Himawari-8静止气象卫星时序法火点探测

随着新一代静止气象卫星的发射,高频次和高时效的观测特性对于火点探测具有独特优势。本文基于Himawari-8新一代静止气象卫星高频次观测特点,提出有利于火情初期火点判识的时序探测方法。与传统的极轨气象卫星遥感火情监测采用的上下文法不同,时序探测法判识火点的方法依据为探测像元亮温在观测时间上的差异。研究结果显示,在无云及无异常热源条件下,相邻时次中红外亮温差异较小,当前后时次亮温差达到3K时,可判识出火点,而上下文法的阈值均在6 K以上,时序法的火点判识阈值较上下文法明显降低,探测相应的亚像元火点面积减小一倍以上,从而提高了火情判识的灵敏度,实现火点早期发现。本文介绍了时序法火点判识方法,并以黑龙江桦川县的星地同步观测实验进行验证,研究表明,时序法较上下文法在初发火点探测灵敏度方面有明显优势,时序法和上下文法的结合可提高气象卫星对火情发展过程的监测能力。     

FY-3D/MERSI-II全球火点监测产品及其应用

FY-3D/MERSI-II全球火点监测产品主要包括全球范围内的火点位置、亚像元火点面积和火点强度等信息,可用于实时监测全球范围的森林草原火灾、秸秆焚烧等生物质燃烧状况。火点判识算法主要根据中红外通道对高温热源的敏感特性,即含有火点的中红外通道像元辐亮度和亮温较远红外通道的辐亮度和亮温偏高,同时较周边非火点的中红外像元偏高,建立合适的阈值可探测含有火点的像元。亚像元火点面积估算主要使用中红外单通道估算,根据亚像元火点面积估算结果对火点强度进行分级,不同的级别表示不同程度的火点辐射强度。基于全球火点自动判识结果,每日生成0.01°分辨率的卫星遥感日全球火点产品,每月生产0.25°×0.25°格点的全球月火点密度图。在利用FY-3D/MERSI-II火点产品开展的全球火点监测应用中,对多起全球重大野火事件进行了监测,为防灾减灾、全球气候变化研究、生态环境保护等方面提供卫星遥感信息支持。     

FY-2C积雪判识方法研究

介绍了利用FY-2C资料进行积雪判识的原理,在阈值法基础上的辅助因子函数积雪判识方法以及相应的FY-2C积雪判识结果精度验证分析等。一般较为常用的卫星遥感积雪判识方法为简单阈值法,由于其带有一定的随机性,很难客观反映下垫面条件差异对阈值选取的影响。以阈值法为基础,将所使用的主要变量以函数形式表达,以海拔高度、地理位置、季节、土地覆盖类型等作为阈值函数的变量,通过大量采样建立起多种阈值函数,从而实现随时空特点变化的阈值实时计算。该方法用于FY-2C积雪判识,较好地解决了FY-2C全圆盘范围内广大区域不同下垫面类型下的实时积雪监测。通过与NOAA-17人机交互积雪判识结果对比分析,该方法的积雪判识精度可达85%左右。     

MTSAT-2静止气象卫星中国区域雪盖监测

利用MTSAT-2静止气象卫星数据开展了中国区域的雪盖监测研究,结合MODIS雪盖产品及站点雪深观测数据对判识结果进行对比分析和验证。首先,根据MTSAT-2静止气象卫星数据特点,进行角度效应校正及多时相数据合成,以减少云对图像的影响;其次,根据多个雪盖判识因子建立中国区域雪盖判识算法;最后,对比分析2011年1月份MTSAT-2和MODIS雪盖判识结果,并使用站点观测数据进行精度验证。研究表明:(1)MTSAT-2雪盖判识受云影响比例约30%,MODIS雪盖产品受云影响比例约60%,MTSAT-2去云效果明显。(2)无云情况下,MTSAT-2雪盖判识和MODIS雪盖产品判识精度均高于92%;有云覆盖时,MTSAT-2判识精度约65%,优于MODIS雪盖产品35%的判识精度。(3)MTSAT-2静止气象卫星在保持高积雪判识精度的前提下,可以更有效减少云对雪盖判识影响,实时获取更多地表真实信息。该研究对中国区域雪盖信息准确监测、气候变化研究以及防灾减灾等具有重要意义。     

基于FY-3/MERSI数据的新疆融雪性洪水灾害监测

基于风云3号(FY-3)卫星中分辨率成像光谱仪(medium resolution spectral imager,MERSI)数据的归一化差异水体指数(normalized difference water index,NDWI)和基于蓝光波段的归一化差异水体指数(normalized difference water index based on blue light,NDWI-B),通过直方图分析获取了水体指数判识阈值,并对新疆北疆沿天山一带2009—2011年发生的融雪性洪水灾害天气进行了监测。对比基于环境1号卫星CCD数据的监测结果表明:利用FY-3/MERSI的250 m空间分辨率数据可实现对新疆融雪性洪水灾害的监测,其中利用FY-3/MERSI NDWI-BFY数据的判识效果最好。     

基于FY-2E卫星数据的福建沿海海雾遥感监测

利用我国自主研制的风云二号静止气象卫星资料,结合地面自动气象站能见度资料,通过对大量不同时相卫星资料的试验分析,找出台湾海峡海雾、云以及晴空海表等典型下垫面的可见光、热红外和中红外3个通道的光谱特征和变化规律,在此基础上运用反射率阈值实现云雾与海洋表面的自动分离,用亮温阈值实现海雾和低云与中高云的自动分离,用中红外和热红外通道的归一化差值指标实现夜间海雾的自动识别,最后建立台湾海峡海雾自动监测业务软件系统,并选择2015年和2016年地面实测资料对遥感监测结果进行精度验证。研究结果表明:风云静止卫星逐时海雾产品能有效地弥补极轨卫星在监测时次上的不足,很好地为台湾海峡海雾动态监测业务提供数据支持;遥感监测结果与地面观测结果相吻合,总体上较为理想,海雾监测平均准确率白天超过70%,但夜间判识精度低于白天;但同时风云静止卫星遥感技术在海雾和低云的有效分离方面仍然存在局限性。     

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。     

利用GF-1 WFV影像和FY-3D MERSI火点产品提取过火区的方法

利用遥感技术获取过火区信息对生态环境监测具有重要意义,其中高分辨率数据更适合提取小范围过火区。目前已有多种利用国外火点产品结合遥感影像提取过火区的研究。为了增强国产遥感数据火情监测能力,提高小范围过火区的提取效率和精度,基于过火前后2幅GF-1 WFV影像和多时相FY-3D MERSI火点产品开展过火区提取研究。2处研究区分别位于四川省凉山彝族自治州木里藏族自治县和西昌市。首先根据火点与过火区形成的关系,结合火点的时间、空间和光谱特征,筛选并扩充火点像元,确定过火区粗略范围;然后确定每种地表类型的分割阈值,分类过火像元和非过火像元;最后剔除周边小斑块,得到过火区提取结果。以人机交互方式获得的过火区参考真值作验证,并与神经网络分类法提取过火区的结果作对比。结果表明本文方法的过火区提取结果精度要明显高于神经网络分类法,Kappa系数达到0.82。该方法可以充分结合GF-1 WFV影像和FY-3D MERSI火点产品数据的优势,降低样本像元选择时间成本和不确定性,快速准确地提取小范围过火区。未来可考虑通过选择更高精度的火点产品,结合实地考察验证对该方法改进完善。     

利用FY-2F数据检测快速发展对流

快速发展对流RDC(Rapid Developing Convection)是灾害性天气发生的先兆。如何利用卫星遥感技术快速捕捉到RDC信息,是天气临近预报非常关注的内容。随着中国FY-2F气象卫星快速扫描工作模式的业务化,可提供时间分辨率为6 min,空间分辨率为5 km的多通道快速扫描数据,这使得利用卫星检测RDC业务化成为可能。本文根据FY-2F多通道快速扫描数据的特点,设计了一种快速发展对流检测方法。该方法主要根据云顶快速降温率CTC(Cloud Top Cooling rate)的多通道判识,设计了带有3个测试的CTC过滤器,过滤之后得到每个RDC的局部亮温极小值点,然后以该点为中心对周围像元进行漫水填充,得到快速发展对流体。对2013年8月(94°E—129°E,11°N—26°N)的扫描数据进行试验验证,结果表明,本文方法对RDC检测的准确率POD、误报率FAR和临界成功指数CSI分别为0.89、0.15和0.77,能够较为准确地检测快速发展对流。     

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。     

一种气象卫星云图的坐标转换与配准方法研究

设计了气象卫星云图坐标转换与范围截取的算法,并基于ArcEngine组件实现了卫星云图的自动配准。实验证明,本文提出的方法可以快速有效地实现卫星云图的位置校正以及与基础地理数据的准确叠加,减少分析过程中的误差,提高气象卫星云图的使用效率,对天气监测及分析预报等工作提供了及时、有效、科学的辅助决策支持。     

顾及灵敏性利用变形速率判识高铁沉降异常数据

面向在建高速铁路沉降观测的海量数据,为了快速、批量、自动甄别不能反映真实沉降状态的异常数据,基于沉降观测历史大数据与数理统计方法,本文制定了路基、桥涵、隧道各主要工况的沉降异常数据判识参考阈值;经剔除无效观测数据后,采用灵敏性优先与计算结果辅助校验稳定性的策略,将平均变形速率的波动情况与参考阈值作对比,实现自动判识沉降异常数据。应用这些方法,设计研发了铁路沉降变形观测信息系统,并在西康、西延高速铁路项目中推广应用,经验算,在单次变形速率与平均变形速率之间,通过设置灵敏性调整系数,可以抑制该方法的误判率,提升稳定性,在项目中能快速甄别出沉降异常数据及所处里程位置。     

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。     

基于VIIRS影像的秸秆焚烧火点监测方法

利用VIIRS SDR数据,基于火点像元亮温特征及其与背景亮温的偏差来提取秸秆焚烧火点信息。采用湖北省2015年秋收季节的VIIRS SDR 750 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,基于VIIRS卫星影像秸秆焚烧火点监测算法和GIS平台叠加火点信息和地理基础数据生成湖北省秸秆焚烧火点分布图。结果表明,小火点检测率较高,漏检率降低。     

基于单目序列影像的火点实时监测方法

火点监测技术在生态环保、灾害防治等领域的应用愈加广泛。为实现实时、全方位监测,提出了一种基于单目序列影像的火点实时监测方法。利用旋转相机对监测区域进行全方位巡航摄影,选取多帧影像进行位姿解算;热红外成像检测到火点后进行同位影像侦测,以排除光照和天气的影响;对目标影像进行模板匹配获取像方坐标,利用摄影测量共线方程计算火点的物方坐标,并转换为经纬度。通过实验验证了监测方法的可行性。     

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。     

基于MODIS的重庆森林火灾监测与应用

利用MODIS近红外、中红外及热红外的4个波段监测森林火灾,并提出了以MODIS 7波段为主的高温火点直接判别法和非高温火点综合阈值判别法。2006年重庆市森林火灾监测实践证明,该方法在城市森林火灾监测中是可用的。     

融合光谱阈值与图像技术的静止卫星夜间云检测方法

针对夜间云检测问题,本文基于静止气象卫星Himawari-8影像数据,分析了云像元光谱特征与图像特征,提出了融合光谱阈值与图像技术的静止卫星夜间云检测方法,实现了静止卫星夜间云的快速、准确检测。利用MODIS云产品和CALIPSO雷达数据,对云检测结果进行定性分析与定量验证。结果表明：(1)云检测结果与MODIS的云产品MYD06分布基本一致;(2)算法夜间平均云检测精度达到80.3%;(3)不同季节夜间的云检测精度随季节变化较明显,夏季最高达到83.3%,可以区分不同季节夜间的云与非云区域。因此,融合光谱阈值与图像技术的静止卫星夜间云检测方法能有效实现夜间云检测,为夜间云检测应用提供了新思路。     

在监测大兴安岭森林火灾中气象卫星发挥重要作用

1987年5月7日在我国东北大兴安岭林区发生森林火灾的过程中,气象卫星发挥了覆盖面积大、周期短和温度敏感性高的优势,及时地向扑火指挥部提供了大量火情资料,起到了重要的监测作用。     

基于多源遥感数据的森林火灾监测研究

以2019年5月13日黑龙江省佳木斯市同江市洪河国家级自然保护区为研究对象,基于静止气象卫星Himawari-8(H8)和极轨气象卫星MODIS数据对火灾发生经过进行还原,基于高分一号(GF-1)和高分六号(GF-6)数据进行火烧迹地识别.试验结果表明,Himawari-8及MODIS数据都可较好地反演出火灾发生地点,但基于固定阈值算法对Himawari-8数据进行火灾反演的实效性更强,可实现10 min级监测,可以弥补MODIS卫星时间分辨率低的不足,其可以对林业火灾监测提供较好的技术支撑.基于GEMI模型进行的火烧迹地提取可以为灾情损失及灾后重建提供本地数据.