摘要：利用這種中等分辨率衛星數據能夠對小的火點（如田間秸稈燃燒的火點）進行監測。凡是具備短波紅外波段的衛星，都具有監測火點的能力，目前主要有Landsat-8（短波紅外地表分辨率30米）、中國資源一號04星（短波紅外分辨率40米）、Sentinel-2衛星（短波紅外分辨率20米）等。

來源： 中國科普博覽

最近，全球各地屢屢發生火災。就比如今天刷屏朋友圈和熱搜榜的#巴黎聖母院大火#，令人痛心惋惜。

當地時間15日傍晚，北京時間16日凌晨，有800多年曆史的法國巴黎聖母院突發火災，大火燃燒猛烈，現場濃煙滾滾，聖母院的塔尖坍塌。目前，火勢已趨於穩定，消防員稱，聖母院主體結構被“拯救”。

現場畫面↓

巴黎聖母院標誌性塔尖坍塌（圖片來源央視新聞）

面對火災，你可知道天上有很多‘千里眼’可以監測火情？這些‘千里眼’其實就是遙感衛星。遙感衛星以其大面積、高時效、受限條件少等優勢，能夠有效地監測火點的發生，對相應的監管和撲救進行預警，對政府的監控和管理具有十分重要的意義。

遠隔千里，遙感衛星如何發現地面火點

地球表面上的一切物體， 如土地、水體、森林、草場、農作物、空氣等， 因其具有不同的溫度和不同的物理化學性質，處於不同狀態， 因此它們具有不同的波譜特性， 會向外界輻射不同波長的電磁波。

圖3 遙感技術原理示意圖

植被在沒有燃燒時， 植被及地被物發出的輻射稱爲背景輻射。植被燃燒時主要輻射源是火焰和具有較高溫度的碳化物。利用背景輻射和植被燃燒時輻射的差異， 可以從衛星遙感信息中即時發現火情， 並監測燃燒狀態和蔓延趨勢。

在森林或者秸稈有火情發生時，過火區域因爲植被遭到破壞，期光譜不再具有正常植被的特徵，近紅外波段反射率下降，在短波紅外波段由於缺少植被冠層覆蓋，降低了溼度，反射率有所增加；而正常植被在短波紅外波段因爲葉片水分的吸收作用，常形成吸收谷。

過火區域和未過火區域在近紅外和短波紅外兩個波段形成明顯差異，因而常用這兩個波段來突出火點的發生。

由於過火區域的亮度溫度有所增加，因此也有研究將熱紅外波段加入進來共同監測火點。圖4顯示的是Landsat8衛星圖像上火點和非火點的光譜曲線。A圖顯示的三個不同火點的光譜曲線，可以看出在波段6和波段7兩個短波紅外波段的數值明顯高於其他波段，而在B圖中顯示的其他地物則沒有這種現象。就是通過此種差異，加上衛星熱波段的不同，來共同監測火點。

圖4 火點和非火點地物光譜曲線（A圖爲火點的光譜曲線、B圖爲非火點地物的光譜曲線）

全球火點監測中必不可少的手段

遙感衛星特有的光譜特性以及週期重複等特點，使得能夠及時準確的發現並標記火點，提供詳細的火點位置，大大降低人工參與成本。目前衛星遙感監測手段已經成爲全球火災監測中必不可少的手段，在全球大面積火點監測中發揮着異常重要的作用。

森林火災

森林火災是一種極其複雜的自然現象，其發生具有隨機性、普遍性和必然性的特點。受可燃物類型、火環境以及火源條件等因素綜合影響，目前還無法做到對林火發生發展的準確預測。但是通過遙感等手段能夠快速準確發現林火、跟蹤林火行爲和狀態。

圖5展示的2017年5月17日發生在大興安嶺那吉林場的火災，遙感衛星所檢測出的火點，四幅圖分別是從2017年5月17日火災發生一直到5月20火情基本撲滅，遙感衛星影像上發現火點的位置。

圖5 2017年5月17日到5月20日遙感監測的大興安嶺那吉林場的火點情況

從中可以看出，由於火點的高溫屬性，即便在有云霧遮擋的情況下，依然能夠發現火點的情況。

圖6展示的是利用2017年5月18日短波紅外合成的那吉林場火場的情況，可以清楚看出火線的位置，以及火燒跡地的範圍。

圖6 2017年5月18日利用短波紅外合成的那吉林場火燒狀況的假彩色圖

秸稈燃燒

傳統的秸稈燃燒監測，主要是人爲參與式實地調查方式，雖然可以精確地測量燃燒區，但是需要耗費大量的人力、物力和財力且調查範圍相當有限，時效性受到很大的限制。

而以遙感衛星數據爲基礎的熱源探測方法，可以快速生成大片區域的調查報告。圖7展示的是2017年10月份利用遙感短波紅外合成的哈爾濱地區的假彩色圖，圖中呈現橙色或者紅色的區域就爲秸稈燃燒的名火點，部分還具有藍色的煙柱，從中呈現出哈爾濱該區域的秸稈燃燒的狀況。

圖7 哈爾濱地區遙感假彩色圖，可以看出有大量秸稈燃燒點（衛星數據：Landsat-8）

從該遙感圖像中可以很容易提取出火點，圖像本身也可以作爲底圖進行佐證。通過遙感衛星，能夠快速有效地檢測出這些火點，及時警報，以便管理部門進行有效的監管。

監測地表火點的衛星“天團”

國際上最早被用於高溫目標監測的衛星包括美國航空航天管理局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）的地球同步業務環境衛星（Geostationary Operational Environmental Satellite， GOES），以及美國海洋與大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration， NOAA）的極軌衛星。

兩個衛星系列設計的主要目的是提供環境和氣象的業務化監測，其搭載的中紅外通道（3.7~4μm）和熱紅外通道（10~11μm）可被用於監測火點。從上世紀 80 年代初至今，已積累了近 30 年連續的區域及全球火點分佈數據，被廣泛用於森林火災的監測與預警、生物質燃燒排放估算以及生態及氣候影響評估。

搭載在Terra和Aqua衛星上的MODIS傳感器是目前廣泛使用的用於生產火點產品數據的傳感器。2011年NASA與NOAA發射了後續的NPP衛星。NPP衛星上搭載了可見光紅外成像儀，它可以收集陸地、大氣、冰層和海洋在可見光和紅外波段的輻射圖像，是MODIS中分辨率成像光譜儀的後續改進產品。其火點產品地面分辨率達375米。VIIRS可見光紅外成像輻射儀產品的時間分辨率比較高，每天都過境。此外，我國的風雲衛星也具備紅外觀測能力。

上述衛星的空間分辨率屬於中低分辨率衛星範疇。

以Landsat-8爲代表的中等分辨率陸地資源衛星是另一類適合監測地表火點與高溫點的衛星。這類衛星具有較高地面分辨率的短波紅外波段。短波紅外對600K-1500K的地表溫度非常敏感。而秸稈燃燒的溫度在600K-800K之間，正好落在短波紅外的敏感區間內。利用這種中等分辨率衛星數據能夠對小的火點（如田間秸稈燃燒的火點）進行監測。

圖8 Landsat-8遙感衛星

凡是具備短波紅外波段的衛星，都具有監測火點的能力，目前主要有Landsat-8（短波紅外地表分辨率30米）、中國資源一號04星（短波紅外分辨率40米）、Sentinel-2衛星（短波紅外分辨率20米）等。這些數據的地表分辨率遠高於傳統MODIS數據。火點數據有很高的地理定位精度。從這類衛星上提取的火點數據能夠精準地定位到田間地頭，不僅僅能夠及時發現火點的位置，也能對後續的管理追責起到重要的信息支持作用。

中科院遙感與數字地球所楊進團隊，根據森林火災和秸稈燃燒火點的特點，綜合利用中低分辨率的遙感數據，進行火情的監測。低空間分辨率的遙感衛星具有較短的重訪週期，可以生成一天多次的火點監測產品，大大提高了大範圍火點監測的頻率；而對於較小精細的火點，利用中分辨率數據進行實時分析，及時監測如秸稈燃燒等細小火點。

結合多顆遙感衛星，可以大幅度提升地表火點的監測水平，以滿足監管部門的需求。目前已經開發了一個提供在線火點查詢服務的網站（http://satsee.radi.ac.cn：8080/index.html）。圖9展示的是該系統監測到某區域秸稈燃燒的狀況。

圖9 某村落附近農田秸稈燃燒情況

未來……

在國家中長期民用空間基礎設施規劃中，預計到2025年，我國將發射三十多顆氣象、環保、資源遙感衛星與高性能靜止軌道氣象衛星。衛星對地面成像能力大大提高，對需要監測的區域實現高頻次的觀測，觀測頻次可以實現幾十分鐘一次。

屆時將建立一星多用、多星組網、多網協同、數據集成服務的相關機制。衛星數據使用的廣泛度、普及度與應用深度將遠超過當前，遙感衛星將真正成爲監視火點的“火眼金睛”。