李愷霖 張春桂 郭 偉 陳笑晨

(1福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 35001；2.福建省氣象科學(xué)研究所，福建 福州 350001；3.福建省氣象服務(wù)中心，福建 福州 350001；4.福建省氣候中心，福建 福州 350001)

森林火災(zāi)不僅燒毀森林資源、傷害域內(nèi)動(dòng)植物資源、也會(huì)嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和人身安全，給經(jīng)濟(jì)社會(huì)活動(dòng)和安全生產(chǎn)帶來(lái)危害[1]。林火是一種自然現(xiàn)象，是森林生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因素之一，每年全球約有1%的森林經(jīng)歷火的干擾，林火直接影響和改變區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程[2]。林火具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置困難等特點(diǎn)[3]。林火監(jiān)測(cè)作為發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)的重要手段，是控制和撲滅火災(zāi)基礎(chǔ)。通過(guò)精準(zhǔn)定位火點(diǎn)，從而做到早發(fā)現(xiàn)早撲滅是減少林火損失的有效手段[4]。

在林火監(jiān)測(cè)中用到的人工巡視和航空巡視等傳統(tǒng)方法，存在著空間范圍小，經(jīng)濟(jì)效益低等特點(diǎn)[5]。衛(wèi)星遙感技術(shù)有探測(cè)周期短，覆蓋范圍廣，資料時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，Dozier[6]在1981年根據(jù)普朗克定律，最先提出了利用普朗克方程的組合來(lái)探測(cè)亞像元的火點(diǎn)，為以后利用遙感技術(shù)探測(cè)火點(diǎn)指明了方向。隨著技術(shù)的發(fā)展，新的探測(cè)儀器MODIS出現(xiàn)，1998年Kaufman[7]利用MODIS儀器在先前的算法上首先提出了MODIS火點(diǎn)算法，成為了火點(diǎn)算法的基礎(chǔ)?；谇叭说奶剿骱筒粩嗟匕l(fā)展，衛(wèi)星在火點(diǎn)監(jiān)測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用[8,9]。

福建是我國(guó)四大林區(qū)之一，森林覆蓋率連續(xù)40年居全國(guó)首位，同時(shí)福建也是我國(guó)林火的高發(fā)區(qū)，年均林火發(fā)生次數(shù)較多[10]。福建林火多具有強(qiáng)度弱、過(guò)火面積小、林火頻率高、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)[11]。

福建在利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)林火方面的研究也取得了很多成果。鄭海青等[12]利用NOAA衛(wèi)星遙感資料，研究森林防火期內(nèi)森林植被的干燥指數(shù)的變化，并結(jié)合相應(yīng)的森林火災(zāi)的資料，發(fā)展出福建省森林火險(xiǎn)等級(jí)空間分布風(fēng)險(xiǎn)圖，用于預(yù)警可能發(fā)生的森林火災(zāi)。張春桂[13]基于RS和GIS技術(shù)，針對(duì)南方丘陵山區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生的特點(diǎn)，利用極軌氣象衛(wèi)星遙感資料實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)福建省林火，使得林火地理定位精確到鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)。在2003年夏季福建異常林火高發(fā)期的監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，林火災(zāi)情監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)80%。張春桂等人的研究為福建省建立極軌衛(wèi)星探測(cè)林火的業(yè)務(wù)運(yùn)行體系奠定了基礎(chǔ)。極軌衛(wèi)星雖然空間分辨率高，但是一天只有一個(gè)時(shí)次的資料可供利用，并且資料的使用還受制于過(guò)境時(shí)刻的天氣狀況，如果云層較厚則無(wú)法使用。這給利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)林火帶來(lái)了不便。

新一代靜止氣象衛(wèi)星葵花-8(Himawari-8,H8)于2014年10月7日發(fā)射，自2015年開(kāi)始向全球提供遙感觀測(cè)資料。葵花-8搭載的可見(jiàn)光紅外光譜傳感器(Advanced Himawari Image,AHI)提供三個(gè)可見(jiàn)光(Visible,VIS)波段、三個(gè)近紅外(Near Infrared,NIR)波段和十個(gè)熱紅外(Thermal Infrared,TIR)波段空間分辨率方面，三個(gè)近紅外波段中紅光為0.5 km、其他為1 km，三個(gè)近紅外波段中0.86μm為1 km、其他為2 km，10個(gè)熱紅外波段皆為2 km。時(shí)間分辨率方面，葵花-8提供10min一次的高頻次對(duì)地觀測(cè)[14]。

與極軌衛(wèi)星相比，葵花-8靜止衛(wèi)星在火點(diǎn)監(jiān)測(cè)中有很大的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)有大量關(guān)于葵花-8衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火點(diǎn)的研究。Xu等[15]最先發(fā)現(xiàn)葵花-8衛(wèi)星不受傳感器飽和的影響，能探測(cè)更大的火災(zāi)，這對(duì)于亞洲和澳大利亞的火點(diǎn)探測(cè)有重要意義，并期待其成為全球主動(dòng)火災(zāi)探測(cè)的重要組成部分。Xie等[16]基于葵花-8衛(wèi)星的高時(shí)空分辨率的特點(diǎn)，提出一種多時(shí)相的上下文法的概念以提高探測(cè)效率。Wickramasinghe等[17]通過(guò)對(duì)比葵花-8衛(wèi)星與MODIS和VIIRS火點(diǎn)產(chǎn)品改進(jìn)了葵花-8衛(wèi)星火點(diǎn)算法，第一次發(fā)現(xiàn)在西澳大利亞葵花-8衛(wèi)星監(jiān)測(cè)火點(diǎn)能達(dá)到極軌衛(wèi)星的空間分辨率。Jang等[18]在葵花-8衛(wèi)星上首次利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，發(fā)展出韓國(guó)森林火災(zāi)三步火點(diǎn)監(jiān)測(cè)法。陳潔等[19]引入自適應(yīng)閾值的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法，并成功對(duì)呼倫貝爾的草原火災(zāi)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。武晉雯等[20]利用葵花-8衛(wèi)星和高分-1衛(wèi)星提出利用高斯函數(shù)擬合模型的想法對(duì)遼寧丹東的森林火災(zāi)進(jìn)行了研究與災(zāi)害評(píng)估。趙文化等[21]基于葵花-8衛(wèi)星，通過(guò)分析火點(diǎn)像元輻射特性和中紅外反射特征引入了動(dòng)態(tài)閾值模型，對(duì)大興安嶺的火災(zāi)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。周游等[22]引入了葵花-8衛(wèi)星的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)閾值法的思想，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星在輸電線山火監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

福建作為我國(guó)重要林區(qū)和林火多發(fā)地，衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)火點(diǎn)的研究大多基于十多年前，近些年的研究很少。而隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，特別是以葵花-8為代表的靜止氣象衛(wèi)星在觀測(cè)頻次、空間分辨率、通道設(shè)計(jì)上都有較大的改進(jìn)，在林火監(jiān)測(cè)中有著很大優(yōu)勢(shì)。福建地區(qū)下墊面復(fù)雜，干季雨季差別明顯、不同地區(qū)之間地形氣候條件也不盡相同，這造成了福建地區(qū)林火性質(zhì)在不同區(qū)域、不同季節(jié)都有著顯著不同。如果對(duì)整個(gè)區(qū)域或是所有季節(jié)采用同一閾值將有很大可能造成漏判誤判，因此很有必要找到符合當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)的閾值，這對(duì)于利用葵花-8衛(wèi)星監(jiān)測(cè)福建林火有著很大幫助。

1 林火識(shí)別的原理和方法

1.1 福建地區(qū)概況

福建省位于23°33′N～28°20′N、115°50′E～120°40′E，全省土地總面積124000 km2，約占全國(guó)總面積的1.3%。受季風(fēng)環(huán)流和地形的影響，形成暖熱濕潤(rùn)的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。福建素有“八山一水一分田”之稱，森林面積80127 km2，森林覆蓋率達(dá)65%以上，森林蓄積量6.080 × 108m3，林業(yè)用地面積92682km2，占土地總面積75.3%[31]。福建的雨季和干季比較顯著，3—6月為前汛期，7—9月為后汛期，10月至次年2月為非汛期。

1.2 林火識(shí)別的基本原理與傳統(tǒng)方法

利用維恩位移定律，當(dāng)黑體的溫度升高時(shí)，輻射的能量也相應(yīng)增加，最大輻射值向短波方向移動(dòng)[24]?；诨瘘c(diǎn)探測(cè)算法，代表性的有閾值法、上下文法等[25]。

閾值法就是利用火點(diǎn)與非火點(diǎn)的差異，采用閾值區(qū)分火點(diǎn)與非火點(diǎn)[26]。利用閾值法對(duì)福建省林火進(jìn)行探測(cè)的缺陷在于，福建省自然條件復(fù)雜，以丘陵地帶為主，下墊面差異很大，各地區(qū)的火點(diǎn)溫度差異很大，如果閾值采用過(guò)大，將造成大量漏判。如果將閾值設(shè)置過(guò)小，將產(chǎn)生過(guò)多的虛假火點(diǎn)。

上下文法是通過(guò)計(jì)算火焰像元與其鄰近像元進(jìn)行比較從而進(jìn)行火點(diǎn)識(shí)別，該算法是自適應(yīng)的，不需要設(shè)立閾值[27]。上下文法假定了火點(diǎn)像元所處的下墊面與背景像元具有相似的性質(zhì)，但在火點(diǎn)探測(cè)實(shí)踐中，這種假設(shè)不適用于下墊面復(fù)雜的福建區(qū)域，簡(jiǎn)單利用會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)大量虛假火點(diǎn)。另外上下文法為了降低某些下墊面造成的虛假告警，提高了閾值犧牲了對(duì)于小火點(diǎn)探測(cè)的敏感度[28]，這對(duì)于以小火點(diǎn)為主的福建省來(lái)說(shuō)并不適用。

因此對(duì)于福建地區(qū)的林火監(jiān)測(cè)需要采用綜合方法以提高監(jiān)測(cè)效率。周恩澤等[29]提出廣東地區(qū)山火識(shí)別方法，這種方法采用了Kaufman等[7]提出的背景標(biāo)準(zhǔn)差法，該方法較好解決了對(duì)不同植被覆蓋度的背景溫度的估計(jì)。針對(duì)福建林火小火點(diǎn)的特點(diǎn)，采用了Dozier等[6]提出的亞像元雙通道估計(jì)法。當(dāng)觀測(cè)像元內(nèi)出現(xiàn)火點(diǎn)時(shí)，4μm波長(zhǎng)處混合像元的亮溫迅速增加，當(dāng)火點(diǎn)面積僅為混合像元面積1%時(shí)候混合像元已經(jīng)增加達(dá)到40K，而在11μm處增加程度遠(yuǎn)不如4μm處明顯[30]。周恩澤等[29]進(jìn)一步指出，即便假設(shè)火點(diǎn)的面積僅占像元面積的0.5%，4μm處增大程度也比11μm處更為顯著，遠(yuǎn)大于非火點(diǎn)區(qū)域。

衛(wèi)星遙感對(duì)火點(diǎn)的監(jiān)測(cè)基于高溫輻射的波長(zhǎng)主要集中在3.7μm處，火點(diǎn)與非火點(diǎn)具有明顯的差異。其次利用不同紅外波段對(duì)火點(diǎn)增溫幅度的差異這兩個(gè)原理來(lái)進(jìn)行火點(diǎn)判識(shí)?；谏鲜鰞蓚€(gè)物理原理和在火點(diǎn)業(yè)務(wù)中流程的一般步驟，火點(diǎn)自動(dòng)判識(shí)需要考慮的因素包括：云對(duì)判識(shí)的影響、4μm處通道亮溫及其與背景亮溫的差值、4μm和11μm處通道的亮溫差、水面與高反射下墊面的影響、耀斑區(qū)的影響[19，22，29，31]。

那么，由此建立火點(diǎn)自動(dòng)判識(shí)的條件如下：

B4-B4BG>D4

(1)

B4-B11-B4-11BG>D4-11

(2)

B1<0.3

(3)

B4、B11分別表示被判識(shí)像元在4μm、11μm處的亮溫，B4BG、B11BG表示周圍背景像元亮溫的平均值。B4-11BG=B4BG-B11BG，表示周圍背景像元4μm、11μm亮溫的差異，D4和D4-11的亮溫差，這里取值4K?；瘘c(diǎn)判識(shí)的關(guān)鍵在于被判識(shí)的像元與所在的背景窗的背景亮溫的差值。B1為在0.46μm(通道1)處可見(jiàn)光波段的反射率，在本文中利用張春桂[13]中亞像元林火識(shí)別條件CH1反射率<30%，對(duì)應(yīng)葵花-8衛(wèi)星3通道作為云判識(shí)條件。由于福建省氣象系統(tǒng)接收的葵花-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)沒(méi)有11μm(即通道14)，那么根據(jù)張春桂[3]等多年的研究，可利用12μm(即15通道)的數(shù)據(jù)代替，在本文中作者將同時(shí)對(duì)這兩個(gè)波段進(jìn)行討論。式中(1)，(2)為火點(diǎn)判識(shí)條件，(3)為排除云影響條件。在火點(diǎn)判識(shí)中最重要的為公式(1)，公式(2)幫助我們減少誤判。

1.3 基于葵花-8的福建林火監(jiān)測(cè)方法

在統(tǒng)計(jì)福建省火點(diǎn)各通道亮溫后得到了“福建地區(qū)火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表”，從這張表中可以得到用于判斷福建省境內(nèi)火點(diǎn)的“福建地區(qū)絕對(duì)火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表”?！案＝ǖ貐^(qū)絕對(duì)火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表”的閾值被用來(lái)直接判斷火點(diǎn)，一般用于在夜間或者無(wú)法進(jìn)行云檢測(cè)，下墊面識(shí)別、耀斑識(shí)別都不可用的情況下，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，直接判定火點(diǎn)的一種方法。

同時(shí)，在統(tǒng)計(jì)福建省內(nèi)火點(diǎn)亮溫與省內(nèi)區(qū)劃的關(guān)系后，進(jìn)一步得出了福建不同地區(qū)的火點(diǎn)“亮溫差閾值表”，用以對(duì)候選火點(diǎn)的像元進(jìn)行進(jìn)一步分析判斷以確認(rèn)火點(diǎn)消除誤判。

綜上所述，判斷一個(gè)像元是否為候選火點(diǎn)需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：

①云檢測(cè)：根據(jù)云識(shí)別的條件判斷，排除云干擾像元。

②背景亮溫計(jì)算：初始背景窗區(qū)大小是以被判識(shí)像元點(diǎn)為中心，周圍3 × 3范圍內(nèi)的像元為窗區(qū)進(jìn)行計(jì)算，背景亮溫即窗區(qū)內(nèi)所有像元的平均亮溫。但是如果3 × 3 的窗口中非云的像元數(shù)目不足窗口像元總數(shù)的20%，那么將窗區(qū)擴(kuò)大到5 × 5，7 × 7，9 × 9，...，一直到 15 × 15，若仍達(dá)不到要求，則標(biāo)示為非火點(diǎn)像元。

③候選火點(diǎn)的識(shí)別：如果判識(shí)的條件滿足上述公式(1)、(2)、(3)，那么該像元為候選火點(diǎn)。

④水體或高反射物體識(shí)別：根據(jù)福建省下墊面的類型進(jìn)行判斷，若像元為水體或者諸如金屬屋頂或太陽(yáng)能電池板等高反射率下墊面，則將該像元從候選火點(diǎn)像元?jiǎng)潪橐话阆裨?/p>

⑤耀斑識(shí)別：判斷該像元太陽(yáng)相對(duì)衛(wèi)星的方位角是否在165°～200°之間，若滿足條件則為耀斑區(qū)[29]，則將該像元從候選火點(diǎn)像元?jiǎng)潪橐话阆裨?/p>

⑥火點(diǎn)像元確認(rèn)：通過(guò)③、④、⑤步驟識(shí)別后，一般可以確認(rèn)為火點(diǎn)像元。但如果4μm通道處的亮溫值大于其統(tǒng)計(jì)的火點(diǎn)亮溫的最大閾值，那么即使不滿足上述條件，也直接判為火點(diǎn)像元。

⑦夜間火點(diǎn)像元判識(shí)：根據(jù)夜間福建火點(diǎn)地區(qū)統(tǒng)計(jì)表，采用絕對(duì)閾值法直接判識(shí)火點(diǎn)像元。

1.4 福建地區(qū)林火識(shí)別參數(shù)分析

1.4.1 福建地區(qū)典型火點(diǎn)特征

為了提高福建地區(qū)林火判識(shí)的精度，針對(duì)不同時(shí)間，不同區(qū)域做了分型分類?；诟＝ㄊ∩址阑疝k公室收集到的從2018全年的火點(diǎn)數(shù)據(jù)，同時(shí)匹配葵花-8衛(wèi)星4μm(通道07)和11μm(通道14)兩個(gè)通道對(duì)應(yīng)火點(diǎn)的亮溫(T07,T14)和背景亮溫(T07BG和T11BG)，但是由于福建省氣象系統(tǒng)僅提供12μm(通道15,T15)的亮溫，那么在文中將同時(shí)給出12μm處對(duì)應(yīng)的火點(diǎn)亮溫(T15)，以及兩個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的閾值。另外考慮到福建省冬季不明顯，且冬季火點(diǎn)很少，因此在時(shí)間上主要分為三個(gè)時(shí)段，春季3—6月，夏季7—9月，秋冬季10月至次年2月[33]。如果以簡(jiǎn)單的防火季非防火季區(qū)分，那么森林防火季在(10月至次年4月)，其余時(shí)間為非防火季。表1給出了典型火點(diǎn)的特征。

表1 福建地區(qū)2018年典型火點(diǎn)數(shù)據(jù)集信息

1.4.2 福建地區(qū)火點(diǎn)閾值的定量分析

基于表1的火點(diǎn)數(shù)據(jù)樣本，針對(duì)不同季節(jié)、不同區(qū)域和晝夜情況進(jìn)行亮溫和與背景亮溫差值的統(tǒng)計(jì)，并在得出統(tǒng)計(jì)結(jié)果的最高值和最低值范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，得出適合福建地區(qū)的火點(diǎn)判識(shí)閾值。由于夏季火點(diǎn)樣本過(guò)少，因此并入春季進(jìn)行討論。

(1)季節(jié)變化對(duì)火點(diǎn)的影響。基于表1，通過(guò)分類整理，統(tǒng)計(jì)火點(diǎn)在T07通道亮溫及其與背景亮溫的差值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下。

基于圖1，通道T07所處的亮溫區(qū)間為272K～362K之間，其與背景亮溫的差值在4K～55K之間，T14通道的亮溫?cái)?shù)值在253K～297K之間，其與背景亮溫的差值在0K～6K之間，通道T15亮溫?cái)?shù)值在252K～293K之間，與通道T14相比低了1K～4K，其與背景亮溫的差值在0K～5.5K之間，與通道T14差異不大。另外，不同季節(jié)像元與背景亮溫差也相差很大，在秋冬季不到40K，而在春季能達(dá)到55K以上。

(c)通道T15

在火點(diǎn)判識(shí)中，通道T07亮溫?cái)?shù)值與火點(diǎn)判識(shí)的難易和火勢(shì)的大小直接相關(guān)，是最重要的火點(diǎn)判識(shí)參數(shù)。通道T14與通道T15亮溫作為輔助判識(shí)參數(shù)，主要用于排除火點(diǎn)誤判。文獻(xiàn)中一般采用通道T14，但是根據(jù)福建省氣象局?jǐn)?shù)據(jù)接收的實(shí)際情況，采用通道T15代替。根據(jù)上述分析，T15的取值可在T14的基礎(chǔ)上進(jìn)行修正，降低1K～4K，取平均值2.5K。

(a)通道T07

(b)通道T14

(2)不同地域?qū)瘘c(diǎn)的影響。福建下轄九個(gè)行政區(qū)和平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)2018年火點(diǎn)數(shù)據(jù)集除了廈門市和平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)以外均有火點(diǎn)報(bào)告。那么把福建劃分成閩中(福州市、莆田市、平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū))、閩東(寧德市)、閩西(龍巖市和三明市)、閩南(廈門市、泉州市、漳州市)、閩北(南平市)這五個(gè)區(qū)域[34]。

通道T07在著火過(guò)程中的最大值最小值直接反映了火勢(shì)大小和火點(diǎn)判識(shí)的難易程度，火點(diǎn)的最低溫越高，與環(huán)境溫度的差異越大，則火點(diǎn)較易判識(shí)，準(zhǔn)確率高，而最低溫越低則相反。圖2可得閩中區(qū)域的火點(diǎn)最大值和最小值的亮溫均大于其他地區(qū)。且最大值和最小值之差也大于其他地區(qū)，這說(shuō)明閩中地區(qū)火點(diǎn)溫度較高，相對(duì)于其他地區(qū)更易于辨識(shí)。閩西地區(qū)火點(diǎn)最小值數(shù)值在各地區(qū)中最小，造成閩西地區(qū)火點(diǎn)難以與環(huán)境溫度區(qū)分開(kāi)，增加了火點(diǎn)判識(shí)的難度。閩北地區(qū)火點(diǎn)最高溫度較低，且與火點(diǎn)最低溫度的差值最小，說(shuō)明該地區(qū)火點(diǎn)溫度變化不大，火點(diǎn)特征不夠明顯，也給火點(diǎn)判識(shí)增加了難度。

圖2 福建不同區(qū)域通道T07火點(diǎn)亮溫最高、最低值

T07與T07BG的差值反映了算法對(duì)該地區(qū)火點(diǎn)的識(shí)別的靈敏程度。差值設(shè)置的太小，判識(shí)火點(diǎn)的靈敏度提高，但同時(shí)誤判也增多。如果數(shù)值設(shè)置過(guò)高則易遺漏火點(diǎn)，因此差值的設(shè)置在火點(diǎn)判識(shí)中十分重要。圖3可得閩西和閩北的差值最小，這也反映了閩西和閩北火點(diǎn)溫度較低，難以從背景溫度中加以區(qū)分。而閩中、閩東、閩南地區(qū)的最小差值均在5K以上說(shuō)明該地區(qū)火點(diǎn)較易與背景溫度進(jìn)行區(qū)分。根據(jù)逐火點(diǎn)篩選的結(jié)果，閩中、閩南、閩東三地差值可向上取整，取6K，閩西閩北差值向下取整，取4K。

圖3 福建不同區(qū)域通道T07與T07BG差值最高、最低值

(3)晝夜對(duì)火點(diǎn)的影響。夜間由于缺少可見(jiàn)光通道，不能進(jìn)行云檢測(cè)，故火點(diǎn)的判別僅依靠通道T07，除了公式(1)、(2)給出的方法進(jìn)行一般性的火點(diǎn)判斷外，表2給出了夜間火點(diǎn)探測(cè)的閾值。夜間如果亮溫大于300K則直接判為火點(diǎn)。閩北地區(qū)直接判為火點(diǎn)的閾值設(shè)為285K。

表2 福建地區(qū)夜間通道T07亮溫最大、最小值統(tǒng)計(jì)表

2 火點(diǎn)誤判分析

葵花-8衛(wèi)星的高時(shí)間分辨率為判識(shí)火點(diǎn)帶來(lái)了諸多好處，但是由于其空間分辨率較低和過(guò)高的時(shí)間分辨率也帶來(lái)了誤判的問(wèn)題。主要的誤判原因有：云的影響；下墊面混合像元；晴空晨昏交界的影響。下面將對(duì)葵花-8衛(wèi)星火點(diǎn)誤判進(jìn)行分析。

①云的影響。云的影響是衛(wèi)星遙感中最常見(jiàn)，也是最活躍最不確定的下墊面要素之一，對(duì)于火點(diǎn)判識(shí)的有著很大的影響。當(dāng)云較厚時(shí)候，遮擋住了來(lái)自于地面的輻射信號(hào)，造成電磁波無(wú)法穿透云層，而導(dǎo)致衛(wèi)星無(wú)法接收到云下信號(hào)。在云邊緣時(shí)候，由于云的存在會(huì)使得該像元成為混合像元，從而降低了該像元的亮溫，而在進(jìn)行背景計(jì)算的時(shí)候，這類混合像元往往被當(dāng)作背景亮溫參與計(jì)算，導(dǎo)致背景亮溫的溫度降低，從而使得云邊緣往往出現(xiàn)火點(diǎn)誤判。解決方法為在云邊緣的像元點(diǎn)與背景亮溫進(jìn)行比較的時(shí)候，提高背景亮溫的數(shù)值，即提高T07-T07BG的值，可將原有閾值提高1.2～1.8倍，利用這種更加嚴(yán)格的閾值條件來(lái)降低云邊緣誤判[29]。圖4給出了未經(jīng)云邊緣判定造成誤判和云邊緣調(diào)整閾值后消除誤判的情況。

(a)云邊緣火點(diǎn)誤判 (b)云邊緣調(diào)整判別閾值后消除云邊緣誤判

②下墊面混合像元。福建省俗稱“八山一水一分田”，下墊面情況復(fù)雜[34]?？?8衛(wèi)星每個(gè)像元2km分辨率的情況下，常常一個(gè)像元包含了水體、城市、林地、耕地等下墊面(圖5)，在特定的條件下會(huì)造成誤判。應(yīng)此需要準(zhǔn)確的下墊面信息，并對(duì)水體，高反射物物體進(jìn)行精準(zhǔn)地剔除等。在實(shí)際業(yè)務(wù)中采用250M分辨率的MODIS下墊面信息綜合判別。

圖5 2018年3月11日混合像元造成的火點(diǎn)誤判

③晴空晨昏交界的影響。Schroeder等[35]等指出NPP/VIIRS中紅外波段(3.55μm ～3.93μm)受太陽(yáng)反射能量影響，會(huì)導(dǎo)致亮溫增大，這樣就會(huì)降低晴空時(shí)火點(diǎn)像元和無(wú)火像元之間的輻射分離。因此，晴空時(shí)葵花-8的通道7亮溫較大也可能受到反射的影響。由于晨昏交界時(shí)刻太陽(yáng)輻射變化快，由于下墊面不同，對(duì)劇烈變化的太陽(yáng)輻射葵花-8衛(wèi)星通道7亮溫變化程度不一樣，造成了虛假火點(diǎn)。圖6給出了在2018年10月31日晴空晨昏交界時(shí)候造成的火點(diǎn)誤判情況。鄢俊潔等[36]提出了基于時(shí)相變化的晴空條件下葵花-8衛(wèi)星火點(diǎn)檢測(cè)的算法有助于晨昏交界火點(diǎn)檢測(cè)的問(wèn)題。但在實(shí)際業(yè)務(wù)中，根據(jù)對(duì)福建地區(qū)火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的實(shí)際情況，利用葵花-8衛(wèi)星的高分辨率，當(dāng)上一個(gè)時(shí)次出現(xiàn)的孤立火點(diǎn)數(shù)目占總格點(diǎn)數(shù)的1/1000時(shí)，下一個(gè)整點(diǎn)對(duì)上一個(gè)整點(diǎn)中所探測(cè)到的火點(diǎn)進(jìn)行誤判篩查。如果一個(gè)整點(diǎn)中，同一個(gè)格點(diǎn)被判定為火點(diǎn)的次數(shù)占到該整點(diǎn)監(jiān)測(cè)次數(shù)的1/2，則判定該格點(diǎn)為火點(diǎn)，否則設(shè)為誤判。

圖6 2018年10月31日晴空晨昏交界造成的火點(diǎn)誤判

通過(guò)上面三種誤判解決方法，基本上解決了云邊緣誤判和晴空晨昏交界的火點(diǎn)誤判。但是對(duì)于下墊面造成的誤判而言，除了需要更加精確且不斷更新的下墊面信息之外，還需要在日?？偨Y(jié)中標(biāo)注出因?yàn)橄聣|面原因而反復(fù)出現(xiàn)的誤判火點(diǎn)，從而逐步提高準(zhǔn)確率。

3 結(jié)果驗(yàn)證

通過(guò)與火點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，改進(jìn)的算法探測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到62.34%以上。但火點(diǎn)實(shí)地調(diào)查是一項(xiàng)繁瑣系統(tǒng)的工作，實(shí)地收集的火點(diǎn)數(shù)據(jù)集與實(shí)際發(fā)生的火點(diǎn)數(shù)量之間存在著巨大的差異。故進(jìn)行算法驗(yàn)證時(shí)不僅需要與實(shí)際火點(diǎn)數(shù)據(jù)集對(duì)比驗(yàn)證，也需要與高可靠的火點(diǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)比驗(yàn)證。本文的驗(yàn)證火點(diǎn)數(shù)據(jù)集采用MODIS逐日火點(diǎn)產(chǎn)品，分辨率為1km。采用置信度超過(guò)80%的高可靠產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，為與MODIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間匹配，葵花-8探測(cè)時(shí)間范圍為MODIS過(guò)境前后半小時(shí)。圖7給出了某兩次火點(diǎn)過(guò)程。圖7中a)報(bào)告兩處火點(diǎn)，如圈1 MODIS可信度達(dá)到92%，葵花-8衛(wèi)星也多次探測(cè)到，但防火辦未有記錄。圈2為實(shí)際火點(diǎn)，MODIS與本文葵花-8火點(diǎn)算法均準(zhǔn)確探測(cè)。但a)中葵花-8出現(xiàn)了較多虛假火點(diǎn)。b)中MODIS和葵花-8均探測(cè)到兩處火點(diǎn)，但都只有一處為確定火點(diǎn)，均出現(xiàn)誤判。

圖7 2018年兩次火點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文利用2018年福建地區(qū)火點(diǎn)數(shù)據(jù)集，結(jié)合葵花-8衛(wèi)星數(shù)據(jù)，建立火點(diǎn)自動(dòng)判識(shí)算法，從閾值、時(shí)空變化和誤判分析三個(gè)方面分析了福建省的火點(diǎn)特點(diǎn)和變化情況，得出以下結(jié)論。

①通道T07所處的亮溫區(qū)間為272K～362K之間，與背景亮溫的差值在4K～55K之間，通道T14的亮溫?cái)?shù)值在253K～297K之間，與背景亮溫的差值在0K～6K之間，通道T15亮溫?cái)?shù)值在252K～293K之間，與通道T14相比低了1K～4K，與通道T14差異不大。不同季節(jié)像元與背景亮溫差也相差很大，在秋冬季的只有不到40K，而在春季能達(dá)到55K以上。D4和D4-11的取值范圍在4K～6K。若采用通道T15代替，則D4-11取值范圍在6.5K～8.5K。

②閩中區(qū)域的火點(diǎn)最大值和最小值的亮溫均大于其他地區(qū)。且最大值和最小值之差也大于其他地區(qū)，相對(duì)于其他地區(qū)更易于辨識(shí)。閩西地區(qū)火點(diǎn)最小值數(shù)值最小，造成閩西地區(qū)火點(diǎn)難以與環(huán)境溫度區(qū)分開(kāi)，增加了火點(diǎn)判識(shí)的難度。閩北地區(qū)火點(diǎn)最高溫度較低，且與火點(diǎn)最低溫度的差值最小，火點(diǎn)特征不夠明顯，也給火點(diǎn)判識(shí)增加了難度。在夜晚判別火點(diǎn)依然采用自動(dòng)判識(shí)算法，當(dāng)亮溫大于300K則直接判為火點(diǎn)。

③云的影響、下墊面混合像元、晴空晨昏交界為火點(diǎn)誤判的三個(gè)主要原因，其中云邊緣和晴空晨昏交界產(chǎn)生的火點(diǎn)誤判通過(guò)改進(jìn)算法得到基本解決。下墊面混合像元所造成的火點(diǎn)誤判除了采用更高分辨率、更詳細(xì)的下墊面信息外，在日常工作中對(duì)經(jīng)常發(fā)生火點(diǎn)誤判的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，逐步降低誤判率。由于云是火點(diǎn)判識(shí)中最重要也最不穩(wěn)定的因素，因此有必要采用更加精確的云檢測(cè)降低云所產(chǎn)生的火點(diǎn)誤判。

本文使用葵花-8衛(wèi)星火點(diǎn)自動(dòng)判識(shí)算法中云檢測(cè)較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有仔細(xì)考慮薄云和低云對(duì)于火點(diǎn)判識(shí)的影響。另外福建地區(qū)，特別是閩北火點(diǎn)溫度低、面積小、時(shí)間短，葵花-8衛(wèi)星空間分辨率不足的缺點(diǎn)體現(xiàn)明顯。為了提高火點(diǎn)判識(shí)的準(zhǔn)確度，下一步將更加深入研究多源衛(wèi)星組網(wǎng)，特別是中高分辨率衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星組網(wǎng)對(duì)火點(diǎn)的判識(shí)。