简析卫星遥感信息技术在东北林区森林防灭火工作中的应用

李洪双

东北林区是我国最大的林区之一，包括黑、吉、辽及内蒙古部分区域，主要分布在大兴安岭、小兴安岭、完达山、张广才岭和长白山一带，全区共有森林面积6.8亿亩，占全国森林总面积的37%，木材蓄积量达32亿立方米，占全国木材总蓄积量的1/3。随着我国造林绿化和退耕还林工程大面积的实施，使得森林覆盖率大幅提升，加大了基层防火部门的工作任务。同时，受全球气候变化异常和林区生产活动频繁等因素的影响，森林火灾时有发生，森林生态系统遭到不同程度的破坏，林区人民的生命安全受到一定影响。东北林区作为我国最大的天然林区，切实做好东北林区的森林防灭火工作对保护我国森林资源显得尤为重要。为此，如何有效防范和化解森林火灾，积极应用卫星遥感信息高新技术为森林防灭火服务，从根本上把森林火灾的损失减少到最低限度，已成为巩固绿化成果，保护生态环境，实现林业跨越式发展和经济可持续发展的有效途径。

卫星遥感技术是通过人造地球卫星装载的传感器对地球表面的电磁波辐射信息进行探测，经信息的传输、处理和分析，判识地球环境和资源的现代化高新技术。在森林环境监测中，特别在森林资源调查、林业生态工程监测与评价、森林火灾监测与预警、森林病虫害监测等领域被广泛应用，它具有的探测范围广、周期短、连续性强、成本低等优点。目前，卫星遥感技术已被广泛地应用于我国的森林防灭火工作中，其应用技术亦日臻成熟，其重要作用愈来愈凸显。

一、遥感卫星监测森林火灾工作原理

遥感卫星监测森林火灾是以卫星作为空间平台，通过传感探测器发现森林火灾并监测其行为的航天遥感技术手段。由于具有一定温度（高于绝对温度）的物体会不断产生红外辐射能量这一特性，借助卫星装载的高分辨率辐射计通过大气窗口从几百公里高空对地球表面进行扫描，探测出地面物体发出的热辐射能。

通常林火的輻射温度在900 K左右，而其背景林地植被的地表温度一般仅为300K左右，与林火温度有较大的温度反差。根据斯特藩一玻尔兹曼定律：黑体的辐射强度（E）与其绝对温度（T）的关系，可以从物体的辐射强度反推出物体的温度。根据维恩位移定律：可以计算出林火的辐射能峰值波长为3.6μm左右（为绝对温度为T时黑体辐射能峰值的波长）。卫星遥感器的中红外通道可以探测到此光谱波长范围，可有效地监测林区的高温热点信息，实现遥感卫星监测森林火灾。

二、应用于森林防火领域遥感卫星概述

目前，应用于东北林区森林防火的在轨遥感卫星主要有美国NOAA系列、EOS系列和我国FY-3系列卫星。

（一）NOAA系列卫星

NOAA系列卫星是美国国家海洋大气局的第三代实用气象观测卫星，第一代称为TIROS系列，第二代称为ITOS系列，第三代称为NOAA系列。目前，用于东北林区森林防灭火监测的为NOAA系列卫星（主要包括N OAA-18和NOAA-19），其轨道是接近正圆的太阳同步轨道，轨道高度为870Km和833Km，轨道倾角为98.9°和98.7°，周期为101.4Min，星下点分辨率为1.1Km。NOAA卫星搭载的探测器主要有甚高分辨率辐射计（AVHRR）和泰罗斯垂直分布探测仪（TOVS），NOAA/AVHRR的第3通道对温度反应较为敏感，适合林区森林火灾的宏观监测和灾后植被恢复情况的跟踪监测。由于1颗卫星每日至少可以对地面同一地点进行2次观测，所以利用NOAA系列卫星（NOAA18和NOAA19）每日可以对东北林区同一区域进行4次林火监测。

（二）EOS系列卫星

EOS系列卫星上装载有先进的空间热辐射反射辐射计（ASTER）、云和地球辐射能量系统（CERES）、多角度成像光谱辐射计（MISR）、中分辨率成像光谱仪（MODIS）、对流层污染探测装置（MOPITT）5种对地观测仪器，其中MODIS分别搭载在Terra （EOS-AMl）和Aqua （EOS-PMl）两颗太阳同步极轨卫星上，MODIS数据具有多光谱分辨率（36个波段）、多空间分辨率（可见光具有250m、500m、1000m=种）、高时间分辨率（每日过顶2次）等特点，卫星轨道高度为705km，扫描宽度为2330km。其中Terra由南向北降轨运行，当地时间10：30通过赤道，Aqua由北向南升轨运行，当地时间13：30通过赤道，这两颗卫星的轨道重复周期约为1.2天，MODIS数据在时间更新频率上相配合，可以得到每日最少2次白天和2次黑夜的数据，这样的数据更新频率，对东北林区森林火灾监测和救灾具有十分重要的实用价值。

（三）FY-3系列卫星

FY-3系列卫星是为满足中国天气预报、气候预测和环境监测等方面的迫切需求建设的第二代极轨气象卫星，其目标是获取地球大气环境的三维、全球、全天候、定量、高精度资料。卫星搭载的可见光红外扫描辐射计（VIRR）共有10个光谱通道，其中既有高灵敏度的可见光通道，又有3个红外大气窗区通道，星下点分辨率为1.1Km。从2008年5月27日FY-3A发射以来FY-3系列卫星已成功发射5颗卫星（FY-3A. FY-3B、FY-3C、FY-3D、FY-3E）。FY-3NIRR主要用途是监测全球云量，判识云的高度、类型和相态，探测海洋表面温度，监测植被生长状况和类型，广泛应用于天气预报、灾害监测、环境监测等重要领域，可探测地物温度异常，适用于对森林火灾等灾害的监测及评估等。目前，用于东北林区森林防火监测的FY-3系列在轨卫星为FY-3C，它接替FY-3A作为监测林区森林火灾的主要星源，在东北林区森林火灾监测预警中发挥着重要作用。

三、卫星遥感信息技术在森林防火应用中存在的不足

卫星遥感信息技术为东北林区森林火灾的预防和扑救提供了重要的科技手段。随着近年来卫星遥感信息技术的迅速发展和配套设备及软件水平的升级，其精度和效率已有了较大进步。但是，卫星遥感信息技术在森林防灭火领域的应用还存在一些问题和不足。

（一）林火高发时段星源偏少且过境时间不均衡

根据森林火灾发生规律，林火大概率发生在中午时段。如果林火初发阶段不及时被发现处置，极易酿成较大森林火灾，进而造成国家森林资源的破坏。目前，用于东北林区森林火灾在轨运行的NOAA系列、EOS系列和FY-3系列极轨卫星过境时间主要集中在当地时间7时至11和13时至16时。虽然卫星每日可对同一区域覆盖2次，但是在下午林火高发时段过境东北林区的卫星短缺且监测时间分布不均衡，不能满足东北林区森林防灭火工作的需求。

（二）卫星遥感数据受干扰因素较多

卫星遥感数据受季节、大气云层、轨道漂移等因素干扰使监测结果存在偏差。地表植物随季节的变化表现出不同的季相特征，对电磁波辐射的吸收和反射能力表现不同，导致同一地物因季节不同表现不同的卫星遥感影像信息，由于大气及地面对电磁波的散射、吸收和折射，使电磁波能力衰竭损耗影响了卫星遥感图像灰度值，同时，遥感气象卫星还不具备穿透较厚云层探测云下高温热辐射能力，卫星监测森林火灾容易受到云雾的遮挡，随着卫星使用年限的增长、卫星轨道的漂移及卫星姿态等因素影响，可导致遥感卫星监测林火热点位置、像素大小存在误差。

（三）卫星空间分辨率较低并产生混合像元现象

目前，应用于东北地区林火监测的卫星遥感数据主要以NOANAVHRR、EOS/MODIS和FY-3NIRR等中低空间分辨率的卫星遥感数据为主，因空间分辨率低对监测林区较小热点灵敏度不高。同时，东北林区有许多农林交错地带，存在农林间种等现象，加之遥感卫星分辨率较低导致卫星图像同一像元包含不同种地物，且地物间存在着不同比率的组合，造成在对一个像元进行分析时，不能通过遥感卫星图像准确判断出林区热点属性，存在着热点不确定性。