機載全光譜遙感系統AisaFENIX1K為林火監測做出重要貢獻

森林火災是種很具有危害性的自然災害，是森林擾動的主要類型之，直接影響森林生態系統結構、碳循環甚至氣候的變化。近年來，航空平臺和傳感器的技術進步有效地提升了機載遙感系統探測和監測森林火災的能力，推動了機載遙感在森林可燃物調查及載量評估、火險測報預測、火場態勢及火情監測、災害損失評估以及火燒跡地生態修復治理等方面的應用。本文將主要介紹中國林業科學研究院機載光學全譜段遙感系統CAF-LiTCHy （即芬蘭SPECIM AisaFENIX1K機載光學全譜段遙感系統）和如何用系統所采集的多源遙感數據即正射影像、冠層高度模型、高光譜影像、熱紅外影像，分析其在森林火災監測評價中的潛力，并以四川省西昌市“3.30 森林火災”作為該系統火后災情遙感調查和災情評估應用示例，表明該系統可有效分析森林火災的災情信息、火場及火環境參數，可為預防、預報預警、撲救指揮、災害評估和生態修復提供支持。

中國林業科學研究院機載光學全譜段遙感系統CAF-LiTCHy （即芬蘭SPECIM AisaFENIX1K機載光學全譜段遙感系統），是由芬蘭SPECIM公司針對中國林業科學院光學全譜段地空綜合森林觀測系統及動態數據驅動森林火場全息模擬科研平臺定制產品，共包含5個傳感器：AisaFENIX1K全光譜高光譜相機、激光雷達、中波熱像儀、長波熱像儀以及高精度慣導系統，如圖1所示。這套系統也是上套可同時采集380-2500 nm高光譜以及中長波熱紅外數據的航空機載系統，將獲取用于林火監測預警、森林參數估測的溫度場影像和高光譜影像以及相匹配的數字地面模型，為我國森林防火預警做出重要貢獻。

圖1 CAF-LiTCHy即芬蘭SPECIM AisaFENIX1K機載遙感觀測系統

此次研究的數據采集主要是針對2020-03-30發生森林火災的瀘山風景區，在明火全部撲滅后，完成航飛采集任務。該地區的喬林木主要以云南松為主，零星分布少量赤桉、楊樹和櫟樹，林下有馬桑、杜鵑、坡柳等灌木，以及黃茅、草、 莎草、 紫 莖 澤 蘭等地被物。在春末干燥高溫環境下，易于發生森林火災，數據如圖2所示。

圖2 西昌森林過火區機載高光譜數據

結合高空間分辨率的機載 CCD 影像以及相關研究 （Lentile 等，2006； Veraverbeke 等， 2012；Meng 等，2017），將本次西昌森林火災的林火烈度分為未過火、輕度過火、中度過火以及重度過火等4個等。對于單株林木的林火烈度判讀標準如下：

（1） 未過火：冠層為綠色且保持原本形狀，枝葉結構未見火燒痕跡；

（2） 輕度過火：樹冠未全部被燒，綠色冠層占比 70% 及以上；

（3） 中度過火：樹冠的枝葉多數被燒黃或燒毀，綠色冠層占比 25%—70%；

（4） 重度過火：樹冠全部被燒，裸露出燒焦的黑色樹干，綠色冠層占比 25% 及以下。

圖3（a）、（b）分別展示了不同林火烈度的高分辨率機載CCD影像和高光譜影像，不同林火烈度的區域在真彩色和假彩色顯示影像中均可明顯區分，尤其在中度和重度過火區。

（a） 不同烈火程度的CCD影像

（b） 不同林火烈度的高光譜影像（R = 887.07 nm，G = 668.89 nm，B = 580.26 nm）

圖3 不同烈火程度的CCD影像和高光譜影像

圖4展示了機載高光譜影像中火燒跡地、正常冠層、中度過火冠層、水體、裸土、柏油路的光譜曲線征的光譜征的變化，以此作為高光譜數據用于過火區森林冠層評估的理論依據，從該圖中可以明顯地觀察到，相較于未過火的正常冠層，中度過火冠層由于葉片由綠變焦黃、葉綠素喪失，導致藍、紅光的吸收作用減弱，同時由于火燒導致葉片細胞結構發生變化，其葉片在800 nm—1100 nm 的反射峰明顯削弱，另外葉片含水量的降低導致其在 1450 nm、1950 nm 的吸收率降低，反射率升高。此外，重度過火區的樹木已成碳灰狀，使得該火燒灰燼區域在 400 nm—2500 nm區間內的反射率在 0.1 附近。由此可見，過火區不同典型地物的光譜曲線反映了本次采集和處理后的機載高光譜數據具備有效刻畫地物光譜性的能力，對確定過火區的林木冠層受害程度以及估測森林火災受害面積具有重要的理論依據。

圖4機載高光譜數據典型地物光譜曲線

其次高光譜影像以及其波段衍生的指數可以在空間上更有效地反映林火烈度，結合Haboudane 等（2008）和Huesca 等（2013）的研究結果，用高光譜數據的窄波段信息分別計算了修正型土壤調節植被指數 （MSAVI）]和歸化燃燒率指數 （NBR），本文選取機載高光譜影像的673.34 nm（紅 光 波 段）、804.22 nm（近紅外波段）以及2132.65 nm （短波紅外波段）的反射率來計算MSAVI與NBR，如圖5所示。在未過火區，MSAVI和NBR 均較高；在重度過火區，MSAVI 和 NBR 均較低。同時，結合CCD影像的林火烈度標準的目視判讀結果，用閾值劃分法對 NBR 進行林火烈度劃分。圖 5（d）展示了該區域林火烈度的空間分布，其中房屋、道路和裸地等非植被區也被歸類為重度過火區域，在進步的分析中可以結合分類結果或光譜征進行剔除。由上述結果可見，用高光譜數據及其衍生產品能在定程度上反映此次森林火災的受害程度，生成的林火烈度圖在空間上與林內實際過火狀況表現出很好的致性。

（a）機載高光譜影像（b）修正型土壤調節植被指數 （c）歸化燃燒率指數  （d）林火烈度

中國林業科學研究院機載光學全譜段遙感系統 CAF-LiTCHy集成了激光雷達掃描儀、熱紅外相機、CCD 相機、高光譜傳感器等 4 種對地觀測傳感器，可同時獲取觀測區域內地物的垂直和水平結構、光譜以及溫度等信息，其中，CCD 相機和高光譜相機具備對地物類型、植被狀態 （樹木冠幅、植被長勢、水分含量、葉面積指數等）、火災損失程度等災情信息觀測能力，其影像可用于地物類型識別、植被參數提取、火燒跡地識別、以及災情評估等，從而為火行為預報模型提供準確的可燃物及環境參數。   

參考文獻：

[1]. 龐勇，莢文，覃林，斯林，梁曉軍，林鑫，李增元 .2020. 機載光學全譜段遙感林火監測 . 遙感學報，24（10）：1280-1292

[2]. Pang Y，Jia W，Qin X L，Si L，Liang X J，Lin X and Li Z Y. 2020. Forest fire monitoring using airborne optical fullspectrum remote sensing data. Journal of Remote Sensing（Chinese），24（10）：1280-1292［DOI：10.11834/jrs.20200290］

公司背景：

芬蘭SPECIM公司很早就制作商用高光譜相機，從1995年至今已有二十余年的生產歷史，累計有5000余套設備應用于各個域，其產品擁有很好的數據質量。AISA 航空高光譜相機系列是針對航空和國防應用開發的業解決方案，涵蓋VNIR (380-1000 nm), SWIR (1000-2500 nm) 和用于熱成像的LWIR (7.6-12.4um) 光譜范圍。產品包括：AisaKESTREL系列—無人機載高光譜相機、AisaIBIS—超光譜植物熒光探測高光譜相機、AisaFENIX系列—全光譜（400-2500nm）采集高光譜相機、AisaOWL—熱紅外（7.5-12.5um）高光譜相機。其高光譜傳感器很好的性能，使ASIA系統成為在航空高光譜域的市場廠商，已有近100套系統在各個國家和地區使用。

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