卫星遥感火点监测应用和研究进展

卫星遥感在自然灾害管理和应对中发挥了越来越多的作用。火点遥感在火灾频发的时候也被寄予厚望。梳理了火山、环境、气候、火灾等方面对火点遥感的需求,中国火灾监测的行业用户对时空分辨率需求迫切程度不同;概述了用于火点遥感监测的卫星数据源特点,光谱维度上以热红外敏感波段最重要,卫星轨道特点也是影响火点遥感监测能力重要因素;在分析火点遥感物理原理和方法的基础上,综述了当前火点遥感方法的研究进展及优缺点。按照火灾发生的灾前、灾中、灾后3个阶段,分别讨论了当前火点遥感提供信息支撑的能力。火点遥感用于发现火灾仍需要与地面监测等手段联合使用。     

联合多源遥感数据监测四川木里县森林火灾

森林火灾既严重影响森林生态系统的稳定,还威胁到人类生命财产安全。传统监测森林火灾方法,覆盖范围小,难以及时监测小面积火灾。遥感卫星能大范围精确监测火情,提高了监测方法的时效性,但使用单一卫星数据源很容易受到云雨等客观环境因素影响,降低监测的时效性。本文以四川木里藏族自治县"330森林火灾"区域为对象,开展多源卫星遥感数据对小范围火灾联合监测的研究。首先,充分挖掘高分四号高时空分辨率和中红外火烧敏感波段优势,联合烟幕、温度和植被指数时序变化确定火烧时间与位置;然后,使用Sentinel-2数据监测不同火烧区域光谱信息;接着,使用Sentinel-2数据提取dNBR(differenced Normalized Burn Ratio),提出了基于最大类间方差算法(OTSU)分步骤确定不同程度火烧迹地与面积的方法;最后,建立Sentinel-1A极化比值PR (Polarization Ratio)和NDVI之间关系,利用微波雷达突破云雨限制。结果表明:(1)高分四号联合IRS(InfraRed Scanner)和PMS(Panchromatic Multispectral Sensor)能够实时监测小范围火灾;(2)根据火点位置,确定火灾蔓延期间NDVI下降(由0.7降低至0.25),确定起火时间(3月30日);(3)火灾区域与未受灾区,以及不同类型火烧迹地之间的光谱在490—2200 nm范围存在差异;(4)基于OTSU算法自动确定阈值,确定林地损失面积41.56公顷(dNBR=0.35),精度达94.67%,提取林地过火未损失面积66.56公顷(dNBR=0.10),精度达90.94%,林地损失区域基本符合实际调查结果;(5)火灾前后极化比值由6.6 dB升高至10.8 dB,NDVI与PR经线性回归,R2=0.58,验证R2=0.50。联合多源卫星监测森林火灾,能提高森林火灾监测的时效性,避免了云雨等复杂环境的影响。研究成果能为小火点的及时识别和灾害评估提供参考,其应用可为林火应急响应提供技术支撑。     

森林资源监测中GF-2卫星影像波段配准误差分析

通过对GF-2卫星影像正射校正及波段模拟配准误差试验,分析GF-2卫星正射校正方法的选择以及不同配准误差下对GF-2卫星影像自动分类结果的影响;最后介绍GF-2遥感影像在森林资源监测应用中的初步测试。研究结果表明:正射校正时,当校正精度要求控制在RMS2时,控制点数量选择范围在85~95间较为合理,且控制点数在90个时,RMS值最小;经有理函数模型与卫片模型比较后,卫片模型校正精度较高;以目视判读为主时,实践中建议使用三次卷积重采样法输出结果最好;波段模拟配准误差试验中,配准误差与各地类面积变化间存在显著的线性关系;对于森林面积监测时,配准误差应小于0.3个像元。此研究可为新型国产卫星数据在森林资源监测中的应用提供参考。     

一种耦合元胞自动机的改进林火蔓延仿真算法

针对传统林火蔓延仿真模型在模拟大范围森林火灾时误差大和效率低的问题,对文献[10]的林火模型添加时间修正来提升林火蔓延模拟的准确性,提出耦合地理元胞自动机模拟林火蔓延过程的仿真算法。分析了元胞自动机时间步长对模拟精度的影响,优化时间步长选择,提高了模拟大规模森林火灾的精度及效率。以模拟2006年5月大兴安岭林区森林大火蔓延过程为例验证本算法,发现地理元胞自动机算法中时间步长取整个元胞完全燃烧所需时间的1/8效果最好,林火蔓延模拟结果与实际TM影像解译的火情时空一致性较高,Kappa系数平均为0.6352,准确率平均为87.89%。算法可用于实际林火蔓延过程的重现及趋势预测,且算法可逆。     

基于多源遥感数据的森林火灾应急监测

针对目前森林火灾应急救援工作中火情监测手段单一、实时性、全面性不够的问题。本文总结了一种基于多源遥感监测数据的复杂地形森林火灾应急监测工作方法,解决了宏观尺度下森林火灾应急监测不够实时和全面的问题。研究结果表明：(1)空天地联合监测的火情信息获取方法具有全面、机动性和实时性等优势,可有效辅助于森林火灾现场指挥救援工作;(2)以吉林一号和高分一号为主的国产卫星载荷下的光学监测和夜光遥感监测可对火灾区域进行宏观尺度的持续观测;(3)无人机载荷的热红外探测和激光测距传感器可以实时获取夜间和小范围区域内的火点信息,助力火灾打早打小。本文研究成果可为森林火灾应急指挥部在火场地形地貌分析、救援力量部署、火灾实时追踪监测和灾后复燃隐患防控等工作提供科学决策支撑。     

冬小麦区域遥感监测及识别中的方法研究

通过基于高时间分辨率的"环境一号"卫星数据的变化向量分析(CVA)冬小麦遥感识别方法,并以地理国情普查数据为调整单元对识别结果进行修正,达到提高冬小麦遥感识别精度的目的。结果表明,使用CVA方法可提高冬小麦遥感识别精度,以国情普查数据为调整单元可在一定程度上降低遥感影像配准误差影响,对其他农作物遥感识别具有一定的参考意义。     

森林火灾可燃物信息系统的设计与实现

设计和开发了利用遥感影像提取森林火灾可燃物信息方法的原型系统,通过构建不同的森林火灾场景,对森林火灾蔓延进行模拟和分析。实验表明,该系统能够为森林火灾的应急管理提供决策支持。     

NOAA-AVHRR数据在吉林省东部林火信息提取中的应用

概述了利用NOAA-AVHRR数据进行林火监测的原理和4种方法。针对吉林省东部的森林火灾,运用4种方法进行了火点信息提取与分析,最后对阈值法进行了改进,提取精度达到了89.2%。分析了NOAA-AVHRR应用于林火遥感监测的可行性和不足。     

利用动态阈值的森林草原火灾火点检测算法

针对传统固定阈值的森林和草原火灾火点遥感检测算法因时空环境变化而导致的火点漏检和误检问题,提出了一种综合季节、地理位置和土地覆盖类型等影响因素的时空动态阈值火点检测算法。实验结果表明,时空动态阈值火点检测算法能有效改善火点检测结果,具有时空自适应性。     

基于VIIRS数据的哈尔滨市秸秆焚烧火点监测

采用哈尔滨市2020年秋收季开始至2021年春耕季结束的VIIRS SDR 742 m分辨率下的第5、7、11波段反射率产品和13、15、16波段亮温值产品,分析火点像元亮温特征及与背景亮温的偏差来提取哈尔滨市秸秆焚烧火点信息,对VIIRS卫星影像数据提取算法进行验证,同时对火点监测算法监测到的哈尔滨市秸秆焚烧火点进行时空分布研究。结果表明,此算法监测率较高,可以为监管部门提供重点有效的监测信息,提高对重点区域的监管力度。     

应用3S技术的森林防火信息系统设计与实现

为了推动森林防火工作的现代化、信息化,以3S技术为核心,基于远程视频监控、网络通讯等技术设计实现了集日常事务管理、林火实时监控、林火预测预报、GPS跟踪定位、灾后损失评估等功能于一体的防火信息系统。该系统在某市的试用中已表现出了较好的使用价值。     

基于遥感数据的森林火灾监测研究概述

研究和总结了遥感数据在森林火灾监测中的应用,研究对象主要是NOAA和MODIS,内容包括遥感监测火灾的原理、基于2种数据的森林火灾监测算法以及目前的研究现状。最终得出结论:MODIS数据在林火监测的准确率和定位精度等方面较NOAA卫星有较大的提高,动态监测具有较好的应用前景。     

Evaluation of forest fire on Madeira Island using Sentinel-2A MSI imagery

A forest fire started on August 8th, 2016 in several places on Madeira Island causing damage and casualties. As of August 10th the local media had reported the death of three people, over 200 people injured, over 950 habitants evacuated, and 50 houses damaged. This study presents the preliminary results of the assessment of several spectral indices to evaluate the burn severity of Madeira fires during August 2016. These spectral indices were calculated using the new European satellite Sentinel-2A launched in June 2015. The study confirmed the advantages of several spectral indices such as Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), Green Normalized Difference Vegetation Index (GNDVI), Normalized Burn Ratio (NBR) and Normalized Difference Vegetation Index (NDVIreXn) using red-edge spectral bands to assess the post-fire conditions. Results showed high correlation between NDVI, GNDVI, NBR and NDVIre1n spectral indices and the analysis performed by Copernicus Emergency Management Service (EMSR175), considered as the reference truth. Regarding the red-edge spectral indices, the NDVIre1n (using band B5, 705 nm) presented better results compared with B6 (740 nm) and B7 (783 nm) bands. These preliminary results allow us to assume that Sentinel-2 will be a valuable tool for post-fire monitoring. In the future, the two twin Sentinel-2 satellites will offer global coverage of the Madeira Archipelago every five days, therefore allowing the simultaneous study of the evolution of the burnt area and reforestation information with high spatial (up to 10 m) and temporal resolution (5 days).     

基于GIS的森林火灾扑救路径的构建

森林火灾一般发生在偏远的山区,公路无法直接到达,而在森林火灾扑救过程中如何结合已有的公路、防火林带和无公路的区域,确定最优的行进路线,是扑火指挥员进行指挥决策的重要依据。通常的网络分析仅仅是在已有的矢量数据上进行分析,一般不包括栅格数据。本文讲述了如何基于ArcGIS 8.1的内置数据库Geo-Database构建森林火灾扑救网络数据库,以地形数据、网络数据、植被数据等作为基本数据,用ArcObjects编程实现最优路径的确定。     

Influence of forest fire episodes on the distribution of gaseous air pollutants over Uttarakhand,India

ABSTRACT

Widespread forest fire events occurred in the foothills of North Western Himalaya during 24 April to 2 May 2016 (Event-1) and 20–30 May 2018 (Event-2). Their impacts were investigated on the distribution of pollutant gases ozone (O₃), carbon monoxide (CO), and oxides of nitrogen (NOx) over Uttarakhand using simulations of Weather Research and Forecasting model coupled with chemistry (WRF-Chem) and in-situ observations of these gases over Dehradun, the capital of Uttarakhand. During Event-1, the observed CO mixing ratio over Dehradun increased from 25 April 2016 onwards, attained maximum (705.8 ± 258 ppbv) on 2 May 2016 and subsequently decreased. The rate of increase of daily baseline CO was 29 ppbv/day during HFAP (High Fire Activity Period). During Event-2, daily average concentrations of CO, O₃, and NOx showed systematic increase over Dehradun during HFAP period. The rate of increase of CO was 9 ppbv/day, while it was very small for NOx and O₃. To quantitatively estimate the influence of forest fire emissions, two WRF-Chem simulations were made: one with biomass burning (BB) emissions and other without BB emissions. These simulations showed 52% (34%) enhancement in CO, 52% (32%) enhancement in NOx, and 11% (9%) enhancement in O₃ during HFAP for Event-1 (Event-2). A clear positive correlation (r = 0.89 for Event-1, r = 0.69 for Event-2) was found between ?O₃ (O_{3with BB} minus O_{3without BB}) and ?CO (CO_{with BB} minus CO_{without BB}), indicating rapid production of ozone in the fire plumes. For both the events, the vertical distribution of ?O₃, ?CO, and ?NOx showed that forest fire emissions influenced the air quality upto 6.5 km altitude. Peaks in ?O₃, ?CO, and ?NOx during different days suggested the role of varying dispersion and horizontal mixing of fire plumes.     

森林火灾三维可视化快速模拟及输出系统设计

以森林火灾为示范,以火灾地区的多元地理信息数据为基础,结合火灾专题数据,采用适用性强的火灾蔓延模型,研发森林火灾的三维仿真模拟可视化示范系统,实现对火灾发生,发展,蔓延情况的实时模拟。利用三维GIS技术对承灾体受灾情况进行逼真表达并输出模拟灾情产品,为相关部门的灾害预警、监测、救援、分析、统计和应急预案制定提供支持。     

中国林火卫星遥感预警监测技术研究进展

中国目前已形成了地面巡护、近地面监测、航空巡护和卫星监测等4级立体林火监测层次,但森林火灾仍是造成中国森林资源损失、森林生态环境安全和人身伤害的主要林业灾害。为对林火预警监测技术研究提供技术借鉴参考,本文从可燃物参数估测、烟区识别、着火点检测、森林大火燃烧动态监测、森林火烧迹地制图、森林火灾受害程度评价、森林燃烧生物量估算和火后植被恢复监测等8个方面,对中国近二十多年来开展的林火卫星遥感预警监测应用技术的研究进展、存在的技术问题和发展趋势进行了分析,并对构建服务于生态文明建设的天—空—地一体化的林火预警监测技术体系建设进行了展望。     

耦合Rothermel模型与粒子系统的林火蔓延模拟方法北大核心CSCD

科学准确地模拟分析森林火灾蔓延动态对防灾减灾救灾工作具有重要意义。现有的林火蔓延模拟方法在林火蔓延计算和可视化表达上,耦合程度低且难以将动态物理模型计算结果实时可视化表达。针对这一问题,本文在综合考虑国内外各种火灾蔓延模型优缺点的基础上,选取应用广泛的Rothermel模型作为物理模型。通过惠更斯理论优化了火灾演进范围边界点割裂的不足,采取着火点密度阈值控制种子点数量与模拟可视化效率的平衡;利用布尔运算提高多着火点蔓延范围计算效率,将火灾模型与Open Scene Graph的粒子系统进行紧密耦合,完成火灾演进可视化表达。本文方法实现了对森林火灾蔓延的精确计算和实时、逼真模拟,为灾害应急部门提供信息化支撑。     

森林防火监测站选址及可视域分析

火灾是森林的宿敌,危害巨大。建立监测站不仅是一种有效的森林防火措施,还是我国主流的预防对策。文章基于GIS对某林区数字高程模型进行空间分析,通过分区查询统计理论提取其最高点,利用缓冲区技术去除不合理高程点,获取可视域范围较大的监测站点分布图;根据泰森多边形对监测站点监测区域进行可视域分析,获取其可视域分析指标值,同时剔除功能重复的站点,以得到其较为理想的分布。该方法只需单一的数字高程模型数据,选取站点过程考虑综合因素,可操作性强,为森林防火监测站的部署和分析提供了一种科学参考。