高分四号卫星在森林火灾监测中的应用——以2023年云南省安宁市“4·13”森林火灾为例.pdf

31卫星应用2023 年第 11 期专题综述Reviews高分四号卫星在森林火灾监测中的应用 以 2023 年云南省安宁市“413”森林火灾为例文|胡心雨1，2 蒋凤1，2 黄水生1，2 杨馨媛1，2 覃先林1，2 1中国林业科学研究院资源信息研究所2国家林业和草原局林业遥感与信息技术重点实验室摘要：基于长时间序列高分四号卫星全色多光谱影像（GF-4 PMS）和中波红外影像（GF-4 IRS），以2023 年 4 月 13 日发生于云南省安宁市的森林火灾为研究对象，综合利用该场森林火灾在中波红外波段引起的热异常、在可见光波段反映的烟雾及过火区域信息，结合气象、地形等数据，对该场森林火灾火情发展态势进行了分析，并对后续研究方向进行了展望。关键词：高分四号；森林火灾；火点；烟雾；过火区域；态势分析一、引言森林广泛分布于陆地表面，是最为重要的陆地生态系统。火作为自然环境的重要干扰因子，其影响具有两面性，小尺度低强度的火对森林生态系统常具有积极影响性，如促进植物再生发芽、加速枯落物营养矿化、增加本地物种丰富度等；而大尺度高强度的火则多具负面性，如减少森林自然资源，摧毁植被分布结构，破坏原有生态平衡等1-3。森林-城镇交界域是荒野（无人居住的土地）和人类活动开发的土地之间的过渡区域，也即人类环境与自然环境相遇或交织的区域4-5，国内外研究表明，交界域森林火灾发生风险更大6-7。近年来我国城镇化发展持续推进，森林-城镇交界域面积不断增大，伴随全球气候变化加剧，多地极端天气频发，森林火灾防治形势日趋严峻。我国西南地区山多林密，城镇村庄多沿山川而建，建筑民居散落分布，人类活动频繁，是典型的森林-城镇交界域聚集区域，森林火灾发生风险高，且该地区大多山高坡陡，地形复杂，交通不便，森林火灾的早期发现和后续扑救等工作相对困难。卫星遥感以其覆盖范围广、采集数据快、受限条件少等特点，已被证实基金项目：国家重点研发计划重大自然灾害防控与公共安全重点专项（2022YFC3003100）、国家重大科技专项项目(21-Y30B02-9001-19/22-6)共同资助。11.indd 312023/11/14 10:32322023 年第 11 期卫星应用专题综述Reviews是森林火灾宏观监测的重要手段之一8-11。如何充分利用高分四号卫星不同传感器的优势，实现森林火灾持续动态监测，为该地区森林火灾预警及扑救等灾害防治提供相应科学决策支持的问题亟待解决。二、火情动态监测方法烟雾和着火点是森林可燃物燃烧过程的伴生现象，直接反映森林火灾发生发展态势，是实现卫星遥感火情动态监测的主要关注对象，对于森林火灾发生预警、蔓延预测等至关重要12-13。卫星传感器的可见光-近红外波段常常可以较好地反映烟雾、火烧迹地等状态信息8，烟雾的分布状况（位置、范围和形状）变化间接反映火场即时风向，也即火场蔓延趋势方向，尤其在中高空间分辨率的多光谱影像更为明显；卫星传感器的中远红外波段区间对于异常高温热点（如着火点）较为敏感，其影像上的着火点信息可反映森林可燃物燃烧状况8。本文利用具有多光谱传感器和中波红外传感器的高分四号卫星，将烟雾、着火点和过火区域等多种火场即时信息相结合，利用其中波红外波段数据进行着火点识别来监测森林火灾的发生及火场燃烧状况，利用其多光谱数据进行烟雾扩散方向判别进而推断火灾蔓延方向，并利用其不同时间监测的过火区域发生的变化，结合气象、地形等数据进行辅助补充并相互验证。综合利用该卫星不同类型传感器的信息感知优势，实现对森林火灾不同阶段火场即时信息持续动态监测，为森林防火和消防管理部门指导森林火灾综合风险监测预警、应急救援处置提供快速准确的辅助决策信息，切实提升卫星遥感技术对森林防火管理的支撑力度。三、云南安宁“413”森林火灾监测1.火灾概况2023 年春季以来，云南省遭遇了 1961 年以来平均强度最强、干旱日数最多、范围最广的严重气象干旱，降水减少，气温上升，可燃物干燥，多地发生森林火灾。4 月 13 日 16 时 21 分，安宁市温泉街道官庄村北侧发生森林火灾，其火场地形条件如图 1 所示，该区域城镇村庄多依山川走势而建，呈条带状分布于山脚河岸等处，混合型和交界型两种森林-城镇交界域均有存在。地势北高南低，最大高差约为 500m，村庄位于南部海拔较低处，平均海拔约为 1800m；山顶位于北部海拔较高处，平均海拔约为 2300m。坡度类型南北不同，南部多为缓坡和斜坡，坡度大小 5 25；北部多为陡坡和急坡，坡度大小 25 45，山顶附近常有险坡，坡度大小 55以上。坡向类型多为阳坡，以东南坡-南图 1 2023 年云南省安宁市“413”森林火灾火场地形分布图（图 1a 为地形三维可视化图，1b、1c、1d 分别为海拔、坡度、坡向分布图）11.indd 322023/11/14 10:3233卫星应用2023 年第 11 期专题综述Reviews坡-西南坡为主。植被随海拔变化分布各异，山脚多为阔叶纯林，山腰多为针阔混交林，山顶多为灌丛化的针叶纯林。如图 2a、2b、2c 所示为不同海拔植被分布状况。此外，该区域春夏季多为西南风，经收集统计火灾发生过程气象数据（具体信息见表 1），该区域除 14 日晚至 15 日晚风向为东北风/东南风/东风外，其他时段均以西风/西南风为主。图 2 2023 年云南省安宁市“413”森林火灾火场植被分布图（图 2a、2b、2c 分别为山脚、山腰、山顶植被分布图）表 1 2023 年云南省安宁市“413”森林火灾期间气象数据信息表（白天/夜晚）日期04-1204-1304-1404-1504-1604-1704-1804-19天气晴/晴晴/晴晴/多云阵雨/多云晴/晴晴/晴晴/晴晴/晴气温/（）14/2813/2812/2813/2513/2817/2917/3019/30风向西南/西西南/西西南/东北东南/东西南/西南西南/西西/西西南/西2.数据及处理高分四号卫星是我国第一颗地球静止轨道高分辨率对地观测卫星，其搭载的 50m 空间分辨率全色多光谱传感器（PMS），可用于烟雾及过火区域识别，400m 空间分辨率中波红外传感器（IRS）可用于着火点识别14-15，两者结合可用于森林火灾态势分析。对云南省安宁市森林火灾动态监测选取的高分四号卫星数据，时间跨度涵盖整个火灾燃烧周期（2023年 4 月 12 日至 19 日），共有 8 景 GF-4 PMS 影像和 44 景 GF-4 IRS 影像；其中 GF-4 PMS 影像经过辐射定标、大气校正、正射校正及几何精校正等处理，生成地表反射率数据；GF-4 IRS 影像经过辐射定标、亮温计算、正射校正及几何精校正等处理。辅助数据为土地利用类型数据、气象数据、地形数据及调查数据等。3.火情态势分析图 3 为利用 GF-4 PMS 影像处理生成的地表反射率数据，先采用红-绿-蓝真彩色合成方式来增强烟雾区域，进而对该火场即时风向及火场蔓延方向进行判定，再采用红-近红外-绿假彩色合成来辨识过火区域，进而对以上火场蔓延方向进行验证；图 4 为基于 GF-4 IRS 影像处理生成的亮度温度数据生成的着火点结果，以此来判断火情燃烧状况，并根据火场变化验证前期火场蔓延预测方向。结合图 3 和图 4 可见，云南安宁“413”森林火灾发展可分为初发、缓增、散发、聚集和渐熄五个阶段，以下基于时序对不同阶段火情态势进行具体分析。11.indd 332023/11/14 10:32342023 年第 11 期卫星应用专题综述Reviews图 3 GF-4 PMS 影像烟雾及过火区域合成结果图图 4 GF-4 IRS 影像火点识别结果图（时段为卫星过境采集数据临近整点时间；Invalid data 表示没有数据）11.indd 342023/11/14 10:3235卫星应用2023 年第 11 期专题综述Reviews初发阶段：4 月 12 日全天影像呈现该区域亮温分布及变化情况，可见城镇村庄与森林植被间在各时段均存在相对温差，城镇部分区域亮温值均较高，当日 13 时 37 分森林植被区域未出现烟雾，也无火烧痕迹。13 日 16 时 37 分，从 IRS 影像上可见森林植被区域首次出现小范围亮温异常，同时官庄村北侧森林植被区域出现烟雾，自烟点源头向东北方向扩散，过火区域火烧痕迹较弱，在 PMS 影像上不易识别，推测此时起火时间较短，火灾尚在初始发生阶段。缓增阶段：13 日晚 20 时 02 分，火场自起始火点向东北方向扩大，火场形状似椭圆形。到 14日 4 时 52 分，火场南北两翼火势减弱，一是因为气象及地形原因，南北侧海拔变化，而此时风向为西南风，因风借势火场形似椭圆；二是南侧为村庄，扑火队员人为遏制蔓延；到 8 时 07 分，火线向北侧抬头，开始向森林深处蔓延；10 时 37 分，火场继续向东北方向扩大，火场呈猫爪状，北侧三处高温区域，南侧一处高温区域；同时烟雾区域持续扩大，冒烟处位于西南角，剧烈燃烧产生的浓烟向东北方向扩散开来，经过一天燃烧，早期烟点东北侧植被被烧形成了过火区域；晚 20 时 02 分，火场仍向东北方向持续扩大，南侧火势减弱。散发阶段：15 日 4 时 52 分，火场化整为零分散四处；8 时 07 分火场火势均有所减弱，北侧两处仅有些许异常热点可见，南侧两处则几乎消失殆尽；10 时 37 分火场火势再次加强，恢复至四处火场；13 时 37 分，四处火场开始向西北方向蔓延，大有连片之势，火场面积不断增大，此时冒烟处位于东南角，扩散方向转为西北方向，前两天过火区域西北侧开始出现火烧痕迹；16 时 37 分，火场上空出现云层遮挡，但仍可见有四处异常高温区域；20 时02 分，火场火势较 14 时明显减弱，仅剩三处分界明显的异常高温区域；14 日晚至 15 日晚全天火场火势呈现减弱-增强-减弱趋势，这可能是由于15 日伴随有多次阵雨所致。16 日 4 时 52 分，南侧和东北侧火场火势基本熄灭，西北侧火场火势也有所减弱，该火场东南边和东边存在三处潜在火点；8时07分，原北侧火场及其附近潜在火点火势加强；至 10 时 37 分火势略有减弱；13 时 37 分，所有火场火势又有所增强，此时烟雾自西南向东北方向扩散；16 时 37 分，东南侧两处火场减弱至熄灭，西北侧火场东西两翼有减弱趋势；20 时 02 分，火势再次减弱，西北侧最大火场呈现条状分布。聚集阶段：17 日 4 时 52 分，原火场火势较 16日晚再次减弱，数量由三处缩减为南北两处；7 时27 分，北侧火场火势略有增强，两处火场逐渐相接聚集；11 时 07 分，火场基本相接，北侧有向东蔓延之势；13 时 36 分，火场范围全线向东扩增，形似倒“L”状分布，火势逐渐加强，此时冒烟处位于烟雾区域正西方向，烟雾向正东方向扩散；此后火场火势持续增强至当日16时36分，火场向东、北、西三向蔓延连成一片剧烈燃烧。渐熄阶段：17 日晚 20 时 02 分，火场全线缩减，火势渐弱。18 日早仅剩少量区域存在轻微亮温异常，白天各时段可见过火区域亮温明显高于未过火区域；13 时 36 分，火场北侧中心区域仍见少量烟雾向东飘散；至晚 20 时 02 分，影像上森林植被区域亮温异常全部消失，说明此时明火已被完全扑灭。19 日全天影像除过火区域亮温较 12 日火烧前明显升高外，未见其他亮温异常及烟雾区域，过火区域相比 18 日未见面积变化。综上全过程火场火情态势分析，结合云南省安宁市“413”森林火灾期间的气象数据（见表 1）、火场地形分布数据（见图1）和植被分布调查数据（见图 2），可见该次森林火灾的火场发展态势受气象因素影响较大，蔓延方向与当日风向基本一致；此外也受地形及植被分布等因素不同程度的影响，如14 日上午为西南风，火场本应顺风向东北蔓延，实际却以北向为主，这主要是因为火烧已至较高海拔的灌丛化针叶纯林，火顺着山势迅速攀升蔓延。由此可见，利用高分四号卫星搭载的传感器探测的烟11.indd 352023/11/14 10:32362023 年第 11 期卫星应用专题综述Reviews雾来表征风向，从而反映火场未来蔓延趋势，以及着火点及过火区域来反映火场即时分布状况，进而将火场多种即时信息相结合可有效反映森林火灾发生发展过程。四、结束语本文利用时序高分四号卫星数据，以 2023 年云南省安宁市“413”森林火灾发生过程的动态监测为例，探讨并提出了一种多火场即时信息相结合的火情态势分析方法。即利用高分四号中波红外传感器，感知森林植被区域亮温变化，快速识别着火点，以此判定火灾的发生、火点分布及熄灭状况；利用高分四号多光谱数据，识别火场烟雾区域，判断烟雾扩散走向，以此预测火灾蔓延方向；此外，利用过火区域和火场分布及变化，结合气象、地形及植被分布等数据进行辅助补充并相互验证。基于以上森林火灾态势分析，深入明晰火场演变发展过程，为森林火灾监测预警及扑救应急决策提供重要科学支撑依据。本文以 2023 年云南省安宁市“413”森林火灾全过程动态监测应用案例，仅探讨了利用高分四号卫星获取的“火点+烟雾+过火区域”结合利用的火情态势分析方法的初步架构，后续还需继续开展火场即时信息自动识别、分析及利用等综合研究。参考文献1 Johnstone J F，Allen C D，Franklin J F，et al.Changing disturbance regimes，ecological memory，and forest resilienceJ.Frontiers in Ecology and the Environment，2016，14（7）：369-378.2 Molina J R，Herrera M A，Rodrguez y Silva F R.Wildfire-induced reduction in the carbon storage of Mediterranean ecosystems：An application to brush 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