遥感原理在森林火灾监测中的应用

中南大学2012-2013学年本科生遥感实习-遥感在森林火灾中的应用2013/7/4第1页共14页中南大学本科生遥感实习报告实习题目：遥感在森林火灾监测中的应用----以2002年大兴安岭重大森林火灾为例实习时间：2013年6月24日-7月5日中南大学2012-2013学年本科生遥感实习-遥感在森林火灾中的应用2013/7/4第2页共14页目录0引言-------------------------------------------------------------------------11研究区概况----------------------------------------------------------------12火点类型介绍-------------------------------------------------------------13遥感火险监测原理-------------------------------------------------------23.1火灾点的识别和定位------------------------------------------------------------23.2过火面积的估算------------------------------------------------------------------24数据简介及研究方法----------------------------------------------------34.1数据来源--------------------------------------------------------------34.2Landsat-7数据格式--------------------------------------------------34.3本课题使用的数据--------------------------------------------------34.3.1火灾点定位使用的数据---------------------------------------------------------------44.3.2火灾前后植被覆盖对比使用的数据------------------------------------------------44.4研究方法--------------------------------------------------------------44.5数据处理--------------------------------------------------------------54.5.1着火点定位------------------------------------------------------------------------------54.5.2火灾前后研究区归一化植被指数NDVI计算比较------------------------------85总结-------------------------------------------------------------------------96实习心得-------------------------------------------------------------------9参考文献------------------------------------------------------------------------10有关文献摘要------------------------------------------------------------------10中南大学2012-2013学年本科生遥感实习-遥感在森林火灾中的应用2013/7/4第1页共14页0引言：森林火灾不易及时发现，一旦失去控制往往造成较大的经济损失。同时，火灾对生态平衡和环境造成一定的负面影响，它改变植被的物理状况，向大气中释放各种温室气体。因此，对森林火灾进行及时、准确地监测和定位显得尤为重要。依靠地面人工和飞机进行森林火灾的监测，不仅费用高，存在盲区，而且时效性差，监测精度不高。遥感（RS）以其动态实时、更新速度快、覆盖面积大等特点成为研究森林火灾预防和监测的重要重要数据来源，已被许多学者应用于森林火灾的预警、动态监测和灾后评估中。1研究区概况：大兴安岭位于黑龙江省、内蒙古自治区北部，北起黑龙江畔，南至西拉木伦河上游谷地，全长1200多公里，宽200-300公里，海拔1100-1400米，面积为835万hm2，是我国最北又面积最大的林区（50°10′-53°33′N，121°12′-127°00′E）。该区为我国森林火灾高发区且危害最严重，2001--2010年10a评价过火面积为4.87×104hm2]1[，是全国年平均过火面积的3.66倍，其年森林过火面积居全国之首]2[。2002年7月27日，建国以来有记载的最大的一次森林火灾在大兴安岭北部林区蔓延。自2002年6月以来，全球气候异常，美、加、俄等国相继发生多起森林大火。进入7月，我国东北、内蒙古北部地区持续高温干旱，降水量比历年同期减少六至八成，并出现了异常活跃的干雷暴天气。经国家林业局确定，此次大兴安岭森林火灾即由雷击引发。此次火灾爆发于无通行道路的原始森林，交通不便；且长期干旱使灭火水源短缺；地下火与地表火同时出现，尤其是森林里累积的腐殖层燃烧形成地下火，以致风力灭火机等现代化工具束手无策，只能依靠人工挖开腐殖层直至土层或岩石层，形成隔离带，才能有效控制地下火。再加上在扑救过程中，当地又频发干雷暴，引发新火点，造成火场多而分散，牵制了兵力，给扑救工作增加了更大难度。2火点类型介绍卫星遥感监测到的火点有多种类型,例如森林火灾、火山活动、工业热点和中南大学2012-2013学年本科生遥感实习-遥感在森林火灾中的应用2013/7/4第2页共14页农作物秸秆焚烧等,为了满足各种不同应用的需要必须将这些火点加以区分。对于森林防火应用来说其他类型火点成为必须加以过滤的噪声点。识别森林火灾的依据是火点像元所在的地表是否属于森林类型,包含森林地理信息的地表类型数据是识别森林火灾的前提]2[。张雪芬等]3[在多年森林火灾遥感监测的基础上,利用3S技术建立了自动化、流程化的河南省森林遥感防火系统。该系统的资料接收、处理、服务等都实现了软件支持,使火点监测图像、气象和森林火险预报与地理信息叠加。3遥感火险监测原理3.1火灾点的识别和定位：火灾发生点属于高温目标，高温目标遥感影像特征识别是建立在普朗克(Planck)定律、维恩(Wien)位移定律、斯特藩一玻尔兹曼(Stefa~Boltzmami)定律和基尔霍夫(Kirchho均基础之上。但需要注意的是,它们都只是对于绝对黑体才是正确的,是本文所研究的高温目标的理想化模型,在实际计算过程中必须针对具体情况进行分析。Wein定律可表述如下:λmaxT=2897·8μm·K(1)]4[从式(1)可知,黑体辐射能力最大值所对应的波长λmax与其绝对温度T成反比,物体的温度越高所对应的辐射波长就越短。一般地,红外波段的通道适于火情监测。红外通道探测到的是物体的辐射强度,由Stefan—Boltzman定律:E=σT4]4[(其中σ=5·6693×10-3W·m-2·k-4)可知,物体的辐射能力E与其绝对温度T的4次方成正比。物体的温度越高辐射能力就越强,反之亦然。反映在卫星图像上是温度越高颜色越深。Landsat7遥感中2.08~2.35μm通道的空间分辨率为30m,主要应用领域是探测高温辐射源，如监测森林火灾、火山活动等，区分人造地物类型，岩系判别。3.2过火面积的估算森林火灾发生后，其地物的光谱特征与火灾发生前相比显然发生了明显的变化，一般地由于地物部分或者全部被火烧毁，地物颜色将变深变暗，从而会导致在可见光波段的光谱反射率有明显的下降，因此经过分析，本研究采用森林火灾中南大学2012-2013学年本科生遥感实习-遥感在森林火灾中的应用2013/7/4第3页共14页前后归一化植被指数NDVI的变化来建立林火面积估算模型，并通过统计分析确定面积估算的量化判识指标，继而根据火灾前后的植被覆盖状况进行对比，估计其过火面积。归一化植被指数]5[3434TMTMTMTMNDVI.使用波段运算即可得出。4数据简介及研究方法4.1数据来源本次实习所选影像来自美国NASA的陆地卫星（Landsat）计划中的Landsat-7ETM+影像数据。获取方式为从遥感数据平台网站上下载。Landsats和Landsat-7具有8比特的辐射分辨率,为了避免出现像元亮度饱和或者过暗,ETM+的热辐射6波段具有高低两种增益设置,在格式1时总设置为低增益,在格式2时总设置为高增益低增益设置是为了使传感器辐射亮度增加的缓慢一点,以监测到强的辐射;高增益设置是为了使传感器辐射亮度增加的快一点,以监测辐射的细微变化,其他波段没有增益设置改变问题。Landsat是一个实用化的卫星系统,从卫星传感器的监测能力、可持续性、地面站系统和分发系统,工作都比较通畅,可以为用户提供lb数据产品。但是,有证据表明,陆地卫星没有后继星,数据的一可持续性无法得到保证,但是通过比较分析,一可以得到其替代的卫星数据。Landsat7搭载了高级专题制图仪(ETM+),其中ETM+Pan波段数据达到了15米的高空间分辨率。4.2Landsat-7数据格式Landsat-7数据格式有两种：一种是SYSTEMATIC级别数据，属于L2级，为系统几何校正产品，文件夹包含9个波段文件（热红外有低增益和高增益两个），1个HTM文件（热红外波段组的头文件），1个HRF文件（可见光和短波红外波段组头文件），1个HPN(全色波段组头文件)。另外一种是L4级别数据，为高程校正产品，文件夹包含3个TIFF文件，1个HTM文件（热红外波段组的头文件），1个HRF文件（可见光和短波红外波段组头文件），1个HPN(全色波段组头文件)。4.3本课题使用的数据中南大学2012-2013学年本科生遥感实习-遥感在森林火灾中的应用2013/7/4第4页共14页4.3.1火灾点定位使用的数据对火灾点进行定位时使用的是2002年7月27日（即火灾发生第一天当天）大兴安岭北部Landsat-7EYM+L4级影像，参数如下：GRANULEIDP_LS7ETM_20020727_000000_000000_121023_GEOTIFF_L4PATH_NUMBER121ROW_NUMBER023UPPER_LEFT_LONGITUDE122.869241809561UPPER_LEFT_LANTITUDE54.1194549525602LOWER_RIGHT_LONGITUDE126.418623978868LOWER_LEFT_LANTITUDE52.0745806065089SATELLITELANDSAT-7IMAGING_TIME2002/7/270：00：00MAP_PROJECTIONTMEARTH_ELLIPSOIDWGS84SUN_AZIMUTH147SUN_ELEVATION52.6CORRECTION_LEVELL44.3.2火灾前后植被覆盖对比使用的数据对过火面积进行估计时使用的数据是2002年5月24日和9月13日大兴安岭北部Landsat-7EYM+L4级影像，参数如下：GRANULEIDP_LS7_ETM_200200524_000000_000000_121023_GEOTIFF_L4P_LS7_ETM_20020913_000000_000000_121023_GEOTIFF_L4PATH_NUMBER121121ROW_NUMBER023023UPPER_LEFT_LONGITUDE122.864622194629122.850444