全 文 ：第 wv卷 第 u期
u s s z年 u 月
林 业 科 学
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ΕΟΣΠΜΟ∆ΙΣ遥感监测在甘肃迭部重大森林火灾中的应用
许东蓓t ou 梁 芸v 蒲 肃t 杨兰芳v 何金梅t
kt1 兰州中心气象台 甘肃 zvssus ~ u1 甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室 兰州 zvssus ~ v1兰州区域气候中心 兰州 zvssusl
关键词 } ∞’≥遥感监测 ~重大森林火灾
中图分类号 }°wsz1y ~≥zyu1u 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszlsu p stuw p sv
收稿日期 }ussx p s{ p st ∀
基金项目 }甘肃省自然科学基金项目/甘肃省森林火险预警服务系统0k≥svt2„ux2sux2Šl和甘肃省气象局课题kussv2swl共同资助 ∀
Τηε Υσε οφ ΕΟΣΠΜΟ∆ΙΣ Τελεµετρψιν Φαταλ Φορεστ Φιρειν ∆ιεβυ οφ Γανσυ Προϖινχε
÷∏⁄²±ª¥¨¬tou ¬¤±ª≠∏±v °∏≥∏t ≠¤±ª¤±©¤±ªv ‹¨¬±°¨ ¬t
kt1 Λανζηου Χεντραλ Μετεορολογιχαλ Οβσερϖατορψ Λανζηου zvssus ~ u1 ΚεψΛαβορατορψοφ Αριδ Χλιµατιχ Χηανγε ανδ Ρεδυχινγ ∆ισαστερ Λανζηου zvssus ~
v1 Λανζηου Ρεγιοναλ Χλιµατε Χεντερ Λανζηου zvssusl
Αβστραχτ } ˜¶¬±ª∞’≥А’⁄Œ≥ §¤·¤²¥·¤¬±¨ §©µ²° tx·²t{ „³µ¬¯¬± ussv ¬± ⁄¬¨¥∏©¤·¤¯ ©²µ¨¶·©¬µ¨ o·«¨ §µ²∏ª«·¥¨©²µ¨ ©¬µ¨ o·«¨
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Κεψ ωορδσ} ∞’≥ ·¨¯ °¨¨ ·µ¼~©¤·¤¯ ©²µ¨¶·©¬µ¨
森林生态系统是陆地自然生态系统中最大的生态系统 o它在整个自然界的动态平衡中具有重要的作用 ∀
森林火灾是生态环境的一种重大自然灾害 o全世界每年发生森林火灾几十万次 ∀特别是 us世纪 {s年代以
来 o全球气候持续变暖 o林火有上升的趋势k舒立福等 ot||zl ∀
甘肃省林草火灾形势相当严重 ot|{{ ) ussv年共发生森林火灾 uvz次 o平均 tw1|次 o其中火警 t|s次 o
一般火灾 ww次 o重大火灾 v次 ∀ussv年 w月 tx日白龙江林区迭部达拉林场重大森林火灾 o受灾森林面积超
过 yss «°u ∀各级政府部门对森林防火非常重视 o层层建立了森林防火组织 ∀但由于甘肃省地形复杂多变 o
境内有高山 !河谷 !盆地 !丘陵 !沙漠 !戈壁等多种地貌 o传统森林防火的信息采集和传递存在着内容单一 !资
源分散 !反馈周期长 !时效差 !微观多宏观少 !静态多动态少等弊端 o加大了防火灭火的难度 ∀同时 o气象站点
稀疏也给有效全面地预报全省各地的火险等级状况带来了困难 ∀
卫星遥感监测在森林防火中的应用 o大大提高了对森林干旱 !火灾的监测和预报能力 o有效避免了常规
监测手段在时间 !空间上的不足 o为确定灾害特征及开展减灾技术的研究 o进一步作好森林防火工作提供了
极具潜力的技术支撑 ∀目前相关研究已取得了一些成果 o如利用 ‘’„„极轨卫星 „∂ ‹• • v通道资料 o结合地
面森林分布状况及当时天气条件能有效地监测森林火灾 o并通过 „∂ ‹• • v !w通道辐射温度的差异计算森林
火灾面积k王宝生等 ot||yl ∀利用 ‘’„„极轨卫星 „∂ ‹• • { ®°分辨率的 ‘⁄∂Œ资料 o以及农业观测站的 us
¦°深的土壤湿度资料 o建立了植被状态指数k∂ ≤Œl与土壤湿度之间的统计模型 o以确定出全国的旬旱情分布
状况k冯强等 oussvl ∀另外 o遥感获取植被湿度可采用实际蒸散 ∞与潜在蒸散 ∞³的比值 ∞Џ∞³o植被指
数和植被指数 p温度k∂Œ×l梯形 v种方法 o从而最终实现实时森林火险预测k袁金国等 ousssl ∀
以往研究表明 }有关美国新一代对地观测卫星 ∞’≥А ’⁄Œ≥的应用研究还很缺乏 o而且尚未有针对森林
重大火灾发生前干旱状况 !发生中着火点判识以及火灾后过火状况进行完整跟踪监测的内容 ∀本文利用
’⁄Œ≥监测资料 o对迭部重大火灾进行了完整的监测分析 o揭示了甘肃特殊地理环境和气候条件对火灾的影
响 o从而为科学有效开展甘肃森林防火工作 o保障农牧业生产乃至黄河 !长江中下游人民生命财产的安全发
挥积极作用 ∀
1 ΕΟΣΠΜΟ∆ΙΣ简介
对地观测卫星 ∞’≥k ¤¨µ·«²¥¶¨µ√¬±ª¶¤·¨¯ ¬¯·¨¶l是美国新一代地球观测系统计划的组成部分 ∀该卫星为太
阳同步极轨卫星 o整个 ∞’≥卫星发射计划至少持续 tx ∗ us年 o因此应用 ∞’≥卫星可建立一套长期的应用服
务体系 ∀利用观测资料提高对灾害天气如森林火灾 !干旱 !洪涝在时间和地理分布上的预报能力 o进一步开
发对灾害的特征确定及减灾技术的研究是 ∞’≥卫星的主要任务之一k蒋岳新 oussul ∀
 ’⁄Œ≥是 ∞’≥系列卫星的主要观测传感器 o在从紫光到中红外的观测区域中 o共有 vy个观测通道 o覆盖
了当前各主要遥感卫星的主要观测通道 ∀∞’≥А ’⁄Œ≥数据比 ‘’„„2„∂ ‹• • 具有更高的精度 o对于林火的识
别和分类具有极高的价值 o大大方便了火灾定位 ∀ ’⁄Œ≥数据具有 uxs °分辨率的 ≤‹t和 ≤‹u可见光通
道 o可以提供地面的清晰图像 o显示出很多以往 ‘’„„2„∂ ‹• • 所无法显示的地面细节图像 o也可以很好地显
示出林火所带的烟云 ∀
2 火灾概况
在 ussv年 w 月 tx 日火灾前 ott }xx o∞’≥А ’⁄Œ≥ 卫星资料显示甘南地区天空晴朗 o没有发现火点 ∀
tu }ws o甘肃省迭部林业局达拉林场因民用高压电杆倾倒短路出现森林火灾 ∀此后甘肃省气象局利用 ∞’≥Π
’⁄Œ≥进行连续动态监测 o跟踪了火灾发展的全过程 ∀在 uv }ss o∞’≥А’⁄Œ≥卫星资料显示迭部县西南部有
大片火点存在 o面积约 us ®°u ∀w月 ty日中午 tu }v{ o∞’≥А’⁄Œ≥卫星监测显示迭部县森林大火区主要向西
蔓延 o图上可以看到火区西南方隐约可见暗红色的过火区 o并有大片的烟雾向东北方向扩散k图版 ´2tl ∀这
段时间是火情较为严重的阶段 ∀uv }wu接收到的 ∞’≥卫星的 ’⁄Œ≥资料显示迭部林火仍在燃烧 o但火势比
ty日白天有所减弱 o明火区面积约为 tx ®°u ∀
w月 tz日 tt }wu o火区上空图像清晰无烟雾覆盖 ∀与 ty日中午的 ∞’≥火情监测图像相比 o火区东北方
大片的烟雾基本消失 ∀但从火区温度图上看k图版 ´2ul o仍有大片高温区k即焖烧区l存在 o面积约
ty1uy ®°u ∀w月 t{日 uv }u{ ∞’≥А’⁄Œ≥卫星资料分析 o迭部林火区没有发现任何高温点 o可以判断林火已
基本熄灭 ∀
3 前期干旱监测
v1t 植被特征 植被水分状况作为一个自然生态因素 o是决定森林火险的主要因子 o它代表了植物对气候
及水分条件的综合反应 ∀植被含水量直接影响着火的难易程度 o如引燃概率 !引燃时间 o间接影响林火强度 !
林火蔓延速度等 o它具有冷却效应 o是预测林火发生 !估计火险大小的主要指标 ∀一般可通过监测植被指数
来反映植被湿度 ∀另一方面 o在干旱条件下 o土壤水分是影响植被生长的主要因素 o因此也可以把植被指数
作为判断土壤水分情况的因子 ∀植被的叶片对太阳光的红光有强烈的吸收作用 o对近红外光有强烈的反射
作用 o’⁄Œ≥的通道 tks1yu ∗ s1yz Λ°l和通道 uks1{w ∗ s1{{ Λ°l则处在红外和近红外波段范围内 ∀从 u个
通道的发射信息可以提取出反映植被生长好坏的的物理量 ∀为了消除卫星视角和大气的影响通常采用 u个
通道组合的方法来突出植被信息 o最常用的是归一化植被指数k郭铌等 ot||zl o具体运算公式如下 }
‘⁄∂Œ€ k≤‹u p ≤‹tlΠk≤‹u n ≤‹tl
式中 }‘⁄∂Œ是归一化植被指数 o≤‹t !≤‹u分别是 ’⁄Œ≥t !u通道的反射率 ∀
利用 ussu年 w月 ut日及 ussv年 w月 tx日的白天正轨资料做 ussv年的植被长势分析 o通过对火灾发生
地及其周围 uss多个像素点k图中的方框区域l的归一化植被指数做定量分析k图版 ´2vl o结果表明 oussu年
区域内的平均植被指数为 s1ws oussv年为 s1vv o下降了 tz1x h o说明 ussv年 w月达拉林场及其周边的植被长
势差于 ussu年同期 o说明土壤水分较前一年减少 ∀土壤水分 !植被指数的监测结果直接反映出火灾前后的
干旱特征 o有利于迭部火灾发生和蔓延 ∀
v1u 土壤水分 ’⁄Œ≥资料 vt通道获得的昼夜亮温可用来反映土壤湿度状况 ∀当土壤干燥时 o昼夜温差
大 ~而土壤含水量高时 o昼夜温差小k余涛等 ot||zl ∀选达拉林场及其周边地区为研究区域 o对区域内 uss多
个像素点的 vt通道的昼夜亮温做定量分析 o分别计算了 ussu年 w月上 !中旬及 ussv年 w月上 !中旬的平均
昼夜亮温差 o计算表明 o研究区域内 ussv年的平均昼夜温差为 uy Žo而 ussu年的为 tz Ž∀表明 ussv年 w月
土壤湿度较 ussu年偏小 o土壤干燥 ∀
xut 第 u期 许东蓓等 }∞’≥А ’⁄Œ≥遥感监测在甘肃迭部重大森林火灾中的应用
4 着火点判识及着火面积估算
森林 !草原一般分布在高山或高原地区 o人烟稀少 !交通不便 o常规方法对火灾的监测有很大的缺陷 o经
常出现漏测现象 o而且起火后扑火人员很难了解火情发展动态 ∀卫星遥感有较高的空间 !时间分辨率及较大
监测范围 o利用其可以连续地跟踪监测火灾发展的动态过程 o提供详细的火区位置 !面积 !温度变化等k易浩
若等 ot||{l ∀设一指数 Κ}
Κ € k Τus p ΤvtlΠΤus
式中 }Τus为 us通道kv1yy ∗ v1{w Λ°l亮温 oΤvt为 vt通道kts1zs ∗ tt1us Λ°l亮温 ∀
利用 Κ值来描述火点及周边地区在 us与 vt通道的亮温关系 ∀在正常环境 Κ值是一个相对固定的值 o
当接近火区时 Κ值会发生跳跃 o而达到火区时 Κ值再次发生变化 ∀
图版 ´2w是根据 Ž值划分的 w月 tx日 uv }ss火区分布图 ∀从图中可以看出火区的中心位置大约在
vv1{wβ ) vv1|sβ ‘otsv1uvβ ) tsv1vuβ ∞的范围内的空心矩形k ʁ s1s|vl呈空心的矩形分布 o火区内部为火灾
的影响区ks1s{  Κ  s1s{vl ∀产生这种分布的原因是 o起火后 o火都是从中心向四周蔓延 o中心地带由于草
木资源的耗尽火势逐渐减弱直至熄灭 o这就使得中心地段的亮温低于四周的 ∀从中心低温区的面积大小也
可以粗略地估计火灾发展的时间长短 ∀ Κ值越大 o表明火势越强 o根据 ʁ s1s|v的像素点的个数就可以估
算出着火区的面积 ∀利用此方法估算的 tx日 uv }ss火区面积约 us ®°u ∀
5 过火面积估算
一般情况下 o过火区由于植被遭不同程度地破坏而发生/黑化0使得该地的植被指数有不同程度的下降 o
所以采用归一化植被指数来估算过火前后植被指数的变化 o从而达到估算过火面积的目的k张广英等 o
ussxl ∀因为近红外波段是叶子是否健康的敏感标志 o’⁄Œ≥的通道 t的波长范围属于可见光范围 o对陆地
信息探测是其主要用途之一 o通道 u的波长范围处于近红外波段 o它对植被的长势差异反映明显 ∀由于过火
区的植被不同程度地被破坏 o根据植被指数的差异很容易判出过火面积 ∀
根据 w月 tz日和 tx日中午过境的 ∞’≥А’⁄Œ≥卫星资料计算分析 o截止 tz日 tu }ss o迭部森林火灾过火
面积约为 uz1x ®°u ∀其中严重过火区 u1tux ®°u o重过火区 |1vzx ®°u o中等过火区面积 ty ®°u ∀过火区分布
如图版 ´2x所示 ∀
6 结语
∞’≥А’⁄Œ≥遥感监测提高了对森林火灾 !干旱的监测和预报能力 o有效避免了常规监测手段在时间 !空
间上的不足 o为甘肃森林防火提供了极具潜力的技术支撑 ∀
由 ∞’≥А’⁄Œ≥获得的 vt通道昼夜亮温以及归一化植被指数可反映土壤湿度 !植被湿度状况 o可作为预
测林火发生 !估计火险大小的指标之一 ∀ussv年 w月上 !中旬的遥感监测结果反映出迭部重大火灾前后的
干旱特征 o有利于火灾发生和蔓延 ∀
利用 ∞’≥А’⁄Œ≥可连续跟踪监测火灾发展的动态过程 o提供详细的火区位置 !面积 !温度变化等 ∀
通过比较过火前后植被指数的变化 o可达到估算过火面积的目的 ∀
参 考 文 献
冯 强 o田国良 o柳钦火 qussv q全国干旱遥感监测运行系统的研制 q遥感学报 ozktl }tw p t{
郭 铌 o陈添宇 o雷建勤 o等 qt||z q用 ‘’„„卫星可见光和红外资料估算甘肃省东部农田区土壤湿度 q应用气象学报 o{kul }utu p ut{
蒋岳新 qussu q应用 ∞’≥А ’⁄Œ≥数据进行林火监测的初步探索 q森林防火 ow }ux p u|
舒立福 o田晓瑞 qt||z q国外森林防火工作现状及展望 q世界林业研究 otskul }u{ p vx
王宝生 o肖金香 qt||y q江西省森林火险气象卫星遥感监测的应用研究 q江西农业大学学报 ot{kvl }u|| p vsw
易浩若 o纪 平 qt||{ q森林过火面积的遥感测算方法 q遥感技术与应用 otvkvl }ts p tv
余 涛 o田国良 qt||z q热惯量法在监测土壤表层水分变化中的研究 q遥感学报 otktl }uw p vt
袁金国 o刘湘南 qusss q森林植被湿度遥感监测方法研究 q河北省科学院学报 otzkvl }t{u p t{x
张广英 o赵明文 o王付华 qussx q卫星遥感资料在森林火灾监测中的应用 q黑龙江气象 oktl }vx p ws
k责任编辑 朱乾坤l
yut 林 业 科 学 wv卷