（摄影测量与遥感专业论文）基于RS和GIS的森林火险等级预报研究.pdf

摘要 森林是人类的宝贵资源，森林火灾是破坏森林资源的重要因素之 一，我国是一个森林火灾频繁发生且森林资源匮乏的国家，鉴于我国 森林资源的实际状况和森林火灾的严重危害性，加强森林火险预测预 报和火灾监测工作，对于提高我国的森林覆盖率、保护生态环境和人 民生命财产安全，都具有特别重要的现实意义。 本文将r s 和g i s 技术结合在一起进行森林火险的预测预报和火 灾监测研究，从森林火环境的森林可燃物、气象要素、地形影响因素 出发，选取可燃物类型、可燃物湿度、气温、相对湿度、坡度、坡向、 海拔等若干主要因子，利用这些因子构建了三个划分火险等级的指 数：( 1 ) 地形危险指数( t d i ) 一由坡度、坡向、海拔计算；( 2 ) 天 气危险指数( w d i ) 一由空气温度、相对湿度计算；( 3 ) 可燃物危险 指数( f p i ) 一由可燃物类型( 可简单分为死、活可燃物) 中的死、活 可燃物湿度计算。用m o d i s 遥感数据反演获得气温，相对湿度，死、 活可燃物湿度等因子；g i s 数据主要是利用其获取研究区的植被分 布类型及生成d e m ，获得坡度、坡向、高程等因子。选取黑龙江和湖 南省等地为此次的研究区域，将获得的t d i 、w d i 、f p i 指数等相关信 息进行分析研究，结果表明，这三个指数与火险的等级有着密切的关 系，适合于应用到我国火险等级的划分中。 根据火点辐射与背景辐射的差异及m o d i s 数据火灾监测原理， 利用m o d i s 数据2 2 通道( 火点辐射) 和31 通道( 背景辐射) 亮温 构建一个火点指数f i ；根据只有当植被覆盖率达到一定程度时才会发 生火灾的情况，应用归一化植被指数( n d v i ) 对其火点提取精度进 行了修正，去除了因地表不是植被或植被稀少而不足以引发火灾的区 域，有效减少了因裸土或“城市热岛 效应引起的误判。针对黑龙江 省2 0 0 4 年1 0 月1 5 日发生的特大森林火灾的情况，提取了几种地物 的f i 、n d v i 值，分析了f i 、n d v i 值与不同地表类型的关系。经过 分析，相对于m o d i s 绝对火点识别算法，火点指数f i 法在提取精度 及提取速度上都有提高。 关键词森林火险预报，地形危险指数，天气危险指数，潜在火险指 数，森林火灾监测 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a rf o r e s tf i r eh a sb e c o m ean a t i o n a ld i s a s t e rf o rc h i n a b e c a u s eo fi t so nb i o d i v e r s i t y , l a n d s c a p e h e a l t ha n de c o n o m i cl o s s e s t h e s t u d yh a sd e v e l o p e dam o d e lu s i n gt h ei n t e g e a t i o no fr e m o t es e n s i n ga n d g i st o p r o d u c ef i r e r i s ki d e xm a p sw h i c hc o u l db em o d i f l e d i n t e r a c t i v e l yw i t hc h a n g i n gw e a t h e rc o n d i t i o n t h em o d e lr e i d e do nt h r e e s u b - i n d i c e s 一( i ) t o p o g r a p h i cd a n g e ri n d e x ( t d i ) ( i i ) w e a t h e rd a n g e r i n d e x ( w d i ) a n d ( i i i ) f u e l d a n g e ri n d e x ( f p i ) t h et d lw a sc o m p u t e db a s e d o nt w op a r a m e t e r s s l o p e ，a s p e c ta m de l e v a t i o nw h i c h w a sg e n e r a t e df r o m ad e m t h e d 1w a sc a l c u l a t e df r o mt h er a t i oo fm e a nm a x i m u ma i r t e m p e r a t u r et om e a nm a x i m u ma i rr e l a t i v eh u m i d i t y i nt h ed e v e l o p m e n t o ft h ef p it h er e s e a r c hh a sa d o p t e dt h ei n t e g r a t i o no f d i g i t a lc l a s s i f i c a t i o n p r o d u c to ft h et a s s e l e dc a pt r a n s f o r m e d ( t c t ) d a t a s e t sa n dt h ef o r e s t c a n o p yd e n s i t ym a pw h i c hg a v eas i g n i f i c a n t l ym o r ea c c u r a t ef u e lt y p e m a po f t h es t u d ya r e a t h ei n d e xr a t i n g so ft h ef u e lt y p e sc o n f o r m e dt ot h e p r i n c i p l e sa d o p t e d i n“f o r e s tf i r e p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l p r o j e c t ( a n d e r s o n ，e t a l ，19 9 9 ，f f p c p , 19 9 6 ) i m p l e m e n t e d i nc h i n a t h e r e s e a r c hf i n d i n gi sas i g n i f i c a n tm il e s t o n ei nm a c r e se f f o r tt o w a r d s d e v e l o p i n gat o t a lf o r e s tf i r em a n a g e m e n ts y s t e m t h e p r e s e n t r e s e a r c hi n t e n d st oi n t r o d u c et h ea u t h o r s f i r e - m o n i t o r i n gm e t h o do ff p i n d v i o raf i r ep o i n ti n d e ) 【- f p ii n d e xb y u s i n gt h ef i r ep o i n tr a d i a t i o nm o d i sd a t aa n dt h e2 2c h a n n e l sa sw e l la s t h e31c h a n n e l s ( b a c k g r o u n dr a d i a t i o n ) a c c o r d i n gt ot h ef i r e - m o n i t o r i n g p r i n c i p l ea n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eb a c k g r o u n dr a d i a t i o na n df i r e p o i n tr a d i a t i o n ，f i r ea c c i d e n t sc a nt a k ep l a c e u s u a l l yo n l yw h e nt h e v e g e t a t i o nc o v e r a g er e a c h e sac e r t a i ne x t e n t i ti sj u s tf o rt h i sr e a s o nt h a t w eh a v er e v i s e dt h ec o n d i t i o n so ft h ef i r e o c c u r r e n c ea n de x c l u d e dt h e p o s s i b i l i t i e so ff i r e c a u s i n gd i s a s t e r sb yr e m o v i n gt h ea r e a sw i t hn o v e g e t a t i o na n dt h ep l a c e sw i t hs c a r c ev e g e t a t i o n ，f o ri t i sn e c e s s a r yt o r e m o v et h el i a b i l i t yf o rt h eb a r es o i lo rt h eu r b a nt h e r m a l i s l a n d st og e to n f i r e b yt a k i n gt h ef i r et h a tt o o kp l a c ei nh e i l o n g ji a n gp r o v i n c eo no c t 15 ，2 0 0 4 ，a sa ne x a m p l e ，i np a r t i c u l a r , t h i sp a p e rh a sd r a w naf e wk i n d s o fg e o g r a p h i c a lf e a t u r e so ft h ep r i n c i p l ea n da n a l y z e dt h ev a l u e so fn d v i a sw e l la st h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ed i f f e r e n ts u r f a c et y p e s n e x t ，w eh a v e t a k e nc l o u da st h eb i g g e s tf a c t o rt h a th e l p st od e f i n ef p ia n dt h en d v i t h r e s h o l dv a l u ew i t ht h ev e g e t a t i o nb e i n gt h ek e yf a c t o ri n f l u e n c i n gt h e f i r eb u r n i n g t h r e es t r o n gp o i n t sc a l lb ef o u n di nt h eu s eo fm o d i s a b s o l u t ef i r ep o i n tr e c o g n i t i o na l g o r i t h m ，i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tt h e s u g g e s t e dm e t h o do fo u r sh e l p st oe n h a n c ei t sm o n i t o r i n gp r e c i s i o nw i t h g r e a t e re x t r a c t i o ns p e e d k e yw o r d sf o r e s tf i r ed i s a s t e ra s p e c t ，t o p o g r a p h i cd a n g e ri n d e x ， w e a t h e r d a n g e ri n d e x ，p o t e n t i a lf i r ei n d e ， f o r e s tf i r ei d e n t i f y i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：! 娶盘萤日期：塑旦3 年三月笪日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：啦 导师签名驻地日期：等年工月面 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的意义与目的 森林是人类的宝贵资源，森林火灾是破坏森林资源的重要因素之一，我国是 一个森林火灾频繁发生且森林资源匮乏的国家，鉴于我国森林资源的实际状况和 森林火灾的严重危害性，加强森林火险预测预报工作，对于提高我国的森林覆盖 率、保护生态环境和人民生命财产安全，都具有特别重要的现实意义。 森林生态系统是陆地自然生态系统中最大的生态系统，它在整个自然界中的 动态平衡中具有重要的作用，给人类的生产生活带来各种各样的益处。森林通过 光合作用吸收二氧化碳和放出人类及其他生物赖以生存的氧气。森林还可以保持 水土、美化景观、降低风速、减少噪音、保护自然；净化空气、保护环境；娱乐 保健、有益健康；提高水质、涵养水源；调节气候、发展农业；提供木材、发挥 经济。我国森林资源的特点：森林资源分布不均衡，主要分布在东北、西南 等人口稀少地区；树种结构不合理，用材林多，防护林少，针叶林多，阔叶林 少；特别是东北和西南部分地区，多为易燃性强的针叶林南方九省中幼林多， 成熟林少，一旦发生森林火灾，就会给森林带来灭顶之灾他1 。 森林火灾属于世界性、跨国性的自然灾害，对森林的破坏性极大，危害极深， 造成的经济损失相当严重。林火不仅烧毁森林，降低林分密度，而且破坏森林结 构，降低森林的利用价值。林火烧死幼苗、幼树，延长森林更新期；被烧的林地 表土岩石裸露，很多地方变成荒山秃岭，森林难以恢复；强烈的火灾不仅烧毁森 林，破坏郁闭度，烧毁地被物，使土壤裸露，而且大大降低了森林保持水土、涵 养水源、调节气候的作用：林火使森林贮存的大量能量突然释放，破坏了森林生 态系统，造成生态系统内生物因子、生态因子的混乱，需要经过几十年或更长时 间才能恢复b 。 据概略的统计，在2 0 0 0 年以前世界每年发生森林火灾约2 2 万次以上，烧毁 的各种森林约占全球森林总面积的0 2 3 以上。2 0 0 2 年1 0 月在墨西哥举行的“新 千年森林火灾研究国际研讨会 预测，随着地球变暖的趋势，今后5 0 年内全球 发生的森林火灾将会增加。森林火灾不仅烧毁大最的森林资源，破坏自然环境和 生态平衡，而且会严重影响人类的正常生活，甚至给人类带来灾难性的损失。森 林火灾对生态系统破坏性的影响有可能长达几十到数百年，而至于某些珍稀植物 与动物的毁灭则永远无法恢复。我国是一个森林火灾多发的国家，由于我国国土 辽阔、地形复杂多样，各地气候千差万别，致使森林火灾频发，由此造成的经济 损失居高不下。据统计，1 9 5 0 一1 9 9 7 年全国共发生森林火灾6 7 6 万次，平均每 年发生森林火灾1 4 3 万次，平均受灾森林面积8 2 2 万h a ，年均森林受害率为 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 0 6 3 ，大约占世界每年火灾次数的1 4 ，年均受害森林面积为世界的2 0 。 因此研究森林火灾的遥感探测方法提高火点探测精度，探索新型先进的森林火险 预报模型改善预报准确率，对于作好森林火灾预防，及时尽早发现火点，快速高 效进行扑救具有十分重要的意义。卫星遥感监测利用了卫星的时间分辨率高、覆 盖面积广等特点在森林防火中得到极大的应用，大大提高了对森林干旱、火灾监 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，进一步做好森林防火工作提供了极具潜力的技术支撑 f 3 ) o 该课题研究的目的正是在现有的科学技术基础上，利用实时的m o d i s 遥感 数据对森林火灾进行预警研究分析，低成本、高效率，直观准确的对现在的火险 等级和已经发生的森林火灾进行监测研究，将生成的火险等级在森林防火地理信 息系统中显示，加上森林防火专题数据图层，用来判断高火险等级所在位置的地 形、地貌性质( 森林、草原、旱地或沼泽) ，为火险预报等提供科学的依据。 1 2 所用的研究技术简介 1 2 1 遥感( r s ) 技术 遥感就是不直接接触物体，从远处通过探测仪接收来自目标地物的电磁波信 息，经过对信息的处理，识别地物的技术h 吲。它主要是指利用可见光、红外、 微波等探测器，通过摄影或扫描、信息感应、传输和处理，从而识别地面物质的 性质和运动状态的现代化技术体系。它包括呻吖1 ：空间信息采集系统( 包括遥 感平台和遥感器) 地面接收和预处理系统( 包括辐射校正和几何校正) 地面 实况调查系统( 如收集环境和气象数据) 信息分析应用系统，主要包括遥感数 据的变换、分类以及作为地理信息系统等其他应用系统的输入数据。 遥感技术的应用范围包括：陆地水资源调查、植被资源调查、地质调查、城 市遥感调查、海洋资源调查、测绘、考古调查、环境监测和规划管理等。在现代 森林资源调查中遥感图像是空间数据源，它包括森林全貌和森林分布状况等各种 信息，如树种组成、树高、树冠覆盖率和面积等指标。通过对图像的增强处理、 特征提取、模式识别等，使遥感图像再现整体森林的空间分布。目前，世界上许 多国家都已经发射了服务于不同目的的各种遥感卫星，其遥感器的空间分辨率和 光谱分辨率也都各异，形成了从粗到细的对地观测数据源系列，可以用于监测从 土地利用、农作物生长、植被覆盖到洪水、森林火灾、环境污染等现象的信息及 其动态变化。我国幅员辽阔，自然条件复杂，资源丰富，但长期以来缺乏详细和 全面的各种资源调查。目前我国自然资源和环境状况仍然没有全面、普遍查清， 2 中南大学硕士学位论文 第章绪论 这严重地影响了经济建设的发展。因此，查清我国的自然资源以满足国民经济中 许多部门急切需要的各种数据和图件资料，利用遥感技术这种先进手段对资源与 环境进行调查是十分必要和可行的。 1 2 2 地理信息系统( g is ) 技术 地理信息系统融合计算机图形学和数据库于一体，用来存储和处理空间信息 及其属性信息准确真实，借助其独有的空间分析功能和可视化表达功能，进行各 种辅助决策悃。通俗的说g i s 就是管理各种专题地图和空间地理位置有关的数据， 并在此基础上进行专题规划、分析、地图制图、查询检索、数据采集、编辑处理 等功能的信息系统。随着社会的进步，地理信息系统的应用领域也在不断扩大， 目前几乎涵盖社会经济生活的各个方面，特别是在土地管理、资源环境、城市规 划、测绘制图等方面得到广泛的应用。 利用g i s 技术可以将不同的专题( 如森林防火、资源管理、植树造林、经营 采运、病虫害管理) 有机结合在一起，g i s 数据库可以为不同专题提供基础服务。 数据是g i s 系统中最基础的部分旧，利用计算机来提取、处理数据是g i s 的基本 功能。g i s 处理的数据分为两类们：一类主要是和空间位置、空间关系有关的数 据，称为空间数据；另一类是地理元素中非空间的属性信息，称为属性数据。g i s 两个显著特征：一是它不仅可以像传统的数据库管理系统( d b m s ) 那样管理数据 和文字( 属性) 信息，而且可以管理空间( 图像) 信息；二是它可以利用各种空 间分析的方法，对多种不同的信息进行综合分析，寻求空间实体间的相互关系。 1 2 3g l s 和悠的集成 地理信息系统是用于分析和显示空间数据的系统，而遥感影像是空间数据的 一种形式，类似于g i s 中的栅格数据。因而，很容易在数据层次上实现地理系统 与遥感的集成。但是实际上，遥感图像的处理和g i s 中栅格数据的分析具有较大 的差异，遥感图像处理的目的是为了提取各种专题信息，其中的一些处理功能， 如图像增强、滤波、分类以及一些特定的变换处理( 如陆地卫星影像的k t 变换) 等，并不适用于g i s 中的栅格空间分析，目前大多数g i s 软件也没有提供完善的 遥感数据处理功能，而遥感图像处理软件又不能很好的处理g i s 数据，因此需要 实现g i s 和r s 的集成。 1 2 3 1 遥感数据作为地理信息系统的数据源 数据是g i s 中最为重要的部分，而遥感提供了廉价的、准确的、实时的数据， 目前如何从遥感数据中自动获取地理信息依然是一个重要的研究课题，它包括线 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 以及其它地物要素的提取；d e m 数据的生成；土地利用变化以及地图更新。 利用遥感数据更新空间数据库，最直接的方式就是将纠正后的遥感图像作为 背景底图，并根据其进行矢量数据的编辑修改。因为遥感图像可以视为一种特殊 的栅格数据，所以不难实现遥感和g i s 集成的工具软件关键是提供非常方便 的栅格矢量数据相互操作和相互转换功能，但是要注意的是，由于各种因素的 影响，使得从遥感数据中提取的信息不是绝对准确的。此外，还要考虑尺度问题， 即遥感影像空间分辨率和g i s 数据比例尺的对应关系。 1 2 3 2 地理信息系统为遥感提供空间数据管理和分析的技术手段 r s 信息源主要来源于地物对太阳辐射的反射作用，识别地物主要依据r s 测 量地物灰度值的差异，有时可能会出现“同物异谱 和“同谱异物”现象，但仅 用r s 数字图像处理技术，解决这类问题难度较大，若将g i s 和r s 技术结合起来， 此类问题就易于解决。将g i s 作为遥感图像的处理工具，可以在以下几个方面增 强标准的图像处理功能：几何纠正和辐射纠正；图像分类及对感兴趣区域的提取。 g i s 可以将遥感图像与已有的各种专题图进行匹配，将遥感图像与各种专题图叠 加在一起，可以根据图像中火点的位置在地图上准确定位，并反映周边的资源和 社会经济状况。由此可以判断造成灾害的可能性，以及造成灾害的后果n 2 。1 们。 1 2 3 3 地理信息系统和遥感图像的结合方式 本系统采用的是g i s 和r s 的表面无缝结合( 如图i - i 所示) 。r s 的数据结 构为栅格数据，其几何信息( 定位信息) 为其行、列数，而其属性信息( 定性信 息) 为其灰度值，g i s 多为矢量数据结构，可实现矢一栅转化。因此，g i s 和r s 的结合过程主要就是数据的转换、传输与配准。所谓配准是指r s 数据与g i s 中 图形数据之间几何关系的一致。为了便于管理，在具体实施中的结构是r s 为g i s 的子系统，这种结构更易于实现，因为在g i s 中增加栅格数据处理功能比在r s 中增加矢量数据处理、分析及数据库管理功能更容易一些，逻辑上也更为合理 【1 5 - 1 6 】 图i - ig i s 和r s 的表面无缝结合方式 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 数学方法 数学方法是运用数学所提供的概念、处理方式及技巧，对所要研究的对象进 行量的分析、描述和推导，以数学形式表达事物内在联系方法，具有定量性、抽 象性、预测性、精确性和适用性等特点。近些年来，信息论、系统论、控制论的 完善，计算机技术的广泛应用，都大大促进了数学的发展，而数学学科体系的完 善、学科内容的丰富又为科学技术的发展提供了更强有力的工具。森林火灾的定 量化分析评价、预测等方面都要用到数学方法( 如线性代数、概率分布与随机过 程、数理统计与多元分析、集合论与图论、模糊数学等) ，利用这些数学方法可 揭示森林火灾发生的客观规律。目前在这方面的研究多处在数学加工和建立数学 模型阶段，定性分析描述较多，定量分析和计算较少，因此还需要继续不断的深 入探讨，创造新的数学工具和方法，以便用精确的数学语言表达森林火灾发生的 内在规律，提高科学预报的准确性，推动森林火灾监测工作的进一步发展和完善。 1 3 国内外研究状况 林火预测预报是依据一些客观要素，针对森林火灾的有关趋势，采用一定的 数理方法所得出的预测。林火预测预报一般分为三种：即林火天气预报、林火发 生预报和林火行为预报。林火预报还分为短期预报( 2 天以内的天气变化) 、中 期预报( 3 1 0 天) 和长期( 1 0 天以上) 预测预报。森林火险天气预报：森林 火险天气预报，仅预测天气条件能否引起火灾的可能性，它不包括火源在内。 林火发生预报：综合考虑天气条件的变化，可燃物干湿程度变化和森林可燃物类 型特点及火源出现的危险等，来预测预报火灾发生的可能性，包括雷击火和人为 火发生的可能性。林火行为预报：预报火灾发生后，预测预报林火蔓延速度、 能量释放、火势强度以及扑火难易程度。 正式的森林火险预报系统在加拿大、澳大利亚和美国已经有大约7 5 年的历 史。我国研究森林火险预报较晚，1 9 5 5 年才开始。早期的火险预报主要是利用 气象数据和地面观测数据进行，遥感技术应用的很少。上世纪八十年代开始，伴 随着以计算机技术为代表的高新技术的迅猛发展，遥感技术逐步进入火险预报领 域。在世界范围内，火险等级的应用已成为越来越多的有林国家林火管理的有力 工具。国际上许多国家的林火研究工作者，从实验室到现场观测做了大量的工作。 它们通过不同的途径和方法，摸索到许多规律性的东西，获得许多有实用价值的 宝贵经验，取得了可喜的成绩。林火预报的研究和应用在西方发达国家至少要比 中国早3 0 年。我国目前林火预报无论是从研究角度还是从应用角度都与美国、 加拿大等国有较大差距。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 林火预报是在天气预报的基础上进行的，天气预报的准确性直接影响林火预 报的准确性。但林火预报有其本身的特点，要充分估计到地形地貌、可燃物的干 湿程度、可燃物类型特点以及火源等。所以天气预报不能代替林火预报。一般林 火预报由气象站( 局) 结合林业部门共同进行。有条件的地方，林业部门可以设 立观测站点，专门进行林火预报。 在利用遥感数据进行森林火险监测与评估方面，美国、加拿大、西班牙及澳 大利亚等国走在世界的前列。p a l t r i d g e ( 1 9 8 8 ) 利用n o a a a v h r r 图像数据对 澳大利亚的草原干燥度及潜在火险进行了监测和评估；l o p e z ( 1 9 9 1 ) 8 利用 n o a a a r r 图像数据对西班牙的森林火险进行了监测和评价，l o p e z ( 2 0 0 2 ) 钔 将可燃物类型图、遥感数据和气象数据进行集成，利用潜在火险指数f p i ( f i r e p o t e n t i a li n d e x ) 指数，对全欧洲进行了森林火险评价；c h u v i e c o ，e t a l ( 1 9 9 9 ， 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 僻2 3 利用n o a a a r r 数据计算得到的n d v i 、地表温度t s 和相对绿度r g r e 三个参数，对植物含水率进行监测并以此评估西班牙的森林火 险。 国内近年来也开始将遥感技术与g i s 技术应用于森林火险等级预报研究中。 易浩若等在1 9 9 8 年立项的“建立国家级森林火险预报系统”中，将由a v h r r 数 据生成的植被指数应用到该系统中，将其作为植被长势的定量因子，从而实现了 动态反映地表植被状态。z h o u ( 2 0 0 3 ) 乜钔利用m o d i s 数据生成的植被指数与气 象数据相结合，对我国北方草原火险等级预警方法进行了研究。w a n g ( 2 0 0 4 ) 乜钔， z h o u ( 2 0 0 4 ) 啪1 利用m o d i s 数据反演的植被指数、草的含水率及地表温度来进行 我国北方草原火险等级预警监测。郭广猛( 2 0 0 4 ) 啪1 ，覃先林( 2 0 0 5 ) 乜7 刮利用 遥感与g i s 技术计算了火险指数，并进行森林火险等级的分级，实现了从定性到 定量描述森林火险等级。 1 4 论文研究的技术路线 ( 1 ) 收集、整理2 0 0 4 年全年e o s i v i o d i s 的影像资料，研究分析当前的火险 预报模型一美国f p i 火险监测模型； ( 2 ) 分析f p i 模型需要输入的因子一活、死植被的湿度； ( 3 ) 植被的绿度为活植被的湿度提供有用的参照； ( 4 ) 细小死可燃物的湿度对火传播至关重要，所以1 0 小时时滞可燃物湿度可 以代表死植被： ( 5 ) 利用m o d i s 数据反演相对湿度、温度和植被覆盖度： ( 6 ) 将各因子输入f p i 模型中去，分析试验结果； ( 7 ) 将得到的火险等级图输入到a r c g i s 中去，结合行政区划数据得到各地区 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的火险等级分布图。 研究的技术路线如图 - 2 所示。 r 一一一一一一一一一一ir 一一一一一一一 笑博掣：掣：笆圈臣l i 毡黜冒 ，一、ilj t 。一一i 一一一一j l l l ，广上、 ( 颈盘垒理) k ， |一- 一l 一一一一一一 一一，f 一一专一一一一一_ 一一一! i i 归。吡植 ii 火点 被水指数 相对绿度 ii 地震温度相对湿度 i i ( n d w i ) - l i ii l 一一上。一一一j 一一! i - 一一i 一一一一一；- 一 处 活可燃物湿度 死可燃物澎度 理 l 火险预报模型 裕 止 ， 输 森林火险发生等级 出 图1 - 2 研究的技术路线图 7 中南大学硕士学位论文 第二章研究区和数据的选取处理 第二章研究区和数据的选取处理 2 1 研究区概况 2 1 1 自然地理概况 论文研究以黑龙江省为实验区。黑龙江省位于我国的东北部，地处北纬 4 3 。2 6 5 3 。3 3 7 n ，东经1 2 1 。1 0 - 1 3 5 。5 1 7 e 之间，全省面积4 5 3 9 万k m 2 ， 占我国国土总面积的4 7 ，居全国第6 位，耕地面积8 8 6 7 万h m 2 ，居全国第1 位。 畜牧草原、草坡5 0 7 7 万h m 2 ，是全国1 0 个拥有大草原的省份之一啪1 。 2 1 2 森林火灾概况 由于我国的森林资源分布极不平衡，主要分布在东北、西南和南方等地区， 而森林资源主要分布区常常也是我国森林火灾多发区。我国幅员辽阔，各林区间 气候、植被、地形地势以及社会经济状况差异大，因而各林区森林火灾发生规律 也不尽相同。黑龙江大兴安岭、小兴安岭是东北林区森林分布最集中的地带。该 林区东西跨度近2 0 度，气候条件很不一致，从北到南，随气温变化，可分为寒温 带、温带和暖温带；从东到西，随水分的变化可分为湿润区、半湿润区和半干旱 区，相应的植被从北到南有寒温带针叶林、温带阔叶混交林和暖温带落叶阔叶林； 从东到西有森林、草甸草原( 森林草原) 和典型草原。东北大兴安岭以兴安落叶 松为主的针叶林，小兴安岭一带红松阔叶林为该地区的地带性植被。 东北林区森林火灾的特点概括为以下四个方面【3 i 】：森林火灾次数少、面 积大：东北林区的森林火灾次数明显少于全国其它林区。但由于林区气候干旱， 春季风大，森林面积大，经营水平低，对林火控制能力弱，容易发生森林大火。 东北林区火灾面积约占全国森林过火面积的5 5 ，火灾受灾面积居全国第一位。 西北部火灾次数少、面积大，东南部火灾次数多、面积小：大兴安岭林区为我 国高寒林区，属大陆性气候，春季干旱季节长，大风天多，植被为寒温带针叶混 交林。林内存在部分自然火源( 雷击火) ，森林防火设施不足，个别地区数百里 无人烟，林区控制林火能力薄弱，一旦发生火灾就非常容易酿成大火或特大火灾。 东南部为山地，为海洋性气候，属湿润区，气候温和；植被为寒温带针叶阔叶混 交林和暖温带落叶阔叶混交林，其燃烧性比寒温带针叶混交林要低得多。人1 ：3 密 度较大，交通方便，一旦发生火灾，比较容易控制，发生特大火灾可能性小。 春季火灾次数多、面积大，秋季火灾次数少、面积也小：森林火灾集中在春季和 秋季。夏季为雨季，一般不发生火灾，但也有个别干旱夏季也发生过火灾。冬季 中南大学硕士学位论文第章研究医和数据的选取处理 地面积雪覆盖，温度在0 。以下，一般不发生火灾。春季火灾多而面积大，一是春 季火灾季节长，般3 到4 个月：秋季火灾季节短一般为1 到2 个月。另一个原因是 由于春季积雪融化后枯草裸露极易着火，火烧地表枯草和温热层枯枝落叶，树木 根系危害较轻，这时树木还处在休眠状态，对火烧不敏感。而秋季一般多为地表 火，但对树木的危害严重，因为此时树木尚未完全休眠火容易烧伤干基和根基 加上火蔓延慢，持续时间长，因而火烈度大。森林大火、特大森林火灾较集 中：大火、特大森林火灾主要发生在大兴安岭地区和黑河地区，这些地区发生森 林太火的林种类型表现出寒温带针叶混交林最为严重，温带针叶林阔叶混交林次 之，暖温带落叶阔叶混交林较轻等特点；从地块上来说，火灾面积最大的为草地 其次为次生林，最小的为原始林。 。篙移：萃 围2 一i 各林区受灾面积占我国森林受竞面积的百分比 2 2 研究采用的数据及处理软件 22 1 研究采用数据 22 11m o d i s 数据特点 m o d i s ( 中等分辨率成像光谱仪) 是美国国家航天航空局( n a s a ) 对地观测计 划( e o s ) 中用于观测全球生物和物理过程的传感器，分别搭载在t e r r a 和a q u a 卫星 之上。m o d i s 数据波段范田广，包括了3 6 个波段，数据空间分辩率包括了2 5 0 m 、 5 0 0 m 和1 0 0 0 m 三个尺度。这些数据均对地球科学的综台研究和对陆地、大气和海 洋进行分门别类的研究有较高的实用价值；此外，t e r r a 和a q u a 卫星都是太阳同 步极轨卫星，t e r r a 在地方时上午过境，a q u a 将在地方时下午过境。t e r r a 与a q u a 上的m o d i s 数据在时间更新频率上相配合加上晚唰过境数据，对于接收m o d i s 中南大学硕士学位论文 第二章研究区和数据的选取处理 数据来说，可以得到每天至少2 次白天和2 次黑夜的更新数据。这样的数据更新频 率，对实时地球观测、应急处理( 例如森林和草原火灾监测和救灾) 和日内频率 的地球系统的研究有非常重要的实用价值b 羽。因此选择m o d i s 数据来进行火险预 警研究。研究使用的m o d i s 数据是从n a s a 免费下载的l 1 b 数据。 m o d i s 数据波段特征如表2 1 所示。 2 2 1 2m o d i s 数据分级产品 m o d i s 数据产品分级系统：m o d i s 标准数据产品分级系统由5 级数据构成， 袁2 - 1m o d i s 数据波段特征 光谱范畴l 1 9 n m 通道信噪比分辨率 通道主要用途 2 0 3 6 p m 通道 n e t ( m ) 1 6 2 0 6 7 0 1 2 8陆地、2 5 0 2 8 4 1 8 7 62 0 1 云边界 2 5 0 3 4 5 9 4 7 92 4 35 0 0 4 5 4 5 5 6 42 2 85 0 0 陆地、 5 1 2 3 0 1 2 5 07 45 0 0 云特征 6 1 6 3 8 1 6 5 22 7 55 0 0 7 2 1 0 5 2 1 3 51 1 05 0 0 8 4 0 5 4 2 0 8 8 0 1 0 0 0 9 4 3 8 4 4 8 8 3 8 01 0 0 0 1 04 8 3 4 9 38 0 21 0 0 0 海洋水色 1 15 2 6 5 3 67 5 41 0 0 0 浮游植物 1 25 4 5 5 5 67 5 01 0 0 0 生物地理 1 36 6 2 6 7 29 1 0 化学 1 0 0 0 1 46 7 3 6 8 31 0 8 71 0 0 0 1 57 4 3 7 5 35 8 61 0 0 0 1 68 6 2 8 7 75 7 61 0 0 0 1 78 9 0 9 2 01 6 71 0 0 0 1 89 3 1 9 4 15 7 大气、水汽 1 0 0 0 1 9 9 1 5 9 6 52 5 01 0 0 0 2 0 3 6 6 0 3 8 4 0 ( p m ) 0 0 51 0 0 0 2 1 3 9 2 9 3 9 8 9 ( p m ) 2 0 0 地球表面和 1 0 0 0 2 23 9 2 9 3 9 8 9 ( u m ) 0 0 7 云顶温度 1 0 0 0 2 3 4 0 2 0 4 0 8 0 ( u m ) 0 0 7 1 0 0 0 2 4 4 4 3 3 4 4 9 8 ( u m ) 0 2 51 0 0 0 大气温度 2 5 4 4 8 2 4 9 4 8 ( u m ) 0 2 51 0 0 0 l o 中南大学硕士学位论文第二章研究区和数据的选取处理 2 6 1 3 6 0 1 3 9 0 ( i j m ) 1 5 0 41 0 0 0 2 7 6 5 3 5 6 8 9 5 ( p m ) 0 2 5 1 0 0 0 卷云、水汽 2 8 7 1 7 5 7 4 7 5 ( p m ) 0 2 5 1 0 0 0 2 9 8 4 0 0 8 7 0 0 ( p r o ) 0 0 51 0 0 0 3 0 9 5 8 9 9 8 8 0 ( p r o ) 0 2 5臭氧 1 0 0 0 地球表面和 3 1 1 0 7 8 0 1 1 2 8 0 ( p m ) 0 0 51 0 0 0 云顶温度 3 2 1 1 7 7 0 1 2 2 7 0 ( p m ) 0 0 51 0 0 0 3 3 1 3 1 8 5 1 3 4 8 5 ( p m ) 0 2 51 0 0 0 3 41 3 4 8 5 1 3 7 8 5 ( i j m ) 0 2 51 0 0 0 云项高度 3 5 1 3 7 8 5 1 4 o b 5 ( p m ) 0 2 51 0 0 0 3 61 4 0 8 51 4 3 8 5 ( p m )0 3 51 0 0 0 它们分别是：o 级、1 级、2 级、3 级和4 级。 0 级数据：卫星地面站直接接收到的、未经处理的、包括全部数据信息在 内的原始数据为0 级数据； 1 级数据：指l a 数据，已经被赋予定标参数； 2 级数据：指1 b 级数据，经过定标后数据，本系统产品是国际标准的 e o s h d f 格式。可用商用软件包( 如e n v i ) 直接读取； 3 级数据：在l b 数据基础上，对由遥感器成像过程产生的边缘畸变( b o w t i c 效应) 进行校正，产生3 级产品； 表2 2m o d i s 产品命名 产品e s d t 、数据集名称数据级别存档中心 m o d 0 1 m o d 0 1 原始辐射率 l 1 ag s f c m o d 0 2 m o d 0 2 k m i k m 定标辐射 l 1 bg s f c ( l 1 b 定位定标 m o d 0 2 h k m 5 0 0 m 定标辐射 l 1 b 辐射率) m o d 0 2 q k m 2 50 定标辐射 l i b m o d 0 2 0 b c 1 k m 星裁定标和工程数据 l 1 b m o d 0 3 m o d 0 3 1 k m 经纬度坐标数据l i a g s f c 4 级数据：由参数文件提供的参数，对图像进行几何校正，辐射校正，使 图像的每一个点都有精确的地理编码、反射率和辐射率。4 级产品的 m o d i s 图像进行不同时相的匹配，误差小于1 个像元。该级产品是应用 中南大学硕士学位论文 第二章研究区和数据的选取处理 级产品不可缺少的基础； 5 级及以上产品：根据各种应用模型开发5 级产品。 l 1 b 数据文件名的定义规则：该数据信息编码采用2 3 位编码，这2 3 码分别 由字母及数字组成。它们的定义分别如下： 第1 位码( 1 位数) ：卫星名称代码，用英文字母表示。其中：a 为e o s 第 一颗上午星( t e r r a 卫星) ，b 为e o s 第一颗下午星( a q u a 卫星) ； 第2 - 4 位码( 3 位数) ：传感器名称代码，用英文字母m o d 表示，m o d 是 m o d i s 的缩写： 第5 、6 位码( 2 位数) ：数据级别定义代码，用阿拉伯数字表示。其中， 0 1 为l 1 a 数据，0 2 为l i b 数据，0 3 为g e o l o c a t i o n 数据；二级以上数据编码另 行规定； 第7 9 位码( 3 位数) ：数据分辨率代码，用数字和英文字母表示。其中， 1 k m 为l k m 分辨率数据，h k m 为5 0 0 m 分辨率数据，q i ( m 为2 5 0 m 分辨率数据，以 及o b c 数据。 第1 0 2 3 位码( 1 4 位数) ：数据采集的年月日时分秒代码，用阿拉伯数字 表示。其格式为年( 4 位数)