森林生态系统是陆地自然生态系统中最大的生态系统，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，全世界每年发生森林火灾几十万次。特别是20世纪80年代以来，全球气候持续变暖，林火有上升的趋势(舒立福等，1997)。

甘肃省林草火灾形势相当严重，1988—2003年共发生森林火灾237次，平均14.9次，其中火警190次，一般火灾44次，重大火灾3次。2003年4月15日白龙江林区迭部达拉林场重大森林火灾，受灾森林面积超过600 hm²。各级政府部门对森林防火非常重视，层层建立了森林防火组织。但由于甘肃省地形复杂多变，境内有高山、河谷、盆地、丘陵、沙漠、戈壁等多种地貌，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，加大了防火灭火的难度。同时，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，大大提高了对森林干旱、火灾的监测和预报能力，有效避免了常规监测手段在时间、空间上的不足，为确定灾害特征及开展减灾技术的研究，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，如利用NOAA极轨卫星AVHRR3通道资料，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，并通过AVHRR3、4通道辐射温度的差异计算森林火灾面积(王宝生等，1996)。利用NOAA极轨卫星AVHRR 8 km分辨率的NDVI资料, 以及农业观测站的20 cm深的土壤湿度资料, 建立了植被状态指数(VCI)与土壤湿度之间的统计模型, 以确定出全国的旬旱情分布状况(冯强等，2003)。另外，遥感获取植被湿度可采用实际蒸散LE与潜在蒸散LEp的比值LE/LEp, 植被指数和植被指数-温度(VIT)梯形3种方法, 从而最终实现实时森林火险预测(袁金国等，2000)。

以往研究表明：有关美国新一代对地观测卫星EOS/MODIS的应用研究还很缺乏，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MODIS监测资料，对迭部重大火灾进行了完整的监测分析，揭示了甘肃特殊地理环境和气候条件对火灾的影响，从而为科学有效开展甘肃森林防火工作，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 EOS/MODIS简介

对地观测卫星EOS(earth observing satellites)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, 整个EOS卫星发射计划至少持续15~20年，因此应用EOS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，进一步开发对灾害的特征确定及减灾技术的研究是EOS卫星的主要任务之一(蒋岳新，2002)。

MODIS是EOS系列卫星的主要观测传感器, 在从紫光到中红外的观测区域中, 共有36个观测通道, 覆盖了当前各主要遥感卫星的主要观测通道。EOS/MODIS数据比NOAA-AVHRR具有更高的精度, 对于林火的识别和分类具有极高的价值，大大方便了火灾定位。MODIS数据具有250 m分辨率的CH1和CH2可见光通道, 可以提供地面的清晰图像, 显示出很多以往NOAA-AVHRR所无法显示的地面细节图像, 也可以很好地显示出林火所带的烟云。

2 火灾概况

在2003年4月15日火灾前，11：55，EOS/MODIS卫星资料显示甘南地区天空晴朗，没有发现火点。12：40，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EOS/MODIS进行连续动态监测，跟踪了火灾发展的全过程。在23：00，EOS/MODIS卫星资料显示迭部县西南部有大片火点存在，面积约20 km²。4月16日中午12：38，EOS/MODIS卫星监测显示迭部县森林大火区主要向西蔓延，图上可以看到火区西南方隐约可见暗红色的过火区，并有大片的烟雾向东北方向扩散(图版Ⅰ-1)。这段时间是火情较为严重的阶段。23：42接收到的EOS卫星的MODIS资料显示迭部林火仍在燃烧，但火势比16日白天有所减弱，明火区面积约为15 km²。

4月17日11：42，火区上空图像清晰无烟雾覆盖。与16日中午的EOS火情监测图像相比，火区东北方大片的烟雾基本消失。但从火区温度图上看(图版Ⅰ-2)，仍有大片高温区(即焖烧区)存在，面积约16.26 km²。4月18日23：28 EOS/MODIS卫星资料分析，迭部林火区没有发现任何高温点，可以判断林火已基本熄灭。

3 前期干旱监测 3.1 植被特征

植被水分状况作为一个自然生态因素，是决定森林火险的主要因子，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，如引燃概率、引燃时间，间接影响林火强度、林火蔓延速度等，它具有冷却效应，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，在干旱条件下，土壤水分是影响植被生长的主要因素，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，对近红外光有强烈的反射作用，MODIS的通道1(0.62~0.67 μm)和通道2(0.84~0.88 μm)则处在红外和近红外波段范围内。从2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2个通道组合的方法来突出植被信息，最常用的是归一化植被指数(郭铌等，1997)，具体运算公式如下：

式中：NDVI是归一化植被指数，CH1、CH2分别是MODIS1、2通道的反射率。

利用2002年4月21日及2003年4月15日的白天正轨资料做2003年的植被长势分析, 通过对火灾发生地及其周围200多个像素点(图中的方框区域)的归一化植被指数做定量分析(图版Ⅰ-3)，结果表明，2002年区域内的平均植被指数为0.40，2003年为0.33，下降了17.5%，说明2003年4月达拉林场及其周边的植被长势差于2002年同期，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，有利于迭部火灾发生和蔓延。

3.2 土壤水分

MODIS资料31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，昼夜温差大；而土壤含水量高时，昼夜温差小(余涛等，1997)。选达拉林场及其周边地区为研究区域，对区域内200多个像素点的31通道的昼夜亮温做定量分析，分别计算了2002年4月上、中旬及2003年4月上、中旬的平均昼夜亮温差, 计算表明，研究区域内2003年的平均昼夜温差为26 K，而2002年的为17 K。表明2003年4月土壤湿度较2002年偏小，土壤干燥。

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，人烟稀少、交通不便，常规方法对火灾的监测有很大的缺陷，经常出现漏测现象，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，利用其可以连续地跟踪监测火灾发展的动态过程，提供详细的火区位置、面积、温度变化等(易浩若等，1998)。设一指数K：

式中：T₂₀为20通道(3.66~3.84 μm)亮温，T₃₁为31通道(10.70~11.20 μm)亮温。

利用K值来描述火点及周边地区在20与31通道的亮温关系。在正常环境K值是一个相对固定的值，当接近火区时K值会发生跳跃，而达到火区时K值再次发生变化。

图版Ⅰ-4是根据K值划分的4月15日23：00火区分布图。从图中可以看出火区的中心位置大约在33.84°—33.90° N，103.23°—103.32° E的范围内的空心矩形(K＞0.093)呈空心的矩形分布，火区内部为火灾的影响区(0.08＜K＜0.083)。产生这种分布的原因是，起火后，火都是从中心向四周蔓延，中心地带由于草木资源的耗尽火势逐渐减弱直至熄灭，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。K值越大，表明火势越强，根据K＞0.093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15日23：00火区面积约20 km²。

5 过火面积估算

一般情况下，过火区由于植被遭不同程度地破坏而发生“黑化”使得该地的植被指数有不同程度的下降，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，从而达到估算过火面积的目的(张广英等，2005)。因为近红外波段是叶子是否健康的敏感标志，MODIS的通道1的波长范围属于可见光范围，对陆地信息探测是其主要用途之一，通道2的波长范围处于近红外波段，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，根据植被指数的差异很容易判出过火面积。

根据4月17日和15日中午过境的EOS/MODIS卫星资料计算分析，截止17日12：00，迭部森林火灾过火面积约为27.5 km²。其中严重过火区2.125 km²，重过火区9.375 km²，中等过火区面积16 km²。过火区分布如图版Ⅰ-5所示。

6 结语

EOS/MODIS遥感监测提高了对森林火灾、干旱的监测和预报能力，有效避免了常规监测手段在时间、空间上的不足，为甘肃森林防火提供了极具潜力的技术支撑。

由EOS/MODIS获得的31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，可作为预测林火发生、估计火险大小的指标之一。2003年4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，有利于火灾发生和蔓延。

利用EOS/MODIS可连续跟踪监测火灾发展的动态过程，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，可达到估算过火面积的目的。