全 文 ：第 !" 卷 第 # 期
$ % & & 年 # 月
林 业 科 学
’()*+,)- ’)./-* ’)+)(-*
/012!"!+02#
-345!$ % & &
基于多源卫星遥感数据的森林过火区面积估算方法
郑6伟6李亚君6刘6诚6王6萌
"国家卫星气象中心6北京 &%%%#&$
关键词’6多源遥感# 森林火灾# 过火区估算
中图分类号! ’"A$666文献标识码!-666文章编号!&%%& @"!##"$%&&#%# @%&B$ @%!
收稿日期’ $%%B @&$ @$## 修回日期’ $%&% @%$ @$!&
基金项目’ 国家 #A7 项目.多源卫星遥感高时空分辨率森林火情监测预测评估系统研究/ "$%%A--&$N&$?$ # 农业部行业专项.草原火灾
应急管理技术研究/ "$%%B%7%!&$ # 国家自然科学基金项目"!%B%&$7&$ &
GL%/$1%&(I Q’/")%30/("2.1$/!"I&’(;/"$ 3$)"2’(:0#%&7.’0/1"!"4’%"."()&(I J$%$
NKF<4IF=6.=CDX3<6.=3 (KF<46ID<4EF<4
"C/.*$(/%!/.-%*.-E-.-$+$%$6*"/%A-(.-+6V-*5*(6 &%%%#&$
;,)%/$1%’6[0;FOSJ3;S;DR=S=0TD<<0SP31M8FFSSKFK=4K OGDS=D1;FO013S=0< 0P(^ *Y’h((LDP;08(^ *Y’h((LVDO3OFR S0TD1T31DSF+L/)V=SK SKF.=T0WF;D4FRDSDV=SK SKFEiL)’ OGDS=D1;FO013S=0< VDO0JSD=VF;FRF;=WFR JM3O=<4SKF+L/)R=PF;FOTD;;F4=0< D;FDTD< JFTD1T31DSFR JDOFR 0< SKFWF4FSDS=0< T0WF;D4FRDSDDT0F<"= -’/2)’6831S=UO03;TF;F80SFOF66森林火灾作为世界上主要自然灾害之一!严重
危害森林资源!威胁人民生命财产安全!破坏自然生
态环境& 对森林火灾快速%准确的监测是十分重要
的& 森林过火面积是森林火灾最基本的描述因子!
同时也是林火管理中森林火灾评估的最重要因子
"易浩若等! &BB## 覃先林等!$%%#$& 过火区面积
能反映火灾对森林植被的影响及其损失信息!评价
火灾对生态环境的影响& 卫星遥感具有成像周期
短%覆盖范围广的特点!非常适用于森林火灾的监测
和过火区面积的估算!特别是对人迹罕见的原始森
林中的火灾!更能发挥其不可替代的监测作用& 对
森林火灾过火面积的快速估算可为有关部门及时提
供森林火灾损失评估信息& 国内外在这方面开展了
很多研究!主要是利用时间分辨率比较高的 [C或
+i--h-/eYY气象卫星数据 "易浩若等! &BB!#
ZF;F=;D! &BBB# 刘诚等! $%%!$%*i’hEiL)’ 遥感数
据"jD3P8D< -./%5! &BB## 许东蓓等! $%%"# 付迎春
等! $%%## 赵文化等! $%%#$等来监测森林火灾%估
算过火区面积!并取得了较好的研究成果& 但由于
这些数据空间分辨率比较低!影响了过火区面积提
取的 精 度& 陆 地 资 源 卫 星! 如 中 巴 资 源 卫 星
(^ *Y’%环境减灾卫星 ek等具有较高的空间分辨
率!但观测时效较低& 针对这一问题!本文提出了综
合利用中巴资源卫星 (^ *Y’h((L数据空间分辨率
高和 EiL)’ 数据时间分辨率高的特点计算森林过
火区面积的方法!并以 $%%A 年 ? 月下旬内蒙古自治
区牙克石市免渡河火灾过火面积估算为例!验证该
方法的有效性&
@A数据来源
*i’hEiL)’ 数据共有 7A 个波段!波谱范围从
可见光波段一直到热红外波段!其第 & 和第 $ 波段
是空间分辨率为$?% 8的可见光红光和近红外波
段!可用来计算归一化植被指数 +L/)" <0;8D1=\FR
R=PF;F以获得 $ 次 EiL)’ 数据!该数据可由国家卫星气
6第 # 期 郑6伟等’ 基于多源卫星遥感数据的森林过火区面积估算方法
象中心网站下载!数据经过了辐射定标!直接得到
反射率图像& (^ *Y’ 数据从中国资源卫星应用中
心获取!其 ((L"电荷耦合器件摄像机$数据共有
从蓝%绿%红到近红外 ! 个波段和 & 个全色波段!
空间分辨率为&B2? 8&根据 (^ *Y’h((L数据头文
件提供的定标系数!利用下面的公式"NKF<4-./%5!
$%%"$计算反射率图像’ L+ J/< M@! 式中’ L+
表示灰度值!/ 表示增益!@表示偏移!< 是入瞳辐
射度# 1J.<0$OK’%T0O’!式中’1是地表反射率!
0O是日地天文单位距离!’% 太阳辐照度! ’是太阳
天顶角&
对 (^ *Y’h((L数据和 EiL)’ 数据进行几何
精纠正!并分别进行%2%%% $?_和%2%%$ ?_的等经纬
度投影&
>A方法
$2&6过火像元的判识6利用卫星遥感技术估计过
火区面积!根据火灾前后地表辐射特征的变化来确
定过火像元& $%%" 年 ? 月下旬!对黑龙江省黑河市
嫩江县火迹地进行了实地考察!利用 -’L光谱仪在
火迹地现场测量了过火区和未过火区的植被光谱!
图 & 给出了松树和草地过火前后的光谱特征曲线&
从图 & 中可以看到’植被燃烧后!树冠和林下植被燃
烧或灼伤!其叶绿素细胞受到损害!致使过火后的松
树%草地等植被的光谱特征发生了明显的变化& 主
要体现在近红外波段地物反射率的迅速下降!在包
括近红外通道的 Y:^ 彩色合成图可以比较清楚的
反映过火区& 通过选择过火像元和未过火像元在近
红外通道反射率的差异!利用域值法可以提取过火
区!判别式如下’ 1+=;‘D+=;! 式中’ 1+=;代表近红外
通道的反射率!D+=;代表域值!即火像元和未过火像
元在近红外通道反射率的差异& 该方法的优点是仅
利用单时次的图像就可以提取过火区!适用于在没
有与火灾发生相近时间的灾前晴空图像情况下使
用!但该方法容易受到水体等低反射率地物的影响&
考虑到火灾前后像元在近红外波段反射率下降
的幅度明显大于红光波段反射率的变化幅度!因此
可利用火灾前后像元的归一化植被指数 +L/)差异
来判识出过火区域"易浩若等!&BB#$!+L/)表达式
为 +L/)J"1+=;^1YFR$K1+=;M1YFR 式中’ 1YFR代表
红光通道的反射率& 通过分析火灾前后 +L/)的差
异!建立条件判别式!确定过火像元!判别式为
+L/)^FP0;F@+L/)-PSF;]D+L/)其中 +L/)^FP0;F为火灾
前 +L/)值!+L/)-PSF;是火灾后 +L/)值!D+L/)为判
别阈值& D+L/)可以利用在火场附近的非火场区域!
具有相对均一地表类型的火灾前后的 +L/)差值确
定!这样可以在一定程度上消除由于大气%植被自然
生长等因素造成的 +L/)的变化&
图 &6火灾前后植被光谱曲线比较
[=45&6(08GD;=O0< 0PWF4FSDS=0< ;FP1FTSDJFP0;FD$2$6过火面积估算6由于遥感数据空间分辨率的
限制!通常被判识为过火的像元不完全由植被覆盖!
会包括一定面积的裸露地表!因此仅利用计算过火
像元个数与像元面积乘积再求和的方法估算的过火
面积结果会比实际的大& 植被覆盖度是指植被在地
面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比!在估
算过火面积中引人植被覆盖度信息!可以去除裸露
地表对估算过火面积造成的影响!从而提高过火面
积估算精度& 因此!确定过火像元后!采用如下公式
估算过火面积’ ! J"
(
*J &
!*A*! 式中’! 为过火区面
积!( 为过火像元个数!!*为第 *个像元的面积!A*
为第 *个像元的植被覆盖度&
本文基于混合像元分解原理计算植被覆盖度&
线性光谱混合模型是混合像元分解中最常用的方
法!它是利用一个线性关系来表达遥感系统中一个
像元内各地物的类型%比例与地物的光谱响应& 在
该模型中!像元在某一光谱波段的反射率是由构成
像元的基本组分的反射率及其所占像元面积的比例
为权重系数的线性组合 ":0<4-./%5! &BB!$& 对于
森林地区!根据线性光谱混合模型!假定每个像元由
植被和土壤 $ 种端元组成!则混合像元 +L/)E=Q可表
7B&
林 业 科 学 !" 卷6
示为’ +L/)E=Q g+L/)/AM+L/)’"& ^A$! 式中’
+L/)/表示绿色植被端元值!+L/)’ 表示土壤端元
值!A表示一个像元的植被覆盖度& 据此!可以得到
植 被 覆 盖 度 的 表 达 式’ A J "+L/)E=Q @
+L/)’$h"+L/)/ @+L/)’$&
为了提高过火面积估算精度!本文利用空间分
辨率比较高的 (^ *Y’h((L遥感数据计算植被覆盖
度& 基于对 (^ *Y’h((L图像典型地物的光谱分
析!确定土壤端元 +L/)’ 值!并对研究区 +L/)值做
统计!将最大值作为绿色植被端元 +L/)/值& 根据
植被覆盖度的表达式计算 (^ *Y’h((L像元对应的
植被覆盖度 A^ & 基于 A^ !计算其 &% 9&% 窗口大小
的植被覆盖度平均值!得到相当于 EiL)’ 数据空间
分辨率对应的植被覆盖度 A& 因为 A是由空间分辨
率较高的 (^ *Y’ 数据得到! 因此可认为 A是
EiL)’ 像元尺度的真实植被覆盖度值&
BA应用分析
为了检验以上方法的有效性!本文在 $%%A 年 ?
月下旬选择内蒙古自治区牙克石市免渡河林场火灾
过火面积计算进行试验& 选用的 $ 景 EiL)’ 晴空
数据成像时间分别为火灾发生前的 $%%A 年 ? 月 $7
日和火灾后的 $%%A 年 ? 月 7% 日"图 $$& 尽量选择
与火灾发生后时间比较接近的灾前晴空数据!可以
最大限度地减少由于植被自然生长产生的 +L/)的
变化对过火区判识的影响& 为了去除火场外围烟雾
的影响!利用火灾前后近红外波段反射率差值进行
了判识& 对于火场内受烟雾影响的西北地区过火区
提取进行了人机交互解译!得到了过火区的二值图
像"图 7$& 选用森林火灾发生后的 $%%A 年 ? 月 7&
日"图 !$的 (^ *Y’h((L数据!通过人机交互!利用
近红外通道域值法来确定过火像元& 选用 $%%! 年
# 月 &B 日 的 (^ *Y’h((L 数 据 " 图 ? $ 计 算
%2%%% $?_的植被覆盖度数据"图 A$!通过均值运算
得到%2%%$ ?_的植被覆盖度& 这里选择夏季的数据
可以更好的反映研究区的植被覆盖状况& 得到
(^ *Y’h((L数据判识的过火像元和%2%%% $?_的植
被覆盖度数据!利用 $2$ 节中的公式就可以估算过
火区面积!因为 (^ *Y’h((L数据空间分辨率比较
高!因此把该过火面积作为本文方法的验证数据&
为了避开 $%%A 年 ? 月 7& 日的 (^ *Y’h((L数
据火场中部分厚云的影响!在火场中选择了 7 个区
域"图 !$!以 (^ *Y’ 数据估算的过火面积为参考
值!来分析利用 EiL)’ 数据估算过火区面积的误
差!同时计算在不考虑植被覆盖度情况下!直接利用
图 $6免渡河林场火场火灾前后
EiL)’ 数据合成图
[=45$6(08GD;=O0< 0PEiL)’ RDSD=< E=DP0;FOSPD;8JFP0;FD图 76基于灾情前后的 EiL)’ 数据得到的过火区图
[=4576 3^;=8D4FO0PJFP0;FD图 !6免渡河林场 $%%A 年 ? 月 7& 日 (^ *Y’ 合成影像
[=45!6(^ *Y’ RDSDDPSF;SKFP0;FOSP=;F=< E=DP0;FOSPD;80< EDM7&! $%%A
!B&
6第 # 期 郑6伟等’ 基于多源卫星遥感数据的森林过火区面积估算方法
灾前和灾后植被指数降低的 EiL)’ 像元个数及其
像元面积来估算过火区面积的精度& 表 & 给出了 7
个区域利用不同方法估算的过火区面积对比& 从表
中可以看到’基于本文提出的方法!利用 EiL)’ 数
据计算得到过火区面积与不考虑植被覆盖度情况下
计算的过火区面积比较!7 个区域的精度都有了明
显的提高!考虑到本方法是通过阈值判定过火像元
是否过火!没有对火灾前后过火像元反射率变化程
度进行分级!没有考虑到过火像元的燃烧程度因素!
因此各个区域的精度有一定的差异& 通过计算 7 个
区域过火区面积的平均精度! 可以看出平均精度由
没有考虑植被覆盖度的不到 A%d!提高到了 B%d以
上& 这说明引入高空间分辨率的植被覆盖度本底信
息后!大幅度提高了过火面积的估算精度&
CA小结
以上研究结果表明’ 本文提出的方法可以综合
气象卫星或环境卫星资料观测频次较密%陆地资源
66
图 ?6$%%! 年 # 月 &B 日免渡河林场 (^ *Y’ 合成影像
[=45?6(^ *Y’ RDSDJFP0;FSKFP0;FOSP=;F=<
E=D图 A6基于 (^*Y’数据计算的 %2%%$ ?_植被覆盖度图
[=45A6/F4FSDS=0< T0WF;D4FRDSDJDOFR
0< SKF(^ *Y’ =8D4F
表 @A过火区面积对比
9$,E@A6’4+$/&)’(’5,0/("2)1$/$/"$
区域 -;FD
过火面积
3^;" (^ *Y’$h]8$
考虑植被覆盖度
)不考虑植被覆盖度
+0S=面积 -;FDh]8$ 误差 *;;0;"d$ 面积 -;FDh]8$ 误差 *;;0;"d$
区域 & -;FD& "277$ "2B7$ #2 &&27$% ?!27B$
区域 $ -;FD$ B2?7? &&2$A? &!! &!2B?# ?A2#"?
区域 7 -;FD7 !2#%" !2!"& A2B#% ?2#&A $%2BB%
卫星资料空间分辨率较高的特点!在提高卫星遥感
森林火灾过火区监测时效性的同时!提高了过火面
积估算精度& 该方法可直接用于具有$?% 8分辨率
的风云三号中分辨率成像光谱仪"[C7-hE*Y’)$资
料!也可在对植被覆盖度分辨率调整后用于具有
& ]8分辨率的 [C&L%+i--等极轨气象卫星资料!
从而提高获取森林过火区有效卫星资料的机会& 该
方法可操作性强!适合于业务化应用!可为森林火灾
的扑火救灾工作提供更加及时%准确的信息&
参 考 文 献
付迎春!徐颂军!陈6蜜5$%%#5基于 EiL)’ 影像梯度的林火边界提
取方法5林业科学! !!""$ ’ ?A @?&5
刘6诚!李亚君5$%%!5气象卫星亚像元火点面积和亮温估算方法5
应用气象学报! &?"7$ ’ $"7 @$#%5
覃先林!李增元!易浩若!等5$%%#5基于 *+/)’-,@E*Y)’ 数据的过
火区制彩色合成图方法研究5遥感技术与应用! $7"&$ ’ & @A5
许东蓓!梁6芸!蒲6肃!等5$%%"5*i’hEiL)’ 遥感监测在甘肃迭
部重大森林火灾中的应用5林业科学!!7"$$ ’ &$! @&$"5
易浩若!纪6平!何筱萍!等5&BB!5用 +i--h-/eYY资料监测红花
尔基森林火灾5遥感信息!"!$ ’ &A @&"5
易浩若!纪6平5&BB#5森林过火面积的遥感测算方法5遥感技术与
应用! &7"$$ ’ &% @&!5
赵文化!单海滨!钟儒祥5$%%#5基于 EiL)’ 火点指数监测森林火
灾5自然灾害学报!&""7$ ’ &?$ @&?"5
:0<4Z! E=1F;kY! ’GD<T1DOO=P=TDS=0< DFWD13DS=0< 0PD< 0GF< TD<0GM5)***,;DYF80SF’FjD3P8D< Ck! k3OS=TF(i! [1M<< .Z!-./%5&BB#5Z0SF80<=S0;=<4P;08*i’UEiL)’5k03;"L$!$ ’ 7$$&? @7$$7#5
ZF;F=;DkE (5&BBB5- T08GD;DS=WFFWD13DS=0< 0P+i--h-/eYY
WF4FSDS=0< =,;DNKF<4IF=! .=3 (K3D<4! NF<4 NK=M3DDS80OGKF;=TT0;;FTS=0< 8FSK0R S0,E =8D4F5k03;q<=WF;O=SM0PE=<=<4D!责任编辑6朱乾坤"
?B&