others meteorological satellites in disaster prevention and reduction, ecological environment protection and climatic effect assessment were introduced, which including forest and prairie fire monitoring, burned reign estimation, warning and forecast of forest and prairie fire, monitoring of fire caused by straw burning and burned area estimation, haze weather monitoring caused by biomass burning, climatic event effect of drought and others on forest fire, and global wildfire monitoring. The technology development and application of meteorological satellite in fire monitoring were prospected.

meteorological satellite; fire monitoring; fire discrimination; intensity estimation; burned assessment; forest and prairie

1006-1630(2017)04-0062-11

2017-06-29；

：2017-07-22

國家863 項(xiàng)目資助(2006AA12Z125)；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(xiàng)資助(200903041)

李亞君(1964—)，男，工程師，主要從事衛(wèi)星遙感應(yīng)用研究。

鄭 偉(1981—)，男，博士，高級工程師，主要從事衛(wèi)星遙感技術(shù)在生態(tài)環(huán)境和自然災(zāi)害等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

TP79；P407

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.008