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四川省是我国西南林区森林火灾较为严重的区域,平均每年发生林火近 300 次,不仅破坏了宝贵的森林资源,也给林区人民的生命财产带来了严重的损失[1]。开展火点提取工作是防灾救灾工作的一项重要内容。阈值法是火点提取的一种常用方法,根据各地区的实际情况,选取合适的波段和阈值,超过阈值就定为火点[2]。针对森林火灾频发的四川地区,MODIS、NOAA/AVHRR等数据的阈值法在四川地区进行火点识别有着较多应用,许多专家学者根据四川当地情况,提出了应用于各类传感器的相应阈值。在MODIS数据应用中,卿清涛、肖利通过白天夜间设计不同的阈值进行火点提取[3~4],张思分季节设计不同阈值进行火点提取[5]。在NOAA/AVHRR数据应用中,卿清涛设计了适合四川地区的火点阈值[6]。本文对四川地区的火灾进行分析研究,提出了适用于高分四号的火点阈值。高分四号(GF-4)卫星是我国于2015年12月29日发射的一颗高分辨率对地静止观测遥感卫星[7],利用高分四号卫星数据构建亮温火点阈值算法进行火点提取,能够快速确定森林火灾的地理位置信息,大程度地节省人力成本,为四川地区的林火监测提供有力的数据支持。
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选取四川省凉山州作为研究区,凉山州林火等级高,林火密度大,是火灾高发区[2]。2019 年3 月30 日至4 月10 日,凉山彝族自治州木里县雅砻江镇立尔村发生森林大火,该火灾由雷击引发,当地迅速组织力量共投入689 名消防人员前去灭火,共有27 名森林消防指战员和4 名地方扑火人员因风向突变在火灾中壮烈牺牲。2020 年3 月28 日晚,四川省凉山彝族自治州木里县项脚乡发生森林大火,2020 年3 月30 日15 时,四川省凉山彝族自治州西昌市泸山发生森林大火[8]。本文以2020 年发生的两场火灾为研究对象,进行火点提取(见图1)。
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高分四号搭载了一台具有50 m分辨率的可见光近红外通道与400 m分辨率的中红外通道的面阵凝视相机,其相机参数如表1所示。
参数项目 Parameter 可见光近红外通道 Visible light near infrared channel 中红外通道 Intermediate infrared channel 光谱范围 Spectral range B1(Pan):450-900 nm B6(Mir):3.5—4.1 µm B2(B):450—520 nm B3(G):520—600 nm B4(R):630—690 nm B5(Nir):760—900 nm 像元大小 Pixel size 50 m 400 m 单景成像区域 Monographic imaging area 500 km×500 km 400 km×400 km 时间分辨率 Temporal resolution 20 s 20 s 工作模式 Working model 凝视成像模式、区域成像模式、机动巡查模式 Table 1. Main parameters of GF-4 satellite sensor
通过高分四号的特点分析,其独特的凝视成像模式,可以完成基于长时间序列的孕灾环境和致灾因子监测,支持洪涝、旱灾、雪灾、地质灾害等灾害风险监测;在时间分辨率上,具有20 s的高时间分辨率,通过高频次重复探测,获取灾害发生过程中的持续动态监测数据,为洪涝、火灾、滑坡、泥石流、堰塞湖等灾害发展趋势分析、救灾方案部署等活动提供支持[9]。
高分四号火点提取是基于4 μm中波红外的波段特性来进行的,火焰的温度通常能达到500~700 K,其热辐射峰值波长在3~5 μm之间。根据维恩位移定律,物体越热辐射谱的波长越短,林火燃烧造成辐射量升高及辐射峰值波长变短,中波红外谱段辐射量明显增强[10]。通过高分四号卫星中波红外影像火点像元与其它像元的辐射差异进行火点提取。
本文用到的数据有高分四号的PMI和IRS数据,landat8数据,全球200 m DEM数据。
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通过目视解译获得的火点矢量,对亮温结果进行裁剪和统计后查看其亮温分布,如表2、图4:
影像获取时间
Image acquisition
time像元数
Pixel number亮温/K Brightness temperature 最小值
Minimum value最大值
Maximal value白天 Daytime 3473 301 357 夜间 Nighttime 2531 285 357 Table 2. Statistical table of forest fire visual interpretation brightness temperature samples
利用Otsu分别对白天和夜间的火点亮温样本进行分析,得到白天和夜间的最佳火点判定亮温阈值为公式(10),亮温大于该阈值的像元则被认定为火点像元。
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经云、水掩膜处理后,根据Otsu判定的阈值,选择了火灾自2020年3月30日发生三天的3景GF-4影像进行火点提取,得到火点提取结果图像,如图5:
图中红色线条区域为检测到的火点,从中可以看出,该阈值算法能够准确检测到烟雾附近的火点以及烟雾不明显的火点,并且被烟雾遮挡的火点像元也可以被检测到。
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精度评价方法是将人工目视解译的火点作为真值与本文算法所提取的火点检测结果进行对比[20],如图6:
图中蓝色线条区域为目视解译的真实火点像元,红色区域为检测的火点像元,二者吻合。
利用准确率P和漏检率M来进行评价,通过综合准确率和漏检率的F值来进行统一的精度评定,如公式(11),精度评价结果如表5所示。
时间
Time真实火点像元
Real fire pixel检测火点像元
Detecting fire pixel误检火点像元
False fire detection pixel漏检火点像元
Leak detection pixel准确率
Accuracy rate漏检率
Missing rate综合指标
Comprehensive index2020年3月30日15:00 587 592 39 34 0.937 0.055 0.942 2020年3月31日13:40 207 224 46 47 0.764 0.185 0.789 2020年4月1日11:30 143 117 11 37 0.929 0.206 0.856 Table 3. Accuracy table of fire point extraction
式中:Yy为检测的火点为真实火点的个数,Yn为误检火点的个数,Ny为漏检火点的个数,P和M分别为准确率和漏检率,F为准确率和漏检率的综合评价指标。
从精度表中可以看出该阈值算法综合指标在0.78以上,对火点的提取具有较好的识别效果。
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火点提取结果和精度评价结果显示,本文所提供的GF-4中波红外的亮温阈值对于四川当地的火点提取具有较好的效果。而且之后随着样本数量的增加,利用Otsu判定的火点阈值可信度会更高,具有良好的应用前景。该方法也存在一定的局限性,一是该阈值适用于四川地区,对其他地区火点的检测效果可能不佳;二是来源于GF-4卫星本身,可见光由于自然光照条件限制,可成像时间为白天的 8 小时[21],在夜间识别时无法利用可见光通道对云和水体进行去除,只能通过IRS影像对火点进行提取。
该方法简易实用,能够在获取到影像后快速展开火点识别工作并对着火点进行定位,为防灾救灾等工作提供参考依据。
Forest Fire Point Extraction in Sichuan Province Based on GF-4
doi: 10.12172/202202220001
- Received Date: 2022-02-22
- Available Online: 2022-09-21
- Publish Date: 2022-12-30
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Key words:
- Sichuan forest fire /
- Mid-infrared band /
- Brightness temperature /
- Fire point extraction
Abstract: Forest fire refers to the fire behavior that is not controlled by human beings, spreads freely in forest land, and causes certain damage and loss to forest ecosystem and human beings. The occurrence of forest fire is very sudden, destructive and difficult to deal with. With the gradual maturity and rapid development of remote sensing technology, it has been widely used in forest fire monitoring and disaster assessment due to its high spatial and temporal resolution, wide monitoring range and low cost. It has become an important tool for large-scale forest fire monitoring. In Sichuan area where forest fires occur frequently, a large-scale and high-time resolution forest fire point extraction scheme was proposed by using GF-4 satellite. The threshold of bright and warm fire point suitable for Sichuan area was constructed, and the cloud, water and other influencing factors were eliminated to realize the extraction of fire point in Sichuan. The comprehensive evaluation index of extraction results was above 0.78.