文 | 秦小寶 于淵博 朱瑞飛 于樹海

1.長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司 2.吉林省衛(wèi)星遙感應(yīng)用技術(shù)重點實驗室3.吉林省遙感信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新基地

一、引言

遙感數(shù)據(jù)由于其覆蓋范圍廣、重訪周期短等特點而廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測。目前用于火點監(jiān)測的衛(wèi)星主要有美國的Terra/Aqua、日本的向日葵八號衛(wèi)星、國內(nèi)的高分四號衛(wèi)星、風(fēng)云系列衛(wèi)星、環(huán)境系列衛(wèi)星等。應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行火點判別的依據(jù)是火點在中波紅外譜段引起的增溫，造成與周圍像素的明顯反差。目前，針對林火監(jiān)測的定量應(yīng)用研究，多以國外的MODIS數(shù)據(jù)為主，1998年Kaufman等發(fā)展出了基于MODIS數(shù)據(jù)的火點監(jiān)測模型，此模型結(jié)合了閾值模型和上下文模型的特點[1]。在這之后很多學(xué)者又對MODIS這一模型做了進(jìn)一步的修改，就是之后出現(xiàn)的MODIS火點V4算法[2]。隨著MODIS數(shù)據(jù)的應(yīng)用推廣，國內(nèi)很多學(xué)者開始利用MODIS數(shù)據(jù)來研究地面火點，覃志豪等利用MODIS熱紅外譜段亮溫閾值結(jié)合植被指數(shù)，建立了MODIS數(shù)據(jù)的林火識別模型，并運(yùn)用模型在中、蒙、俄三國交界地區(qū)進(jìn)行了實例化應(yīng)用[3]；周小成對基于MODIS數(shù)據(jù)的火點監(jiān)測算法進(jìn)行了驗證分析，提出了針對臨近背景像元算法的改進(jìn)算法[4]。隨著我國環(huán)境衛(wèi)星的發(fā)射，利用環(huán)境衛(wèi)星來研究地面火點遙感提取的越來越多，王玲利用HJ-IRS譜段3（3.78μm）與譜段4（11.36 μm）構(gòu)建火點提取模型，識別地面火點[5]。

吉林一號光譜衛(wèi)星于2019年1月21日發(fā)射升空，吉林一號光譜衛(wèi)星除了攜帶主載荷外，還攜帶了中波紅外相機(jī)和長波紅外相機(jī)，長波紅外譜段設(shè)置為7.5-13.5μm，空間分辨率為 150m；中波紅外譜段設(shè)置為3.6-4.9μm，空間分辨率為100m，對火災(zāi)引起的地表異常增溫極為敏感。然而由于吉林一號光譜衛(wèi)星傳感器和MODIS傳感器在波譜寬度、等效波長和通道響應(yīng)函數(shù)上的差異，致使現(xiàn)有的其他傳感器算法不宜直接使用，需要根據(jù)吉林一號光譜衛(wèi)星的實際情況進(jìn)行改進(jìn)，并且目前衛(wèi)星遙感火點識別主要基于地面衛(wèi)星圖像處理，衛(wèi)星拍攝、數(shù)據(jù)數(shù)傳、數(shù)據(jù)處理需花費(fèi)大量時間，這種方式很影響防火的時效性。

本文基于吉林一號光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)，參考MODIS火點監(jiān)測算法，研究了適用于吉林一號光譜衛(wèi)星火點監(jiān)測算法，并且研制了星載單機(jī)，將該算法移植到星載單機(jī)，可實現(xiàn)在軌火點識別功能，提高火點監(jiān)測的時效性。目前該算法成功應(yīng)用于山西沁源大火、澳大利亞大火等監(jiān)測，并對提取結(jié)果與同時期多光譜影像進(jìn)行對比分析，證明了該算法的可行性。

二、基于吉林一號光譜衛(wèi)星的火點識別方法

1.遙感火點識別原理

地表常溫溫度在300K左右，林火的溫度可達(dá)1000K左右，根據(jù)維恩位移定律可以推算出在600K以上的火焰其熱輻射峰值在3-5μm之間，剛好位于中波紅外通道。

但是研究表明，高溫地面和低云在中波紅外通道也可以達(dá)到很強(qiáng)的輻射，因此單用中波紅外通道來提取地面火點具有很大的誤差。高溫地面通常會使遠(yuǎn)紅外通道達(dá)到飽和，但地面火點卻不會，因此可以利用中波紅外和遠(yuǎn)紅外通道的差值排除高溫地面，地面火點遙感提取主要使用中紅外和遠(yuǎn)紅外兩個通道。遙感方法提取地面火點的基本原理就是利用中波紅外譜段對地面溫度異常點的強(qiáng)吸收，從而從正常的地表溫度環(huán)境中提取高溫火點[6]。吉林一號光譜衛(wèi)星正好有中波紅外譜段和長波紅外譜段。

2.吉林一號光譜衛(wèi)星火點識別算法

吉林一號光譜衛(wèi)星火點提取主要分為兩步：第一步去除水體和云的影響，基于云體在長波紅外輻射亮度較低的特性，利用長波紅外閾值去除云的影響，利用NDWI指數(shù)去除水體對火點提取的影響；第二步根據(jù)火點在中波紅外以及長波紅外的輻射特征，設(shè)定閾值從而提取火點，光譜衛(wèi)星火點監(jiān)測流程圖如圖1所示。

圖1 吉林一號光譜衛(wèi)星火點監(jiān)測流程

3.在軌信息處理系統(tǒng)

在軌信息處理系統(tǒng)采用FPGA+DSP硬件結(jié)構(gòu)，滿足多光譜大數(shù)據(jù)的存儲、壓縮和識別要求。處理系統(tǒng)的計算頻率達(dá)到10GHz以上，軟件支持在軌更新功能，便于后期功能升級。

采用FPGA作為外部接口的控制器，對有效載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、壓縮、并和中心計算機(jī)進(jìn)行信息通信，采用DSP作為火點判別的處理器。

三、試驗與驗證

1.山西沁源大火遙感監(jiān)測

2019年3月29日13時30分許，山西省長治市沁源縣王陶鄉(xiāng)郭家坪村附近發(fā)生森林火災(zāi)。獲悉災(zāi)情后，長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司啟動災(zāi)害響應(yīng)機(jī)制，調(diào)度衛(wèi)星進(jìn)行應(yīng)急觀測，并于北京時間2019年4月2日12時43分對沁源縣火災(zāi)區(qū)域進(jìn)行了拍攝。

選取沁源縣火災(zāi)范圍影像進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，吉林一號真彩色影像疑似火點區(qū)域局部放大圖如圖2所示。

圖2 吉林一號真彩色影像疑似火點區(qū)域局部放大圖

通過吉林一號真彩色影像只能看到煙霧，要穿過這層濃濃的煙霧需要用到吉林一號光譜衛(wèi)星中波紅外譜段，中波紅外可以準(zhǔn)確定位火點位置以及過火面積，裁剪疑似火點區(qū)域真彩色影像以及中波紅外影像對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 吉林一號真彩色影像以及中波紅外影像

從中波紅外影像上可以看出吉林一號真彩色影像疑似火點區(qū)域?qū)?yīng)中波紅外影像顯示為白色，與周邊地物色調(diào)差異較大。利用吉林一號光譜衛(wèi)星火點提取算法實現(xiàn)對火點提取，通過與多光譜影像比對，可以看出提取火點與真實火點位置對應(yīng)一致（見圖4）。

圖4 火點位置分布圖

2.澳大利亞大火遙感監(jiān)測

澳大利亞東南部森林火災(zāi)主要發(fā)生在沿海地區(qū),林火發(fā)生時正好處于南半球的夏季，天氣炎熱，林火持續(xù)燃燒數(shù)月。吉林一號光譜衛(wèi)星在2019年12月17日對研究區(qū)進(jìn)行了拍攝，利用光譜衛(wèi)星火點提取算法提取火點，并通過人工對比進(jìn)行了驗證，結(jié)果正確（見圖5-7）。

圖5 真彩色影像

圖6 中波紅外影像

圖7 火點監(jiān)測結(jié)果

3.在軌火點識別驗證與分析

2019年3月21日，長光衛(wèi)星開展了森林火點自主識別試驗，星上每秒實時處理500km2的中波紅外圖像，對高溫火點進(jìn)行識別。從星上開機(jī)處理13秒后地面終端接收到信息，結(jié)果顯示湄公河流域區(qū)域發(fā)現(xiàn)多處高溫火點，經(jīng)衛(wèi)星圖像人工比對驗證結(jié)果正確（見圖8）。

圖8 星載在軌處理實時獲得的火點信息

四、結(jié)論

通過分析吉林一號光譜衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)特點，提出了適用于吉林一號光譜衛(wèi)星的火點監(jiān)測算法，以澳大利亞東南部以及山西沁源的森林山火作為研究對象，準(zhǔn)確識別出火點的分布和面積。試驗表明了吉林一號光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)可用于火點監(jiān)測，本文提出的算法能夠有效識別出火點。將該算法集成到吉林一號光譜衛(wèi)星星載單機(jī)上，實現(xiàn)在軌火點識別，在湄公河區(qū)域開展試驗驗證，成功獲取了火點位置，利用在軌火點識別大大提高了火點監(jiān)測的時效性。