SatSee-Fire卫星看火

SatSee-Fire (Satellite See Fire) 是中国科学院遥感与数字地球研究所提供的近实时地表高温异常点查询服务系统。高温点从中等分辨率卫星数据中提取。该系统提供按时间与区域查询地表高温点数据服务。查询结果生动地叠加到行政区划图像或卫星本地影像上。用户可以直接查看高温点,通过目视解译判断是否是火点。通过叠加的高分辨率遥感卫星底图,可进一步判断火点的类型。在SatSee-Fire中可以观测到林火、草火等自然火点,以及由与秸秆焚烧,厂矿锅炉等人为因素导致的地表温度异常情况。火点的时空分布情况也一目了然。用户使用电子邮件订阅高温点服务,SatSee-Fire根据订阅需求,近实时或定时向用户推送高温点数据。

目前SatSee-Fire 集成了Landsat-8高温点数据,高温点数据的空间区域是中国与亚太周边国家,时间范围从2013年开始。Landsat-7,Sentinel-2等中分辨率卫星的高温点数据将不断加入到服务中。

背景

Background

高温地物目标显著区别于周围常温地物,是地物目标的重要特征,其高温属性代表着物质的剧烈变化,会对周围环境造成严重的影响与破坏,甚至会影响人们的生命健康和财产安全。得益于国际社会各界对于高温目标关注度日益增加以及科技水平飞速发展,其技术手段也得到了长足的进步,由人工参与的地面巡查,到机载红外传感器监控,再到目前以遥感卫星数据为基础的热源探测。传统的人为参与式实地调查方式,虽然可以精确地测量燃烧区,但是需要耗费大量的人力、物理和财力并且调查范围相当有限,同时也无法保证检测结果的时效性,不能精确地反映高温目标的面积大小、温度以及破坏情况。以遥感卫星数据为基础的热源探测技术能为高温目标的识别提供了更为方便、及时的监控手段,弥补了人工参与模式的众多不足,成为监测高温目标的重要手段和方式。

对高温目标的监测分为短期热源监测和长期热源监测。短期热源,主要是指森林火灾、草原火灾、秸秆焚烧、垃圾焚烧等,以开放式燃烧的形式较多,这种热源主要会对空气质量,环境生态造成较大的破坏;长期热源,主要是指工矿企业的热排放,这种热源可能造成周边的空气、水质等污染,甚至影响周围居民的生产生活以及生命健康。

MODIS等中低分辨率卫星火点监测

Global

国际上最早被用于高温目标监测的卫星包括美国航空航天管理局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的地球同步业务环境卫星(Geostationary Operational Environmental Satellite, GOES),以及美国海洋与大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)的极轨卫星。两个卫星系列设计的主要目的是提供环境和气象的业务化监测,其搭载的中红外通道(3.7~4μm)和热红外通道(10~11μm)可被用于 监测火点。从上世纪 80 年代初至今,已积累了近 30 年连续的区域及全球火点分布数据,被 广泛用于森林火灾的监测与预警、生物质燃烧排放估算以及生态及气候影响评估。为了更好地监测全球火点,NASA充分借鉴 NOAA卫星的监测经验,设计的中分辨率成像光谱仪 (Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)设有专门用于火点探测的中红外通 道,具有更高的辐射分辨率且不易饱和,同时在可见-近红外谱段具有更多通道以提高火点识 别的精度。MODIS 分别于1999年和2002年搭载于Terra和Aqua两颗极轨卫星发射升空,每日可对全球大部分地区进行多次观测,目前已成为全球火点监测最主要的卫星数据源之一。基于以上卫星传感器影像数据的检测方法,可以实现大范围的火点检测, 对于火情发生区域的定位及火势蔓延趋势的有相当准确直观的表达, 已经在火灾监测和预警方面得到了广泛而成功的应用。其中较为成熟的全球火点检测产品有 GFED3, MCD45A1, L3JRC, Globcarbon, GBS, GBA2000, GLOBSCAR等。此外,国外基于火点发现的信息服务已经比较成熟。如NASA的FIRMS (Fire Information for Resource Management System)系统提供火点数据服务的业务化运行。FIRMS通过在线方式提供火点数据服务。用户可以通过邮件注册感兴趣区域。FIRMS定期将用户关注区域的火点产品。

Landsat-8等中高分辨率卫星火点监测

Global

热红外数据受空间分辨率往往较低,以及大气背景等方面影响,对小面积温度目标反演提取精度较低。而经过大量研究表明采用短波红外波段进行温度反演则有更高的敏感性,利于小面积高温目标的反演。例如农田秸秆燃烧和工矿企业的排放,单个燃烧区域规模小,分布零散。这就需要利用更新的研究手段进行相应异常高温目标的提取和监测。潘军等人利用ETM+7波段数据,在煤层自燃、土法炼焦等高温目标物初步识别的基础上,采用背景像元反射率估算法进行发射能量分离,并基于均一朗伯体假设进行像元等效温度反演。结果表明,短波红外具有较高的空间定位精度,可用于反演高温异常目标信息提取。杨进利用空间分辨率为30米的Landsat-8 OLI传感器数据, 根据高温火点在近红外及短波红外波段的波谱特性, 利用改进的归一化燃烧指数(NBRS)结果自适应地确定阈值来提取疑似火点, 然后再利用高温火点在短波红外的峰值关系进行误检点剔除, 从而得到最终的火点产品。范学良的基于光谱辐射信息的高温目标图像识别方法,利用光学及辐射度学对成像过程进行理论分析,建立了照明条件下识别视场中高温目标的数学模型,潘军/利用短波红外数据对高温目标进行识别。

中高分辨率卫星虽然在时间分辨率上低于MODIS等卫星,但随着Sentinel-2,Landsat-9以及国产HJ、ZY02C后续卫星的发射,将形成一个由中分辨率卫星组成的观测网,大大提高卫星观测的时间分辨率。这有利于中高分辨卫星的地面高温目标监测技术的发展。

系统应用

Background

森林火情监测

Global

图1

2017年5月俄罗斯多地森林发生大火,116处森林发生火灾,远东地区和西伯利亚地区森林大火最为严重,森林大火过火面积可能已超过100万公顷。图中为5月14号的火点数据,火势从东向西蔓延,森林燃烧情况清晰可见

从系统中可以看到,林火从5月初开始,6月份逐步发展,到七月份还有零星火点。

5月初火势

6月火势逐步发展

秸秆焚烧监测

Global

秸秆燃烧作为一种人为灾害,在全世界范围内对环境造成巨大破坏。焚烧秸秆严重污染环境, 破坏生态平衡, 露天焚烧产生的大量烟尘。也会产生大量的CO2,CO 氮氧化合物苯,悬浮颗粒等物质以及环芳烃等有害气体。我国秸秆资源丰富 , 占世界秸秆总产量的 20 %~ 30 %,2010 年我国秸秆产量为 7.26 亿吨,相当于 5 亿吨标煤。每年与5春播月与10月秋收季节是秸秆燃烧的高峰期。系统2016年10月份的全国地面高温异常点分布图中显示,东北地区的高温异常点较多。

全国高温异常分布图

松花江畔存在大量的秸秆燃烧火点

系统监测出的火点准确度高,同高分辨率的卫星底图叠加,可以将火点准确到田间地头,问责到个人。

准确的火点检测位置

厂矿热源监测

Global

北京市周边有许多大型炼钢厂、化工厂、发电厂。这些厂矿属于长期热源,这种热源可能造成周边的空气、水质等污染,甚至影响周围居民的生产生活以及生命健康。通过检测工矿企业的热排放,可以清晰看到这些热源的分布。

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高温点数据存储为文本格式

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后续行:高温点信息,每一个高温点占一行。

高温点信息:各属性值用’,’(逗号)隔开。从左到右分别是:高温点ID,高温点经度,高温点

点纬度,高温点捕获日期(格式YYYY-MM-DD),高温点本底图像(URL连接)