D28（三等奖）基于Himawari-8遥感数据森林火点与火情实时监测系统

作品编号：D28（三等奖）

作品名称：基于Himawari-8遥感数据森林火点与火情实时监测系统

作者单位：黑龙江工程学院测绘工程学院

小组成员：高博洋

指导老师：王强

项目背景

森林火灾，是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火行为。森林火灾是一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害。是火灾的一种。

森林防火工作是中国防灾减灾工作的重要组成部分，是国家公共应急体系建设的重要内容，是社会稳定和人民安居乐业的重要保障，是加快林业发展，加强生态建设的基础和前提，事关森林资源和生态安全，事关人民群众生命财产安全，事关改革发展稳定的大局。

近几十年来,由于平均气温上升、昼夜温差变小以及长期气候变暖等趋势，造成世界各地森林火灾频发。如果火灾处置不当，将会演变成国家灾难，造成严重的经济损失。森林火灾突发性强、破坏性大、难以控制，所以精准、实时获取火灾信息对于减轻这种灾害的影响至关重要。遥感卫星由于具有成本低、实时性强、覆盖面积广的优势已经成为监测这种灾害的理想工具。

选题动机

据中国应急管理部消息，2019年受厄尔尼诺现象影响，全球森林火灾多发高发，高达2345起，其中重大火灾8起、特大火灾1起，受害森林面积约13505公顷。我国部分地区也遭遇了50年不遇的极度干旱，高温大风干雷暴等极端天气明显增多，森林草原防灭火形势十分严峻。

2019年3月30日，时隔一年，四川省凉山州再次发生森林火灾，其着火点在海拔3800米左右，地形错综复杂、坡陡谷深、交通、通讯不便。在4月7日风向突变，山火爆燃，壮烈牺牲30名消防战士，包括27名森林消防指战员和3名地方扑火人员。

2019年4月2日，凉山森林火灾牺牲人员名单公布，牺牲的27名森林消防指战员，平均年龄仅23岁。其中年龄最大的，是消防凉山支队西昌大队政治教导员赵万昆，生于1980年12月，38岁；年龄最小的，是凉山支队西昌大队四中队二班的消防员王佛军，生于2000年7月，年仅18岁。 

由于近年来火灾频发的形势，经济财产的损失，以及救火英雄的壮烈牺牲，让我团队深感悲痛。目前随着国家对自然灾害（特别是森林火灾）的高度重视，我国也发射多颗应用于林火监测的卫星，而市场也已经出现多款林火监测软件系统。

研究的目的及意义

基于卫星遥感数据的林火火点提取技术日趋成熟，同时各种各样的林火蔓延速率估算模型被建立。但是目前用于林火火点检测的遥感卫星数据多为太阳同步轨道卫星数据为主，具有较高的空间分辨率，但时间分辨率普遍较低，难以达到在每小时或者分钟级上进行林火火点的检测。同时，物理模型的复杂求解，以及经验模型输入数据的收集也阻碍了林火蔓延速率的近实时提取估算。由于林火的发生通常具有爆发性和快速性的特点，近实时的林火趋势提取和分析对于及时的林火防控救援极其重要。

随着遥感技术的不断提升，使得新一代地球同步卫星在时间分辨率和空间分辨率上都有了较大的提升，为（近）实时林火火点检测和过火面积测算以及火势蔓延速率的提取提供了可能。我们使用目前较为成熟的Himawari-8数据进行林火火点的识别、过火面积的测算以及火势蔓延速率的预估，日后可以为森林防火期火灾应急管理提供科技支持。

地球同步轨道卫星发展状况

地球同步卫星是指在地球同步轨道上自西向东运行的人造卫星。它的轨道周期与地球的自转周期相同，为1个恒星日，即23小时56分4秒；距离地面大约35,786 km，距离地心大约 42,164km。当地球同步轨道卫星正好在地球赤道上空离地面35786千米的轨道上绕地球运行时，由于它绕地球运行的角速度与地球自转的角速度相同，从地面上看去它好像是静止的，因此这种卫星又叫地球静止卫星。

表 1国内外静止气象卫星代表

自从第一颗地球同步轨道卫星发射于1964年。往后的半个世纪，许多国家和组织都发射了不同类型的地球同步轨道卫星，其中以地球静止卫星最为代表。这些卫星包括中国的风云系列卫星，欧空局的Meteosat系列卫星，美国的GOES系列卫星，日本的 Himawari系列卫星，印度的INSAT系列卫星以及韩国的COMS系列卫星（表1）。

地球同步轨道卫星数据也进一步的应用在了大气、海洋以及火灾等方面研究。随着科学技术的发展和创新地球同步卫星也朝着高空间分辨率的方向发展。其中，最为代表性的卫星就是我国2015年发射的高分四号。作为世界上第一颗高空间高时间分辨率的地球同步轨道卫星，随后法国、印度以及美国都推出了研制和发射高分辨率地球同步轨道卫星的计划。

火点检测现状

火点数据是提取众多火灾信息的基础数据，近年来随着火灾的频发，火点检测一直处于遥感领域研究的热点。近几十年来，根据不同卫星传感器数据开发了许多火点检测算法和产品，根据卫星运行的轨道，又可以分为地球同步轨道卫星和太阳同步轨道卫星遥感数据火点检测，其中地球同步轨道卫星具有高时间分辨率，但空间分辨率低，太阳同步卫星数据则相反。由于火灾突发性强、破坏性大的特点，高时间分辨率变得尤为重要，可以近实时的检测火灾的发生。

过火面积计算和火势蔓延速率预估研究现状

过去的几十年中，许多过火面积和火势蔓延速率的方法被提出，大体可分为两类：传统方法（实验室或现场观察，模型的建立）和基于遥感数据的方法。实验室或现场观察需要耗费大量的人力物力，效率低，不能广泛使用，同时又具有一定的危险性；模型的建立可以分为经验/半经验、物理/半物理模型，其中典型的有我国的正非模型（经验模型），以及美国的半经验模型（Rothermel模型），经验/半经验往往对地点和数据十分依赖，因此需要大量的计算，频繁的验证，以确保实时更新当地的情况，同时由于这种模型只针对于单个地区，所以缺乏普遍性，并且在没有数据的条件下难以建立，而物理模型求解复杂，耗时久。随着科技的进步，经验/半经验模型和物理/半物理模型的结合，新的算法也被研发出来，但由于火灾的不确定性，很难实现近实时计算过火面积和火势蔓延速率。

随着遥感卫星发射数量的逐年增加，国家对卫星遥感及空间信息服务行业需求的增长和鼓励政策的不断落地，遥感技术应用于火灾过火面积的计算和火势蔓延速率的预估，由于方法独特，成本低，时间/空间分辨率高的特点，被广泛的应用。

过去的森林火情监测手段主要是瞭望塔和飞机，观测范围和频次有限，费用高昂。随着遥感对地观测技术日益成熟，尤其是在人迹罕至的原始林区，利用星载遥感数据进行林火监测的优势越发明显。Himawari-8卫星监测范围大的特点，获取我国较完整的信息，可同时完成对我国大部分进行火点的监测，数据源稳定，所以系统具有高频覆盖、高准确性、高敏锐性、定位精确、自动辨识、运行高效、面积可靠等优势。本项目基于Himawari-8遥感数据来进行森林火点与火情的实时监测，目标监测范围为（60°S-60°N, 80°E-160°W）。弥补地面和护林飞机巡护监测的空白和死角，充分体现了卫星林火监测的优越性、先进性和实用性。服务群体有：世界气象组织（WMO）、国家林业局、应急管理局、中央气象台、地方林业局、消防站等国家部门和机构。

本系统包括数据批量预处理和林火监测两个模块，林火监测分为火点识别、过火面积测算以及火势蔓延速率预估功能。Himawari-8原始数据通过批量预处理形成研究区范围内地表亮温和辐射能量数据，为林火监测模块提供数据源。

（1）火点识别，通过提供的数据源根据固定阈值法、全局上下文法与窗口上下文法通过林火特征进行火点位置识别；

（2）过火面积测算，调用（1）火点识别的算法进行时间序列的累加，得到某一时相（多个时刻）的过火面积；

（3）火势蔓延速率预估，根据（1）（2）算法结合分别计算两个时相的林火中心地理坐标，并应用其坐标进行距离的计算，从而计算速率。

作品结果分析和验证

表 2算法符号说明

火点识别结果分析和验证

三种火点检测算法选择Himawari-8的官方WLF火点产品为基准数据进行验证，并通过混淆矩阵引入相关评价参数。为了综合算法精度，同时引入CO值（公式1）。

Comission表示Himawari-8火点像元在WLF火点数据中未被检测到所占的比例，也称错检率；Omission表示WLF中的火点像元在Himawari-8 火点数据中未被检测到所占的比例，也称为漏检率；同时引入综合参数CO，当CO越接近于1时，则识别的越准确即算法性能越好。原则：当WLF的一个火点数据和Himawari-8火点数据重合时，即判定为真实火点数据。

表 3参数符号说明

表 4参数结果分析

基于不同火点检测算法得到的火点数据与Himawari-8的火点产品WLF的对比统计结果表3所示。表中Threshold为固定阈值法火点数据，Global为全局上下文法火点数据，Window为窗口上下文法火点数据。从表中可以看出，基于窗口上下文法火点数据综合效果最好，CO值达到0.853107，其余两种结果较为接近；在漏检率方面，基于窗口上下文法火点数据综合效果最好，199个真实像元，只遗漏了48个，其余两种结果检测火点较少；在错检率方面，三种检测方法相当，都低至3.2%。综合所有参数来看基于窗口上下文法在研究区域表现最好。

过火面积结果分析和验证

过火面积采用Himawari-8官网的火点产品进行时间序列的累计作为基准值进行对比验证如图（1）所示。

其中在第四时相全局上下文法和基准数据（WLF）最拟合效果最好，只漏检8个像元，其余两种方法结果相同。第八时相，窗口上下文方法和基准数据对比效果更好，全局上下文法其次，固定阈值法最差。综上所述，窗口上下文方法和全局上下文方法均高于固定阈值法。

图 1过火面积统计验证

火势蔓延速率结果分析和验证

火势蔓延速率采用Himawari-8官网的火点产品的计算，从而得到火势蔓延速率作为基准值，使用评价参数平均偏差（MBE），平均绝对百分误差（MAPE），均方根误差（RMSE）公式（2）。

  其中MBE描述了估计值的残差分布，正值表示与真实值存在高估现象，而负值表示存在低估现象。MAPE表示一个模型的估计精度，当值接近0时表示模型表现最好，10%-20%表示模型表现较好，20%-30%或更高表明模型表现一般。RMSE是用来评价模型总体性能的度量，RMSE 越低表示模型性能越好。

表 5火势蔓延速率评价图

  综合来看，固定阈值法的火势蔓延速率效果最好，RMSE为0.289较低，其余两种算法效果相同。残差分布来看，三种检测方法都高于真值，其中固定阈值法与真实值最为接近；在MAPE模型方面，三种算法表现较为接近，都处于20%-30%阶段。