EOS-MODIS数据在广西森林火灾监测中的应用

郭远飞 吴虹

（桂林工学院资源与环境工程系 遥感应用研究所）

【摘　要】　本文以“中科院地理与资源环境研究所—桂林工学院EOS-MODIS数据共享网节点”所接收的数据为基础，结合过去1年内的监测经验及成果，以2004年11月21日发生在钦州等地的森林火灾为例，利用MODIS1.65μm、2.13μm、4μm、11μm等波段对不同高温的敏感程度差异特征，介绍了森林火灾多波段定量监测的基本算法。
【关键词】　MODIS数据 广西 森林火灾监测

　　1 研究区概况
　　虽然广西森林覆盖率远远高于全国的平均水平，但是广西生态环境仍然十分脆弱。广西是典型的喀斯特地貌区，33%的土地属于石山地区，有1000万亩土地裸露，而且这些地区多半是老少边穷地区，抓好林业生态体系建设是他们奔小康必然的要求。广西还处于珠江流域重要地段，占珠江流域46%，覆盖了广西46个县，解决广西生态问题对确保下游粤港澳安全具有重要意义。广西还有1000公里的海防线，迫切需要抓好海防林的建设，确保人民群众生命财产的安全。今年入春，广西春旱，春防形式依然十分严峻，仅农历元宵节一天就收到卫星火点79个。初步统计，今年一、二月份全区已发生森林火灾61起。2003年，中国广西遭遇历史上少见的干旱，农作物受灾，森林火灾频发，九月以来，就发生森林火灾二百九十多起，同比上升百分之二百七十二，过火面积和受害森林面积则上升了好几倍。森林火灾对其造成很大的威胁，尤其在许多人迹罕至的原始林区起火不易被发现，扑火工作很难及时进行，一旦失控往往造成很大的经济损失。同时，火灾对生态平衡和环境也有一定的负面影响，它改变了植被的物理状况，向大气中释放各种温室气体，因此，对火灾及时、准确监测显得尤为重要。
　　2 关于MODIS
　　MODIS，英文全称为Moderate resolution Imaging Spectroradiometer，是美国1999年12月28日发射的Terra（EOS-AM1）星和2005年5月4日发射的AQUA（EOS-PM1）星上搭载的唯一进行免费直播的、当前世界新一代“图谱合一”的光学遥感器。MODIS提供了对云、气溶胶、辐射收支平衡以及对通过能量、二氧化碳、水循环反映的地——气相互作用的探测能力。它使人类能够有机会同时获得36个覆盖可见光、近红外和远红外波段的百米量级的遥感资料，从而为把大气——陆地——海洋作为一个整体来综合探讨地球环境演化变迁的内在科学机理提供了新的数据来源。MODIS数据具有多光谱分辨率（共36个波段），高时间分辨率（每天过顶两次），多空间分辨率（具有250m、500m和1000m三种空间分辨率）等特点。因此，MODIS数据在监测资源、环境、灾害方面具有极好的应用前景，并且已经受到国内外科研人员的极大关注。[1]
　　3 基于共享网的MODIS数据获取与管理
　　3.1 获取方式
　　MODIS数据获取方式主要有三种：①建立MODIS数据接收地面站；②通过计算机网络获取MODIS数据，可选择从NASA-MODIS网站下载或在国内MODIS网站下载；③通过建立通讯数据广播接收站获取数据。本研究所采用了主要通过共享网在中国科学院地理与环境研究所下载为主，NASA-MODIS网站下载为辅的多源下载方式。
　　3.2 数据预处理
　　为了方便调用，我所下载的数据在存档之前都进行如下预处理：消除BOW-TIE现象；根据MODIS自带的GEOLOCATION文件进行几何校正；根据MODIS自带的Solarzenith文件进行太阳高度角校正；将Scaled Integers值换算成反射率或者辐射值（Scaled_Integers * Reflectance_Scales+ Reflectance_Offsets或Scaled_Integers * Radiance_Scales+ Radiance_Offsets）。
　　3.3 数据管理
　　将进行过预处理的数据按时间刻录光盘存储（一般一天刻盘一至两张），贴标签，标注数据时间、覆盖广西比例、卫星过顶时广西区云量情况、可明显识别的自然灾害以及其他一些已提取的信息，然后入库保存。
　　4 森林火灾监测原理
　　根据斯蒂芬—波尔兹曼定律：N = RT4其中， R = 516693×10-3（W·M-2·K-4），N为黑体的全波长辐射，T为温度。由公式可知黑体温度只要有很小的变化，就会引起辐射的很大变化。而林火等高温热源目标则会引起辐射的更加急剧的变化， 这种变化将十分有利于高温热源的判识。
　　根据维恩位移定律：T×Kmax=289718（K，Lm）。黑体温度T和辐射峰值波长Kmax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10Lm左右， 而火焰温度一般在500～700K以上，其热辐射峰值波长在3～5Lm；林火的明火温度可达到1000K左右，其热辐射峰值波长更短，达到3Lm以下。
　　MODIS在火灾监测方面是其设计的重点之一，因此对火灾和热异常的处理潜力很大。表1列出了MODIS可用于火灾监测的12个通道。
　　CH1、CH2分别为可见光和近红外光通道，星下点分辨率为250m，可以提供较细致、清晰的江河、湖泊和山脉等地形地貌信息和火灾烟信息；CH6、CH7为近红外通道，白天主要是太阳辐射的反射信息。对于500K以下的常温和一般高温反应十分微弱，只有达到700～1000K的高温目标才有明显反映，但容易与云的反射相混（所以一般不用于阀值法火灾监测），由于CH7较CH6的波长更靠近地面火点辐射峰值，因此一般选用CH7通道资料，该通道用于林火监测将能大大增强林火的识别能力和准确度；CH20～25为6个中红外通道，对400 K以上的地表火有极强的反应，而对300K以下的背景温度不敏感，非常适合火点识辨，其中CH21的信噪比比其他波段更高，所以一般选用CH21；同时利用CH7通道和CH20～25通道的比较，可以区分热异常的类型、火烧强度和进行亚象元分析；CH31～32可以较好地反映地面的背景温度，对300 K左右的背景温度和500K以上的高温反映的差别很小。[3]
　　MODIS还具备精确的定位功能，NASA专门设计了不仅依靠卫星轨道和姿态计算，同时还考虑地面控制点和高程点的定位方式，使地面几何定位精度达到星下点0.1像元，边缘0.3像元，并且不需要用户进行复杂的操作，这就大大提高了火灾定位的精度和用户使用的方便程度。[4]

表1 MODIS可用于火灾监测的12个通道[2]

　　5 监测实例
　　2005年12月20日梧州蒙山因炼山跑火引发森林火灾。当日TERRA卫星过顶时间约为11点30分，12点20分地理所地面站已将实时接收到的当次过顶数据全部传到服务器上，13点我所下载数据完毕，经过一系列图像预处理、火点检测计算、图像合成、对比分析及地理信息运算，15时左右已得到主要成果（见图1、图2）。图1为21、2、1三波段假彩色合成影像。图中红色斑点为火点，可见白色烟羽，从三维立体影像可判断，火灾发生在北东向山坡上。图2为火点图像与地理信息的叠合图，图中红色双点线为梧州与贺州地区界线；黄色细线为县乡道路；黄色粗线条为省道；黄色双线为国道，蓝色为水体。大火中心（深红色区域）已越过地区界线，烧入贺州境内。

图1 梧州火场21，2，1三波段假彩色合成图像

图2 梧州火场图像与基础地理信息叠合

　　21日MODIS未扫描该火点。19日、20日、22日接收到的数据对比（22日林火已基本熄灭），对此次火灾最终过火面积进行计算（见图3），图中新增的棕红色区域为过火区域。最终提取的火灾综合信息见表2。

表2 火点综合信息表

图3 梧州火场1、2、3三波段假彩色合成图像对比

　　6 结束语
　　多波段的监测（提高了火点识别的准确性、明火和过火面积计算的准确性）、精确的定位、广阔的覆盖空间（2330 km 横向扫描）和高的时间分辨率（Terra和AQUA均为太阳同步极轨卫星，前者过顶时间为上午10:30和22:30，后者为下午14 :30和凌晨2:30，一天能对同一地区进行至少4次监测）使得MODIS在火灾监测能力大大超越了现有的其他遥感仪器性能，但目前其应用处于实验开发阶段，它必将为广西的森林火灾防治工作作出巨大贡献。

基金项目：广西区教育厅项目（桂教科研[2004]315）
作者简介：郭远飞（1982-），男，硕士研究生，研究方向：定量遥感

参 考 文 献
[1] http://modis.gsfc.nasa.gov/
[2] 张树誉、景毅刚.EOS/MODIS资料在森林火灾监测中的应用研究，灾害学[J]，Mar. 2004，（3）：72-75
[3] 刘闯、葛成辉等.EOS的卫星、传感器及其数据产品，中国图像图形学报(应用版)[J]， 2001，（5）：5-121
[4] Lim K H，Kwoh Llew S C. Development of a MODIS Data Reception System for Regional Environmental Monitoring in Southeast Asia. 22nd Asian Conference on Remote Sensing, Singapore[C]，2001，（1）：7-113