機(jī)載光學(xué)全譜段遙感林火監(jiān)測(cè)

森林火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置和撲救困難等特點(diǎn)，各國(guó)紛紛投入大量人力物力以加強(qiáng)森林火災(zāi)預(yù)防治理和撲救處置的研究。近年來(lái)，隨著全球氣候變暖和極端天氣事件增加，國(guó)內(nèi)外森林大火頻發(fā)，造成大量的森林資源和財(cái)產(chǎn)損失，有時(shí)還釀成慘重的人身傷亡事件。這些慘重的人員傷亡以及造成的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)損失，影響了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。航天遙感探測(cè)具有客觀、高效、宏觀和快速等特點(diǎn)，已在林火預(yù)警、監(jiān)測(cè)、損失評(píng)估等方面被廣泛應(yīng)用。但由于受衛(wèi)星傳感器光譜通道、空間分辨率以及觀測(cè)時(shí)效性等影響，目前還難以快速提供反映火場(chǎng)單株樹(shù)木受害信息的多光譜/高光譜影像，缺乏表征植被垂直結(jié)構(gòu)受損信息的衛(wèi)星影像。

基于機(jī)載激光雷達(dá)ALS數(shù)據(jù)提取的冠層密度、樹(shù)冠體積和冠基高度等參數(shù)在描述可燃物冠層特征、估測(cè)可燃物載量和模擬樹(shù)冠火行為時(shí)具有重要價(jià)值。使用多期的ALS數(shù)據(jù)還可以直接量化林火前后森林垂直結(jié)構(gòu)變化，同時(shí)結(jié)合地形信息繪制出森林不同火燒程度的空間分布，以及評(píng)估火擾動(dòng)后的森林結(jié)構(gòu)的恢復(fù)狀況。機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)因其具有豐富的窄波段光譜信息，已被證明在可燃物類型的區(qū)分中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。不同的可燃物類型其化學(xué)成分和可用的燃燒能量存在較大差異，具體反映為含水量、干物質(zhì)、比熱等的差異，直接影響了火燒強(qiáng)度、燃燒方式和能量的釋放。通過(guò)高光譜影像計(jì)算的歸一化燃燒率指數(shù)NBR、修正型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)MSAVI等植被指數(shù)可以刻畫林火烈度；歸一化植被指數(shù)NDVI、光化學(xué)反射指數(shù)PRI、水分脅迫指數(shù)MSI等能有效地探測(cè)森林過(guò)火區(qū)植被的色素含量、含水量等生理信息；同時(shí)，基于高光譜數(shù)據(jù)提取和計(jì)算的多種指數(shù)對(duì)火災(zāi)后植被的恢復(fù)狀況能有較好的指示作用。然而，這些研究中較多地使用單一數(shù)據(jù)源，沒(méi)有充分利用和挖掘多源數(shù)據(jù)相結(jié)合提取林草可燃物參數(shù)及林草火災(zāi)災(zāi)情信息的優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，發(fā)展多傳感器集成化機(jī)載遙感系統(tǒng)成為趨勢(shì)?，F(xiàn)有的機(jī)載遙感系統(tǒng)可提供高分辨率CCD影像、高光譜數(shù)據(jù)、熱紅外影像和ALS數(shù)據(jù)等多維度數(shù)據(jù)，多維度數(shù)據(jù)間的組合使用可同時(shí)反映森林的不同層面觀測(cè)信息，已廣泛應(yīng)用于林火的監(jiān)測(cè)和火險(xiǎn)估測(cè)及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中。

1西昌“3.30森林火災(zāi)”監(jiān)測(cè)示例

利用集成的多光譜、高光譜、熱紅外和激光雷達(dá)傳感器，可同時(shí)觀測(cè)獲取林草火災(zāi)發(fā)生中和火后植被的垂直和水平結(jié)構(gòu)、光譜以及溫度等信息，從而為火場(chǎng)燃燒態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)、災(zāi)后受害程度評(píng)價(jià)等提供更為精細(xì)的表征林草可燃物的“圖—譜—溫—高”數(shù)據(jù)支撐服務(wù)。

1.1過(guò)火區(qū)機(jī)載數(shù)據(jù)獲取及處理

2020-03-30T15：00時(shí)許，四川涼山州西昌市經(jīng)久鄉(xiāng)馬鞍村突發(fā)森林火災(zāi)；2020-03-31，該山火造成了19名人員犧牲、3人受傷；2020-04-02T12：01，明火全部撲滅。此次火災(zāi)發(fā)生在距西昌市西南5km的瀘山風(fēng)景區(qū)，喬木林主要以云南松為主，零星分布少量赤桉、楊樹(shù)和櫟樹(shù)，林下有馬桑、杜鵑、坡柳、忍冬等灌木，以及黃茅、蒿草（Artemisia）、莎草、紫莖澤蘭等地被物。在春末干燥高溫環(huán)境下，易于發(fā)生森林火災(zāi)。該森林火災(zāi)發(fā)生后，急需開(kāi)展火情監(jiān)測(cè)和災(zāi)情評(píng)估。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院2020-04-01對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，同時(shí)聯(lián)系有關(guān)部門申請(qǐng)應(yīng)急飛行，協(xié)調(diào)通航飛機(jī)和飛行空域。2020-04-03和云南英安通用航空有限公司達(dá)成使用運(yùn)12E型飛機(jī)的聯(lián)合飛行協(xié)議，2020-04-04設(shè)備從資源信息研究所出發(fā)，2020-04-07運(yùn)抵云南省普洱市。2020-04-09，在云南普洱機(jī)場(chǎng)完成系統(tǒng)和型飛機(jī)的安裝，并于2020-04-10完成機(jī)載設(shè)備通電地面調(diào)試。此時(shí)，系統(tǒng)及人員進(jìn)入隨時(shí)執(zhí)行飛行觀測(cè)任務(wù)的待命狀態(tài)。2020-04-13，系統(tǒng)與人員隨飛機(jī)一起轉(zhuǎn)場(chǎng)至西昌青山機(jī)場(chǎng)，并分別于2020-04-14T14：00-17：30和2020-04-15T10：40-15：10獲取了該過(guò)火區(qū)的機(jī)載遙感數(shù)據(jù)。其中，熱紅外相機(jī)由于連接線原因出現(xiàn)無(wú)規(guī)律失鎖現(xiàn)象，2020-04-15的飛行僅記錄少部分?jǐn)?shù)據(jù)。此次飛行試驗(yàn)的絕對(duì)航高約3000m（相對(duì)航高約1000m），作業(yè)區(qū)飛行時(shí)長(zhǎng)共8.5h，采集原始數(shù)據(jù)約838GB。經(jīng)POS解算后的位置誤差在0.045m之內(nèi)，快速處理時(shí)間約3h。LiDAR數(shù)據(jù)解算檢校匹配后檢校場(chǎng)航帶間誤差0.05m之內(nèi)，測(cè)區(qū)同一架次內(nèi)航帶間誤差0.1m之內(nèi)，不同架次航帶間誤差0.16m之內(nèi)。圖2展示了西昌航測(cè)區(qū)域的CCD影像（空間分辨率0.1m）、高光譜影像（空間分辨率1m），激光雷達(dá)DEM產(chǎn)品（空間分辨率1m），CHM產(chǎn)品（空間分辨率1m）以及熱紅外正射影像（空間分辨率0.8m）。用POS數(shù)據(jù)直接解算的定位精度，激光雷達(dá)、高光譜、CCD影像三者之間具有很好的一致性，以激光雷達(dá)CHM為參照，平面幾何位置誤差在1個(gè)像元內(nèi)。熱紅外影像的位置精度較差，通過(guò)高光譜影像找控制點(diǎn)進(jìn)行相對(duì)匹配，最終得到的熱紅外DOM影像的相對(duì)偏差為1—3個(gè)像元。

圖2西昌森林過(guò)火區(qū)CAF-LiTCHy機(jī)載數(shù)據(jù)

1.2林業(yè)烈度探測(cè)

結(jié)合高空間分辨率的機(jī)載CCD影像以及相關(guān)研究，將本次西昌森林火災(zāi)的林火烈度分為未過(guò)火、輕度過(guò)火、中度過(guò)火以及重度過(guò)火等4個(gè)等級(jí)。對(duì)于單株林木的林火烈度判讀標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）未過(guò)火：冠層為綠色且保持原本形狀，枝葉結(jié)構(gòu)未見(jiàn)火燒痕跡；（2）輕度過(guò)火：樹(shù)冠未全部被燒，綠色冠層占比70%及以上；（3）中度過(guò)火：樹(shù)冠的枝葉多數(shù)被燒黃或燒毀，綠色冠層占比25%—70%；（4）重度過(guò)火：樹(shù)冠全部被燒，裸露出燒焦的黑色樹(shù)干，綠色冠層占比25%及以下。圖3（a）展示了不同林火烈度的高分辨率機(jī)載CCD影像，圖中選取的位置A、B、C和D分別代表未過(guò)火、輕度過(guò)火、中度過(guò)火和重度過(guò)火的單株木相對(duì)集中的區(qū)域。

圖3（b）、（c）、（d）和（e）分別對(duì)應(yīng)顯示了不同林火烈度的機(jī)載CCD影像、高光譜影像、CHM影像以及熱紅外影像的局部放大圖。圖3（b）、（c）中，不同林火烈度的區(qū)域在真彩色和假彩色顯示影像中均可明顯區(qū)分，尤其在中度和重度過(guò)火區(qū)；如圖3（d）所示，火燒后的森林CHM影像無(wú)法直接區(qū)分未過(guò)火、輕度過(guò)火以及中度過(guò)火區(qū)域，但在重度過(guò)火區(qū)域顯示出大部分林木枝葉均已被燒毀，僅少量殘余樹(shù)木，且高度很低；圖3（e）展示了林內(nèi)不同林火烈度的溫度分布情況，當(dāng)林木樹(shù)冠被燒毀，覆蓋度降低，林隙增大而裸露出的地表受到太陽(yáng)輻射作用增強(qiáng)，使得其溫度高于樹(shù)冠溫度，尤其在大量地面裸露且覆蓋了燃燒碳化物的重度過(guò)火區(qū)，升溫更為迅速。

圖3不同林火烈度的CAF-LiTCHy機(jī)載數(shù)據(jù)

為了進(jìn)一步反映這次西昌森林火災(zāi)林木受害程度，在GoogleEarth中選取2019-12-13由法國(guó)航天局（CNES）Airbus獲取的高空間分辨率影像與火燒后局部的機(jī)載CHM數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，其中位置A、B、C、和D分別對(duì)應(yīng)了圖3中未過(guò)火區(qū)域、輕度過(guò)火區(qū)、中度過(guò)火區(qū)和重度過(guò)火區(qū)。

圖4林火前的GoogleEarth影像與林火后的機(jī)載CHM對(duì)比

從圖4可以看出，林火發(fā)生前，該區(qū)域GoogleEarth影像中森林覆蓋完整，郁閉度較高（圖4（a））；從林火發(fā)生后的CHM數(shù)據(jù)分析可見(jiàn)（圖4（b）），該區(qū)域森林發(fā)生了大面積的重度過(guò)火（圖4（b）中的D區(qū)域），林木自下而上燃燒完全程度高，郁閉度和冠層高度信息急劇下降，但輕、中度過(guò)火區(qū)域的森林依舊保持了林木的部分垂直結(jié)構(gòu)信息（圖4（b）中的B、C區(qū)域）正常植被由于葉綠素對(duì)藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，而對(duì)綠光反射作用強(qiáng)，因此其光譜曲線呈現(xiàn)出450nm藍(lán)光和670nm紅光處的吸收谷以及在550nm綠光出現(xiàn)反射峰的現(xiàn)象。同時(shí)，植被葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)導(dǎo)致800nm—1100nm區(qū)域存在一個(gè)反射高峰。受到植被含水量影響，正常植被在1450nm、1950nm處反射率下降，形成吸收谷。

圖5機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)典型地物光譜曲線

圖5展示了機(jī)載高光譜影像中火燒跡地、正常冠層、中度過(guò)火冠層、水體、裸土、柏油路的光譜曲線特征。從該圖中可以明顯地觀察到，相較于未過(guò)火的正常冠層，中度過(guò)火冠層由于葉片由綠變焦黃、葉綠素喪失，導(dǎo)致藍(lán)、紅光的吸收作用減弱，同時(shí)由于火燒導(dǎo)致葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，其葉片在800nm—1100nm的反射峰明顯削弱，另外葉片含水量的降低導(dǎo)致其在1450nm、1950nm的吸收率降低，反射率升高。此外，重度過(guò)火區(qū)的樹(shù)木已成碳灰狀，使得該火燒灰燼區(qū)域在400nm—2500nm區(qū)間內(nèi)的反射率在0.1附近。由此可見(jiàn)，過(guò)火區(qū)不同典型地物的光譜曲線反映了本次采集和處理后的機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)具備有效刻畫地物光譜特性的能力，對(duì)確定過(guò)火區(qū)的林木冠層受害程度以及估測(cè)森林火災(zāi)受害面積具有重要的理論依據(jù)。高光譜影像（圖6（a））以及其波段衍生的指數(shù)可以在空間上更有效地反映林火烈度，結(jié)合Haboudane等和Huesca等的研究結(jié)果，利用高光譜數(shù)據(jù)的最優(yōu)窄波段信息分別計(jì)算了修正型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)（MSAVI）（圖6（b））和歸一化燃燒率指數(shù)（NBR）（圖6（c）），在土壤表面高度裸露的植被稀疏區(qū)域，紅光波段和近紅外波段的反射率受到土壤的影響，進(jìn)而影響NDVI值，因此常選用MSAVI指數(shù)來(lái)最大限度地減小土壤背景的影響，增加植被信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，MSAVI值越高代表植被越健康、越茂密；同時(shí)，NBR利用近紅外和短波紅外的反射率的歸一化計(jì)算，刻畫了不同林火烈度下的植被葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)的破壞和水分的散失程度，NBR值越低，林火烈度越高。由圖6可見(jiàn)，在未過(guò)火區(qū)，MSAVI和NBR均較高；在重度過(guò)火區(qū)，MSAVI和NBR均較低。同時(shí)，結(jié)合CCD影像的林火烈度標(biāo)準(zhǔn)的目視判讀結(jié)果，利用閾值劃分法對(duì)NBR進(jìn)行林火烈度劃分。圖6（d）展示了該區(qū)域林火烈度的空間分布，其中房屋、道路和裸地等非植被區(qū)也被歸類為重度過(guò)火區(qū)域，在進(jìn)一步的分析中可以結(jié)合分類結(jié)果或光譜特征進(jìn)行剔除。由上述結(jié)果可見(jiàn)，利用高光譜數(shù)據(jù)及其衍生產(chǎn)品能在一定程度上反映此次森林火災(zāi)的受害程度，生成的林火烈度圖在空間上與林內(nèi)實(shí)際過(guò)火狀況表現(xiàn)出很好的一致性。

圖6基于機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)衍生的植被指數(shù)

2結(jié)論

機(jī)載光學(xué)全譜段遙感系統(tǒng)集成了激光雷達(dá)掃描儀、熱紅外相機(jī)、CCD相機(jī)、高光譜傳感器等4種對(duì)地觀測(cè)傳感器，可同時(shí)獲取觀測(cè)區(qū)域內(nèi)地物的垂直和水平結(jié)構(gòu)、光譜以及溫度等信息。其中：

1、CCD相機(jī)和高光譜相機(jī)具備對(duì)地物類型、植被狀態(tài)（樹(shù)木冠幅、植被長(zhǎng)勢(shì)、水分含量、葉面積指數(shù)等）、火災(zāi)損失程度等災(zāi)情信息觀測(cè)能力，其影像可用于地物類型識(shí)別、植被參數(shù)提取、火燒跡地識(shí)別、以及災(zāi)情評(píng)估等；

2、激光雷達(dá)掃描儀可獲取地物的垂直結(jié)構(gòu)信息，從而可用于森林植被結(jié)構(gòu)參數(shù)的反演，并將反演的森林高度、冠幅、可燃物載量等數(shù)據(jù)應(yīng)用于火險(xiǎn)和火行為的預(yù)測(cè)；

3、熱紅外相機(jī)具有溫度敏感（測(cè)溫精度0.02K）的譜段，可觀測(cè)獲取地表熱輻射信息，其影像可反映地物的亮溫高低，從而可用于森林著火點(diǎn)的檢測(cè)

4、由于機(jī)載熱紅外相機(jī)可獲取空間分辨率優(yōu)于1m的熱紅外圖像，具有探測(cè)優(yōu)于1m2小火的能力，這對(duì)于早期林火的發(fā)現(xiàn)和撲救具有重要的應(yīng)用潛力。

這4種傳感器的集成觀測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)利用高光譜和CCD數(shù)據(jù)相結(jié)合識(shí)別可燃物類型和估測(cè)可燃物含水率、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)與高光譜或CCD數(shù)據(jù)相結(jié)合估測(cè)可燃物載量和枝垂直分布、熱紅外數(shù)據(jù)估測(cè)地表環(huán)境溫度等林草火行為預(yù)報(bào)參數(shù)，從而為火行為預(yù)報(bào)模型提供精準(zhǔn)的可燃物及環(huán)境參數(shù)。

由于新冠肺炎疫情（COVID-19）影響，本研究未能派遣人員同步開(kāi)展地面調(diào)查，無(wú)法利用地面調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)遙感判讀結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和比對(duì)。由于航空飛行時(shí)恰逢疫情嚴(yán)重時(shí)段，對(duì)出差人員實(shí)行嚴(yán)格管控，本次飛行沒(méi)有架設(shè)地面GNSS基站，POS的后處理解算使用精密星歷信息進(jìn)行，數(shù)據(jù)解算需要在飛行的7d后（等精密星歷發(fā)布）進(jìn)行。盡管如此，作為第一次森林火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)的嘗試。

系統(tǒng)展現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的高效性，采集的多源遙感數(shù)據(jù)很好地展現(xiàn)了在森林火災(zāi)受害程度評(píng)估中的應(yīng)用潛力。利用機(jī)載遙感系統(tǒng)對(duì)森林火災(zāi)的快速監(jiān)測(cè)、火環(huán)境探測(cè)和火情信息服務(wù)，可彌補(bǔ)衛(wèi)星遙感因天氣、空間分辨率低、輻射分辨率低等局限。由于森林火災(zāi)具有突發(fā)性，而受航空平臺(tái)調(diào)集、空域申請(qǐng)等限制，限制了機(jī)載遙感平臺(tái)在應(yīng)急處置中的及時(shí)調(diào)用和運(yùn)行。

隨著民用航空空域的開(kāi)放，以及航空平臺(tái)的日益豐富，低空的公益性航空平臺(tái)應(yīng)急搶險(xiǎn)飛行審批加快，如能將類似系統(tǒng)納入應(yīng)急飛行系統(tǒng)，或增強(qiáng)現(xiàn)有應(yīng)急體系中遙感傳感器的觀測(cè)能力和信息處理能力，機(jī)載遙感平臺(tái)將在森林火災(zāi)的應(yīng)急撲救中將會(huì)發(fā)揮出更廣泛的作用。

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機(jī)電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

審核編輯 黃昊宇