一种静止卫星火灾遥感监测方法与流程

本发明涉及热红外遥感监测领域。尤其涉及一种基于静止卫星数据的林火和草原火遥感监测方法。

背景技术：

林火和草原火灾会破坏林业或畜牧业生产，造成重大经济损失。同时，火灾释放的大量温室气体和气溶胶会改变大气化学成分，对环境和气候变化产生很大影响。因此，研究森林和草原火灾监测和预警技术具有重要的现实意义和长远的历史意义。遥感技术手段客观性好、整体性强、反应速度快、耗费省，可以在森林和草原火灾灾害监测、预警及损失评估工作中发挥巨大的作用。相较于应用极轨卫星进行林火和草原火遥感监测技术，静止卫星始终与地球表面保持相对静止同时，静止卫星覆盖区域更广，一颗卫星可观测地球中低纬度地区约1/3的范围，具有很强的机动灵活性，能够对特定区域进行分钟级高重复观测，可快速监测灾害目标的动态变化。利用静止卫星开展灾害监测评估业务，特别适用于致灾因子危险性分析、灾害范围监测和风险评估，在减灾救灾中具有广阔的应用前景。

目前，国内外主要的在轨静止卫星有美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的地球静止轨道业务环境卫星(GOES)、日本多功能运输卫星(MTSAT)、欧洲气象卫星组织(EUMETSAT)的第二代气象卫星(MSG)以及中国的风云(FY)系列卫星。日本新一代静止气象卫星Himawari-8(葵花8号)于2014年10月发射，于2015年7月正式开始广播发送卫星观测数据。Himawari-8所搭载的辐射成像仪(AHI)包含16通道，由3个可见光、3个近红外和10个红外通道构成。其中，可见光通道空间分辨率达到0.5km，近红外和红外通道空间分辨率达到1～2km，全盘观测频率达到每10min一次。最大程度地利用Himawari-8卫星，将极大地提高对台风、暴雨、火灾等灾害的监测和预报精度，并为相关的决策支持服务、公众服务、科学研究工作提供支持。

技术实现要素：

本发明提出一种静止卫星火灾遥感监测方法，解决基于静止卫星的森林和草原火点自动提取、火灾蔓延态势监测和火灾损失评估的问题。

本申请实施例提供一种静止卫星火灾遥感监测方法，包括以下步骤：

采集静止卫星数据，计算像元亮度温度；

对陆地像元中非云、非耀斑的像元，用亮度温度阈值的方法判别潜在火点像元；

对所述潜在火点像元，利用背景窗口像元波段信息统计判别真实火点像元；

基于固定火点库和土地利用类型数据，剔除常年高温火点，并提取林火和草原火位置、亮温信息。

优选地，所述静止卫星火灾遥感监测方法还包括以下步骤：基于土地利用类型数据生成水陆掩码，识别陆地像元。

优选地，所述静止卫星火灾遥感监测方法还包括以下步骤：基于静止卫星的云掩码产品，识别云像元。

优选地，所述静止卫星火灾遥感监测方法还包括以下步骤：应用中红外4μm波段和热红外11μm波段的组合订正水汽吸收。

优选地，所述静止卫星火灾遥感监测方法还包括以下步骤：同时满足耀斑角小于10°、红波段表观反射率大于0.1和短波近红外波段表观反射率大于0.2三个条件的像元，确认为太阳耀斑像元。

优选地，所述亮度温度阈值的方法是，满足以下至少一项条件式的像元为潜在火点像元：

白天：T₄>[315+25cosθ]K 公式1

白天：T₄>[305+10cosθ]K&T₄-T₁₁>15K 公式2

夜晚：T₄>295K 公式3

夜晚：T₄>285K&T₄-T₁₁>10K 公式4

优选地，所述利用背景窗口像元波段信息统计判别真实火点像元的步骤，进一步包含：

以所述潜在火点像元为中心建立背景窗口，遍历背景窗口中所有像元，将云像元、非陆地像元、耀斑像元和潜在火点像元作为无效像元，其他像元为有效像元，使背景窗口中无效像元数量小于像元总数的20％；

统计背景窗口内波段信息，同时满足以下两个条件式的潜在火点像元为真实火点像元：

(T₄-T₁₁)>δT_4,11×C₁ 公式5

(T₄-Tb₄)>δT₄×C₂ 公式6

进一步地，所述真实火点像元还需要满足以下至少一个条件式：

(T₄-T₁₁)>δT_4,11&(T₁₁-Tb₁₁)>-20K 公式7

(R_4,11-Rb_4,11)>δR_4,11×C₃+0.5×C₄ 公式8

在公式1～8中，θ为太阳天顶角；T₄为中红外4μm波段亮度温度；T₁₁为热红外11μm波段亮度温度；Tb₄和Tb₁₁分别为背景窗口中所有有效像元中红外4μm波段和热红外11μm波段亮度温度的平均值；δT_4,11表示背景窗口中所有有效像元中红外4μm波段与热红外11μm波段亮度温度差值的计算标准偏差，δT₄表示背景窗口中所有有效像元中红外4μm波段亮度温度的计算标准偏差；R_4,11＝(R₄-R₁₁)/R₄×10，R₄和R₁₁分别为中红外4μm波段和热红外11μm波段辐亮度值；Rb_4,11为背景窗口中所有有效像元R_4,11的平均值；δR_4,11表示背景窗口中所有有效像元R_4,11的计算标准偏差，C₁、C₂、C₃、C₄均为经验常数。

优选地，本申请任意一项所述静止卫星火灾遥感监测方法还包括以下步骤：根据静止卫星观测频次的林火和草原火遥感监测结果，给出火灾蔓延态势序列。

优选地，本申请任意一项所述静止卫星火灾遥感监测方法还包括以下步骤：基于火灾发生前期MODIS净初级生产力产品，对林火或草原火灾所造成的损失进行评估。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本发明的方法凭借静止卫星观测频次高的优势，利用静止卫星数据和土地利用类型数据，针对我国人烟稀少的草原和森林地区进行准实时的火灾监测，并对灾后损失进行评估。由于静止卫星具有很强的机动灵活性，能够对特定区域进行分钟级高重复观测，可以快速监测灾害目标的动态变化，有助于进一步提高我国应对重大灾害的预警和应急处理率，为我国减灾救灾工作提供技术支持。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为基于一种静止卫星数据的火灾遥感监测方法实施例示意图；

图2为背景窗口波段信息统计示意图；

图3为背景窗口波段信息统计方法流程示意图；

图4为本发明包含火灾损失评估的实施例流程示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明的方法主要基于静止卫星数据，辅助以土地利用类型数据和历史固定火点数据库，自动提取森林和草原火点，快速监测火灾动态蔓延趋势，并在灾后对受灾损失作出评估。从而，本发明能够针对林火和草原火的突发性特点，利用静止卫星实现准实时的同步监测，在第一时间获取灾情发生地区空间分布范围，并动态把握灾害变化宏观趋势。同时，在应急救灾阶段可提供火烧迹地面积等用于评估灾情和指导救灾行动，在灾情稳定后，为灾害损失评估提供数据支持，以及为灾后重建和恢复工作提供参考依据。

本申请文件中，所述表观反射率为大气层顶的反射率，所述亮度温度是物体的辐射能量用同辐射量的黑体温度表示，所述辐亮度为单位投影面积、单位立体角上的辐射通量。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为基于一种静止卫星数据的火灾遥感监测方法实施例示意图；本申请实施例提供一种静止卫星火灾遥感监测方法，包括以下步骤：

步骤11、采集静止卫星数据，计算像元亮度温度；

步骤12、对陆地像元中非云、非耀斑的像元，用亮度温度阈值的方法判别潜在火点像元；

步骤13、对所述潜在火点像元，利用背景窗口像元波段信息统计判别真实火点像元；

步骤14、基于固定火点库和土地利用类型数据，剔除常年高温火点，并提取林火和草原火位置、亮温信息。

以下详细说明以上各个步骤11～14的具体方案。其中，步骤11涉及公式9，步骤12涉及公式1～4，步骤13涉及公式5～8、图2～3。

步骤11、采集静止卫星数据，计算像元亮度温度。对静止卫星近红外-红外波段数据计算亮度温度值，其求解公式如下：

T(L,B)＝C₂/L×ln(C₁/(L⁵×B(L,T)×10⁶)+1) 公式9

式中，B(L,T)为普朗克辐射值[Wm^-2sr^-1μm^-1]，C₁＝2hc²＝1.1910439×10^-16[W m²]，C₂＝(hc)/k，T(L,B)为亮度温度[K]。其中，L为波长[m]，h＝6.626×10^-34[J K]为普朗克常数，c＝3×10⁸[m/s]为光速，k＝1.38×10^-23[J/K]为玻尔兹曼常数，T为绝对温度[K]。

优选地，所述静止卫星为Himawari-8，所述数据为Himawari-8/AHI数据。用公式9对数据进行预处理，计算Himawari-8/AHI的第7和14波段亮度温度值。根据Himawari-8/AHI第7波段数据，计算中红外4μm波段亮度温度T₄；Himawari-8/AHI第14波段数据，计算热红外11μm波段亮度温度T₁₁。

步骤12、对陆地像元中非云、非耀斑的像元，用亮度温度阈值的方法判别潜在火点像元。

需要指出的是，要获得陆地像元中的非云、非耀斑像元，需要对所述像元进行预处理，首先识别陆地像元、云像元、耀斑像元。具体地，还包括以下步骤：

步骤12A、基于土地利用类型数据生成水陆掩码，识别陆地像元。

步骤12B、基于静止卫星的云掩码产品，识别云像元；优选地，基于Himawari-8/AHI的云掩码产品，识别云像元。

步骤12C、应用中红外4μm波段和热红外11μm波段的组合订正水汽吸收；优选地，应用Himawari-8/AHI的第7波段(3.9μm)和第14波段(11.2μm)的组合来订正水汽吸收。

应用中红外4μm波段和热红外11μm波段的组合订正水汽吸收，主要是利用6S等国际通用辐射传输模型进行大气校正，订正水汽吸收对上述两个波段辐亮度的影响。

步骤12D、同时满足耀斑角小于10°、红波段表观反射率大于0.1和短波近红外波段表观反射率大于0.2三个条件的像元，确认为太阳耀斑像元。优选地，所述红波段采用Himawari-8/AHI的第3波段(0.64μm)，所述近红外波段采用Himawari-8/AHI的第4波段(0.86)。

步骤12E、用亮度温度阈值的方法判别潜在火点像元；

所述亮度温度阈值的方法是，满足以下至少一项条件式的像元为潜在火点像元：

白天：T₄>[315+25cosθ]K 公式1

白天：T₄>[305+10cosθ]K&T₄-T₁₁>15K 公式2

夜晚：T₄>295K 公式3

夜晚：T₄>285K&T₄-T₁₁>10K 公式4

在公式1～4中，θ为太阳天顶角；T₄为中红外4μm波段亮度温度；T₁₁为热红外11μm波段亮度温度。

步骤13、对所述潜在火点像元，利用背景窗口像元波段信息统计判别真实火点像元。

图2为背景窗口波段信息统计示意图；图3为背景窗口波段信息统计方法流程示意图。优选地，所述利用背景窗口像元波段信息统计判别真实火点像元的步骤，进一步包含：

步骤13A、以所述潜在火点像元为中心建立背景窗口，遍历背景窗口中所有像元，除潜在火点像元外，将云像元、非陆地像元和耀斑像元作为无效像元，其他像元作为有效像元，使背景窗口中无效像元数量小于像元总数的20％。

例如，图2所示，以潜在火点像元1为中心，建立大小为w×w的背景窗口(w的初值设置为5)，背景窗口中所有像元，除潜在火点像元1外，将云像元2、水体像元3和耀斑像元4均判断为无效像元，其他像元判断为有效像元，若无效像元总数大于背景窗口中总像元数的20％，则窗口大小增加至(w+10)×(w+10)个像元，否则，窗口大小保持不变，其中，窗口大小调整的最大次数为20次。

步骤13B、统计背景窗口内波段信息，选择同时满足以下两个条件式的潜在火点像元为真实火点像元：

(T₄-T₁₁)>δT_4,11×C₁ 公式5

(T₄-Tb₄)>δT₄×C₂ 公式6

步骤13C、进一步地，所述真实火点像元还需要满足以下公式7、公式8中至少一个条件式：

(T₄-T₁₁)>δT_4,11&(T₁₁-Tb₁₁)>-20K 公式7

(R_4,11-Rb_4,11)>δR_4,11×C₃+0.5×C₄ 公式8

在公式4～8中，T₄为中红外4μm波段亮度温度；T₁₁为热红外11μm波段亮度温度；Tb₄和Tb₁₁分别为背景窗口中所有有效像元中红外4μm波段和热红外11μm波段亮度温度的平均值；δT_4,11表示背景窗口中所有有效像元中红外4μm波段与热红外11μm波段亮度温度差值的计算标准偏差，δT₄表示背景窗口中所有有效像元中红外4μm波段亮度温度的计算标准偏差；R_4,11＝(R₄-R₁₁)/R₄×10，R₄和R₁₁分别为中红外4μm波段和热红外11μm波段辐亮度值；δR_4,11表示背景窗口中所有有效像元R_4,11的计算标准偏差；Rb_4,11为背景窗口中所有有效像元R_4,11的平均值；C₁、C₂、C₃、C₄均为经验常数。

针对Himawari-8卫星的AHI传感器，优选地，取值为C₁＝2，C₂＝2.5，C₃＝2.5，C₄＝0.5。由于不同卫星传感器波段设置和仪器本身的差异，C₁、C₂、C₃、C₄会有所不同。

步骤14、基于固定火点库和土地利用类型数据，剔除常年高温火点，并提取林火和草原火位置、亮温信息。具体包含以下步骤，

步骤14A、结合固定火点库，剔除所述潜在火点像元和真实火点像元中的常年高温火点；

步骤14B、将土地利用类型数据与所述火点像元进行叠加，若所述火点像元对应的土地利用类型为林地，则判断为林火，若所述火点像元对应的土地利用类型为草原，则判断该火点为草原火；

步骤14C、输出林火和草原火对应的经纬度、中红外波段(4μm)和热红外波段(11μm)的亮度温度值。

图4为本发明包含火灾损失评估的实施例流程示意图。

步骤11、采集静止卫星数据，计算像元亮度温度；

步骤12、对陆地像元中非云、非耀斑的像元，用亮度温度阈值的方法判别潜在火点像元；

步骤13、对所述潜在火点像元，利用背景窗口像元波段信息统计判别真实火点像元；

步骤14、基于固定火点库和土地利用类型数据，剔除常年高温火点，并提取林火和草原火位置、亮温信息。

步骤15、重复步骤11～14，根据静止卫星观测频次的林火和草原火遥感监测结果，给出火灾蔓延态势序列。例如，针对Himawari-8/AHI的观测频次，每10分钟输出一次林火和草原或遥感监测数据。

步骤16、基于火灾发生前期MODIS净初级生产力(NPP)产品，对林火或草原火灾所造成的损失进行评估。

具体地，包含以下步骤：

步骤16A、获取火灾发生地区多个时段的静止卫星遥感影像，按时间序列构建系列的光谱指数值，最后通过系列光谱指数值的合成，能够得到更好的突出火烧迹地特征的光谱指数图像，并进而计算火烧迹地面积大小；

步骤16B、通过生物量估算模型，利用火灾发生前期的NPP和火烧迹地面积计算林地或草原的生物量损失；

步骤16C、根据林地或草原生物量损失，建立不同生态系统的经济模型，计算林火或草原火所造成的经济损失。

需要说明的是，步骤16中的净初级生产力(NPP)，是用于表征植物把无机碳(CO₂)固定、转化为有机碳这一过程的能力，即植被所固定的有机碳中扣除本身呼吸消耗的部分，这一部分用于植被的生长和生殖。MODIS官方网站可提供覆盖全球范围的8天合成NPP产品。

还需要说明的是，在本说明书的全部公式中，逻辑运算符“&”表示“并且”；本申请文件中，数学运算符的优先级高于逻辑运算符。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。