2004, 15 (3): 273-280
近些年来，气象卫星在火情监测方面的应用得到了广泛的开展，已成为森林、草原防火日常业务的重要组成部分。目前，向防火部门提供的气象卫星火情监测信息主要是火点位置和范围，即含有火点像元的经纬度及有关地理信息。
极轨气象卫星AVHRR扫描辐射计第三通道 (中红外波段，波长为3.55~3.95 μm) 对高温热源非常敏感，经处理分析后可从图像上判识出10-1 hm2量级的火点。而AVHRR的分辨率较低，星下点像元分辨率为1.1 km，面积约120 hm2。在日常火情监测中，经常监测到数个或数十个含有火点的像元。如果以像元分辨率表示明火区面积，则明显夸大了明火的实际面积。尤其在春秋季高火险期间，常常在大范围区域同时出现许多大大小小的火点群。此时防火部门需要了解哪些火点的火势相对较大，以便制订适当的防火扑火决策。
极轨气象卫星AVHRR探测器具有中红外、热红外波段的通道，根据热辐射原理，高温热源 (火点) 在中、热红外波段引起的辐射增长率有较大差异。而AVHRR红外通道资料特性 (空间分辨率和亮温动态范围) 使得在资料处理中较容易获取火点在中、热红外通道引起的差异。利用这一特点，建立相应的算法，可以估算混合像元 (含火点像元) 中明火区的实际面积及温度。
1 AVHRR红外通道对高温热源敏感程度分析 1.1 AVHRR通道特性极轨气象卫星 (包括风云一号和NOAA卫星) AVHRR均有波长范围在可见光、近红外、中红外、热红外波段的5个通道。表 1列出各通道特性:
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表 1 AVHRR通道特性 |
AVHRR资料为10比特，量化等级为0~1023，辐射分辨率较高。而星下点空间分辨率为1.1 km，卫星观测到的像元辐射率是该像元覆盖范围内所有各部分地物辐射率的加权平均值，即:
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(1) |
式中Nt为卫星观测到的该像元辐射率，t为辐射率Nt对应的亮温，ΔSi为像元中第i个小子区面积，N Ti为该子区的辐射率，Ti为该子区温度，S为像元总面积。
1.2 AVHRR不同红外波段辐射率变化率随温度增长的差异根据维恩位移定律:
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黑体温度T和辐射峰值波长λmax成反比，即温度愈高，辐射峰值波长愈小。
常温 (约300 K) 地表辐射峰值波长在9.6 μm左右，靠近AVHRR CH4波长范围，林火燃烧温度一般在600 K以上，其热辐射峰值波长在4.5 μm左右，靠近CH3波长范围。因而常温地表和高温热源 (火点) 在红外波段黑体辐射有明显差异。
Matson M[1]在1984年曾对CH3和CH4在含火点像元亮温的明显差异进行过分析，发现含火点像元和周围背景像元的亮温差异可达数十度。
从图 1中可看到，当温度增高时，CH3辐射率变化率曲线迅速增大，而CH4，CH5变化缓慢。通过计算可知，当温度从300K增至700K时，CH3辐射率变化率增大约250倍，而CH4仅3倍左右。
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| 图 1. 对普朗克黑体辐射公式中温度求导后所反映的CH3, CH4, CH5辐射率随温度增长的变化率曲线 | |
1.3 AVHRR CH3，CH4，CH5混合像元亮温增量随亚像元火点面积和温度变化的差异
当地面出现火点时，含有火点的像元 (以下称混合像元) 辐射率可由下式表述:
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(2) |
其中:Nif为混合像元辐射率，P为火点 (即明火区) 亚像元面积占像元面积百分比，Nihi为亚像元火点辐射率，Nibg为火点周围背景辐射率，Thi为亚像元火点温度，Tbg为背景温度，i=3，4，5，表示AVHRR红外通道序号。Vi为通道i的中心波数，C1，C2为常数。
由于AVHRR分辨率较低，一般的明火点仅占像元面积的很小部分。对于较高温度的火点，在CH3辐射率可能增加几十倍甚至几百倍，从而引起CH3混合像元的辐射率明显增大，由此计算的亮温值也将明显增高。
设红外通道混合像元亮温较背景像元亮温的差异 (增量) 为ΔTi，则:
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(3) |
图 2反映将火点温度Thi为500 K，背景温度Tbg为290 K代入式 (3) 时，CH3，CH4，CH5混合像元亮温与背景像元亮温差异随火点面积和温度的变化程度。
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| 图 2. 背景温度为290K、火点温度为500 K时, CH3、CH4和CH5混合像元亮温增量随明火点面积 (占像元面积比例P) 变化关系曲线 | |
从图 2可看到，当火点面积增大时，CH3混合像元亮温较背景像元亮温的增量急剧增大，当火点面积达到仅为像元面积的1 %左右时，CH3混合像元亮温增量已达到40 K，而CH4，CH5混合像元亮温较背景像元亮温虽然也有增量，但远不如CH3明显。当火点面积达到像元面积的12 %左右时，CH4，CH5混合像元亮温增量才达到40K左右。
2 亚像元火点面积及温度估算方法由于气象卫星对地面高温热源十分敏感 (相对其分辨率而言)，可识别的高温热源点的辐射率可相差数十倍，由此对应的火点面积也可相差几十倍。同时，影响森林、草原火点温度的因素也很多，不同种类 (林木，草种) 的燃烧温度可能有较大差异，风力的影响也非常之大。因此，不同火区的温差可能很大。
在式 (2) 中，Tbg(背景温度) 可由混合像元周围非火点像元获得近似值。因而在式 (2) 有P(亚像元火点面积占像元面积比例)，Thi(火点温度) 两个未知数，用单个红外通道建立的混合像元表达式无法估算亚像元火点面积或温度。
根据AVHRR红外通道特性 (亮温动态范围和空间分辨率)，高温热源在不同波段红外通道的辐射增量有明显差异，根据这一特点，建立合适的算法，可以利用不同红外通道的辐射值估算明火点的实际面积及温度。
Dozier J[2]曾提出利用图解法查找根据CH3(3.7 μm) 和CH4(11 μm) 通道估算亚像元火点面积和温度的方法，使用十分不便，无法在业务中应用，并且未考虑3.7 μm饱和的情况，而这在业务监测中经常遇到。
本文提出利用AVHRR资料不同通道组合估算亚像元火点面积和温度的3种方法，包括:①CH3(3.7 μm) 和CH4(11 μm) 通道；②CH4和CH5(11 μm和12 μm) 通道；③近红外 (1.6 μm) 和远红外 (11 μm) 通道。
可根据卫星遥感火情监测中的实际情况选择其中适合的一种方法。当CH3亮温未达饱和时，选用方法①；当CH3亮温饱和时，选用方法②；当在1.6 μm通道有火情信息反映时，选用方法③(风云一号AVHRR第6通道和NOAA-K，L，M卫星白天的第3通道播发1.6 μm观测资料)。
2.1 利用CH3(3.7 μm) 和CH4(11 μm) 通道估算亚像元火点面积和温度根据式 (2)，可建立一组CH3，CH4混合像元表达式:
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(4) |
并建立有关P和Thi(即式 (4) 展开式中的亚像元火点温度) 的方程组:
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(5) |
这是一个二元非线性方程组，本文用牛顿迭代法求解这一方程组中亚像元火点面积比例P和火点温度Thi的方法。迭代精度可达10-4以上。
设火点混合像元CH3=320 K，CH4=284 K，背景像元亮温Tbg=282 K。利用牛顿迭代法对火点亚像元面积比例和温度估算结果为:P=0.286 %，T=608.4 K。
得到P值后，再乘以像元面积 (计算方法略)，便可得到亚像元火点面积。
2.2 利用CH4，CH5(11 μm和12 μm) 通道估算亚像元火点面积和温度极轨气象卫星红外通道的亮温上限一般在320~330 K左右，地面出现火点时，CH3的辐射率将急剧增长，很容易饱和，即达到亮温上限。表 2列出当像元中火区温度为500 K至700 K，CH3，CH4，CH5混合像元亮温达到上限时的亚像元火点面积比例P的饱和限度 (占像元面积百分比)。其中可看到，若火区温度为700K，亚像元火点面积仅为像元面积的0.127 %时，CH3亮温值就已达到上限，因而不适于有关亚像元火点估算。而在实际的火情监测中，一般稍大的火点 (含七、八个像元以上) 即会出现CH3饱和情况。
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表 2 CH3, CH4, CH5在火点温度为500 K至700 K, 混合像元亮温饱和时, 亚像元火点面积P的饱和限度 (占像元面积比例) |
从表 2还可看到:CH4，CH5对火点等高温目标的面积饱和限度比CH3高一个量级。在火情监测中，确实也极少出现CH4，CH5饱和的情况。本文提出利用CH4，CH5资料估算亚像元火点温度与面积的方法如下:
由于CH4和CH5的波长很接近，其亚像元面积比例P函数曲线的切线斜率也很接近，因此对CH4，CH5混合像元表达式，无法用牛顿迭代法解出P和T值。
从图 1中CH3，CH4，CH5辐射率随温度增长的变化率曲线可看到，当温度增高时，CH4辐射率增长率大于CH5。因而当出现火点时，CH4的辐射增量将大于CH5的辐射增量，从而引起两个通道亮温增量的差异增大。
有关CH4亮温增量的表达式和CH4与CH5亮温增量差异的表达式如下:
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(6) |
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(7) |
从图 3可看出，当P变化时 (分别取0.3 %和0.4 %)，将形成一组组斜率不同的CH4D和CH45D曲线。由于CH4D和CH45D有关P，T的函数均为单调递增，因此对应每一对P，T均有相应的，也是唯一的一组CH4D和CH45D值。而我们需要建立的是从CH4D，CH45D获取P，T的关系。
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| 图 3. 当P分别为0.3 %和0.4 %, 火点温度T从500 K增至1000 K时, CH4D和CH45D的变化的两组曲线 | |
根据以上所述P，T与CH4D，CH45D的关系，可以建立一个P，T对应CH4D，CH45D的查阅表，通过这一查阅表，可从CH4亮温增量CH4D和CH4与CH5亮温增量的差异CH45D检索到对应的亚像元火点面积比例P和温度T的估算值。这里简要介绍建立查阅表的过程和使用方法。步骤如下:
(1) 将P，T值代入式 (7) 和式 (8)，P的单位增量为0.1 %。T的单位增量为10 K。生成多个在不同背景温度下，有关P，T→CH4D，CH45D的数组。
(2) 建立CH4D，CH45D→P，T关系数组。P数组和T数组中每一个元素值取自对CH4D数组和CH45D数组检索的对应元素值。
(3) 检索火点亚像元面积和温度。利用混合像元的CH4D和CH45D即可检索到P，T数组中对应的元素地址 (I，J)，从而得到P，T值。
2.3 利用短波红外 (1.6 μm) 和热红外通道 (11 μm) 估算亚像元火点面积和温度卫星从1.6 μm通道获取的辐射主要是来自太阳辐射的反射，在不考虑大气影响情况下，地表在1.6 μm通道对太阳辐射的反射率达到100 %时，反射太阳辐射的辐射率约为:NRFS ≈17 mW/(m2·sr ·cm-1)。
地表在常温情况下 (300 K)1.6 μm波长的辐射出射度极为微小，仅为2.8367 ×10-7mW /(m2·sr·cm-1) 左右，只有当地表温度达到700 K以上时，其辐射出射度才达到可和反射太阳辐射率相比的程度。而森林、草原火灾是有可能达到700 K以上高温的。在FY-1C，FY-1D和NOAA-16及EOS/MODIS资料的1.6 μm通道图像中，多次出现火点的明显反映。
通过提取1.6 μm通道混合像元中的热辐射信息，可估算亚像元火点面积和温度。其估算方法如下:
首先由周围背景像元的反射率和太阳在1.6 μm波长垂直于大气层顶部的辐照度估算混合像元发射的辐射率，然后建立1.6 μm通道混合像元表达式，并和远红外通道混合像元表达式建立联立方程组 (因NOAA-16在播发1.6 μm资料时，关闭3.7 μm中红外通道)，再用牛顿迭代法即可进行计算。
假定在含火点混合像元和背景像元中1.6 μm的反射率和11 μm通道 (CH4) 的亮温分别为:
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由混合像元和背景像元1.6μm通道反射率差异可计算得到1.6 μm通道发射的辐射率约为4.34 mW/(m2·sr·cm-1)。
由此可建立1.6 μm通道混合像元表达式，经和11 μm通道混合像元表达式建立方程组，利用牛顿迭代法解得有关亚像元火点面积比例P和火点温度T分别为:
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可以看到这一估算结果远超过一般情况利用CH3，CH4估算的结果，实际上在1.6 μm通道出现火点的情况很少，只有在较大火情发生时有可能出现这一情况。
3 亚像元估算应用举例图 4为利用NOAA-14卫星2001年10月5日7 :41(世界时) 资料对大兴安岭地区的中红外通道 (CH3) 火情监测图像。图中箭头所指处为位于内蒙古自治区呼伦贝尔盟的一处含有15个像元的火点。
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| 图 4. NOAA-14卫星2001年10月5日07 :41(世界时) 资料AVHRR CH3图像 | |
表 3为对该处火点进行亚像元估算的结果。该处火点共有15个像元，其中有4个像元 (序号为0，10，11，14) 使用CH3，CH4资料估算，其余像元由于CH3饱和，均用CH4，CH5资料估算。
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表 3 2001年10月5日对内蒙古自治区呼伦贝尔盟一处火点的亚像元估算结果 |
4 讨论与结论
由于气象卫星资料分辨率覆盖范围较大，实际火场的动态变化也有一定的随机性，目前还无法得到与卫星观测时间和空间完全匹配的地面火情实测资料。但从利用以上方法研制软件的初步应用结果看，亚像元火点面积和温度估算方法可以有效地反映各火点像元火势程度的大小 (即亚像元火点面积的大小和温度的高低)。在多幅亚像元火点估算结果显示图中，可看到具有较高火势的火点 (即亚像元火点面积较大，温度较高) 一般位于羽状或片状烟区的顶端或边缘，这是由于风力加剧了林火的蔓延和燃烧强度。
通过该方法研制软件对2002年8月内蒙古原始林区火情和同期俄罗斯远东林区火情，以及2001年10月我国黑龙江北部林区火情的估算分析，内蒙古原始林区火区的高火势像元 (即亚像元火点面积较大，温度较高) 数目远少于同期俄罗斯远东林区和2001年10月我国黑龙江北部林区的高火势像元，反映了此次原始林区地下火、近地面火较多，树冠火较少的特点。另外，在日常业务中监测到的大量焚烧农作物秸秆的火点的亚像元火点面积和温度均较小和较低。
在亚像元火点估算方法应用于监测业务时，以下几点需要加以考虑:
(1) 背景温度的选取方法以及对估算火点亚像元面积的影响混合像元背景温度的选取可以参考周围与混合像元下垫面类型相同的像元亮温，但是许多火点是由多个相连的火点像元 (混合像元) 组成，因此如果仅考虑混合像元周围的固定像元来计算，容易将其它火点像元带入计算。另外，实际监测中火点像元紧邻的像元一般亮温高于背景，否则会被当作噪声点。因此紧邻像元不适于当背景。
(2) 亚像元火点面积估算的概念对草原、林区 (南方和北方可能不同)、农田、工矿等不同下垫面，亚像元火点面积的意义不同。对草原及东北林区多是指火线；对南方林区、农田烧作物杆及工矿区大多是面 (或片、点)。
亚像元火点估算的面积和温度仍然是一个平均值，在估算的亚像元面积中，还有可能有不同温度的分布，例如在这个高温区中更高的高温点。另外，显然对火点面积和温度的估算反映的是卫星观测的瞬间状态，其后有可能因当地风力、地形、可燃物密度等条件发生变化，因此应用时需考虑这些情况。
| [1] | Matson M, Schneider S R.Fire Detection Using the NOAA-Series Satellite.NOAA Technical Report NESDIS 7, 1984. |
| [2] | Dozier J, A method for satellite identification of surface temperature fields of sub-pixel resolution. Remote Sensing of Environment, 1981, 11: 221–229. DOI:10.1016/0034-4257(81)90021-3 |