森林火災(zāi)是種很具有危害性的自然災(zāi)害，是森林?jǐn)_動(dòng)的主要類(lèi)型之，直接影響森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、碳循環(huán)甚至氣候的變化。近年來(lái)，航空平臺(tái)和傳感器的技術(shù)進(jìn)步有效地提升了機(jī)載遙感系統(tǒng)探測(cè)和監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的能力，推動(dòng)了機(jī)載遙感在森林可燃物調(diào)查及載量評(píng)估、火險(xiǎn)測(cè)報(bào)預(yù)測(cè)、火場(chǎng)態(tài)勢(shì)及火情監(jiān)測(cè)、災(zāi)害損失評(píng)估以及火燒跡地生態(tài)修復(fù)治理等方面的應(yīng)用。本文將主要介紹中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院機(jī)載光學(xué)全譜段遙感系統(tǒng)CAF-LiTCHy （即芬蘭SPECIM AisaFENIX1K機(jī)載光學(xué)全譜段遙感系統(tǒng)）和如何用系統(tǒng)所采集的多源遙感數(shù)據(jù)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(zāi)監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)中的潛力，并以四川省西昌市“3.30 森林火災(zāi)”作為該系統(tǒng)火后災(zāi)情遙感調(diào)查和災(zāi)情評(píng)估應(yīng)用示例，表明該系統(tǒng)可有效分析森林火災(zāi)的災(zāi)情信息、火場(chǎng)及火環(huán)境參數(shù)，可為預(yù)防、預(yù)報(bào)預(yù)警、撲救指揮、災(zāi)害評(píng)估和生態(tài)修復(fù)提供支持。

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院機(jī)載光學(xué)全譜段遙感系統(tǒng)CAF-LiTCHy （即芬蘭SPECIM AisaFENIX1K機(jī)載光學(xué)全譜段遙感系統(tǒng)），是由芬蘭SPECIM公司針對(duì)中國(guó)林業(yè)科學(xué)院光學(xué)全譜段地空綜合森林觀測(cè)系統(tǒng)及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)森林火場(chǎng)全息模擬科研平臺(tái)定制產(chǎn)品，共包含5個(gè)傳感器：AisaFENIX1K全光譜高光譜相機(jī)、激光雷達(dá)、中波熱像儀、長(zhǎng)波熱像儀以及高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)，如圖1所示。這套系統(tǒng)也是上套可同時(shí)采集380-2500 nm高光譜以及中長(zhǎng)波熱紅外數(shù)據(jù)的航空機(jī)載系統(tǒng)，將獲取用于林火監(jiān)測(cè)預(yù)警、森林參數(shù)估測(cè)的溫度場(chǎng)影像和高光譜影像以及相匹配的數(shù)字地面模型，為我國(guó)森林防火預(yù)警做出重要貢獻(xiàn)。

圖1 CAF-LiTCHy即芬蘭SPECIM AisaFENIX1K機(jī)載遙感觀測(cè)系統(tǒng)

此次研究的數(shù)據(jù)采集主要是針對(duì)2020-03-30發(fā)生森林火災(zāi)的瀘山風(fēng)景區(qū)，在明火全部撲滅后，完成航飛采集任務(wù)。該地區(qū)的喬林木主要以云南松為主，零星分布少量赤桉、楊樹(shù)和櫟樹(shù)，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(huán)境下，易于發(fā)生森林火災(zāi)，數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 西昌森林過(guò)火區(qū)機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)

結(jié)合高空間分辨率的機(jī)載 CCD 影像以及相關(guān)研究 （Lentile 等，2006； Veraverbeke 等， 2012；Meng 等，2017），將本次西昌森林火災(zāi)的林火烈度分為未過(guò)火、輕度過(guò)火、中度過(guò)火以及重度過(guò)火等4個(gè)等。對(duì)于單株林木的林火烈度判讀標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1） 未過(guò)火：冠層為綠色且保持原本形狀，枝葉結(jié)構(gòu)未見(jiàn)火燒痕跡；

（2） 輕度過(guò)火：樹(shù)冠未全部被燒，綠色冠層占比 70% 及以上；

（3） 中度過(guò)火：樹(shù)冠的枝葉多數(shù)被燒黃或燒毀，綠色冠層占比 25%—70%；

（4） 重度過(guò)火：樹(shù)冠全部被燒，裸露出燒焦的黑色樹(shù)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(jī)載CCD影像和高光譜影像，不同林火烈度的區(qū)域在真彩色和假彩色顯示影像中均可明顯區(qū)分，尤其在中度和重度過(guò)火區(qū)。

（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(jī)載高光譜影像中火燒跡地、正常冠層、中度過(guò)火冠層、水體、裸土、柏油路的光譜曲線(xiàn)征的光譜征的變化，以此作為高光譜數(shù)據(jù)用于過(guò)火區(qū)森林冠層評(píng)估的理論依據(jù)，從該圖中可以明顯地觀察到，相較于未過(guò)火的正常冠層，中度過(guò)火冠層由于葉片由綠變焦黃、葉綠素喪失，導(dǎo)致藍(lán)、紅光的吸收作用減弱，同時(shí)由于火燒導(dǎo)致葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)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(dǎo)致其在 1450 nm、1950 nm 的吸收率降低，反射率升高。此外，重度過(guò)火區(qū)的樹(shù)木已成碳灰狀，使得該火燒灰燼區(qū)域在 400 nm—2500 nm區(qū)間內(nèi)的反射率在 0.1 附近。由此可見(jiàn)，過(guò)火區(qū)不同典型地物的光譜曲線(xiàn)反映了本次采集和處理后的機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)具備有效刻畫(huà)地物光譜性的能力，對(duì)確定過(guò)火區(qū)的林木冠層受害程度以及估測(cè)森林火災(zāi)受害面積具有重要的理論依據(jù)。

圖4機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)典型地物光譜曲線(xiàn)

其次高光譜影像以及其波段衍生的指數(shù)可以在空間上更有效地反映林火烈度，結(jié)合Haboudane 等（2008）和Huesca 等（2013）的研究結(jié)果，用高光譜數(shù)據(jù)的窄波段信息分別計(jì)算了修正型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù) （MSAVI）]和歸化燃燒率指數(shù) （NBR），本文選取機(jī)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(lái)計(jì)算MSAVI與NBR，如圖5所示。在未過(guò)火區(qū)，MSAVI和NBR 均較高；在重度過(guò)火區(qū)，MSAVI 和 NBR 均較低。同時(shí)，結(jié)合CCD影像的林火烈度標(biāo)準(zhǔn)的目視判讀結(jié)果，用閾值劃分法對(duì) NBR 進(jìn)行林火烈度劃分。圖 5（d）展示了該區(qū)域林火烈度的空間分布，其中房屋、道路和裸地等非植被區(qū)也被歸類(lèi)為重度過(guò)火區(qū)域，在進(jìn)步的分析中可以結(jié)合分類(lèi)結(jié)果或光譜征進(jìn)行剔除。由上述結(jié)果可見(jiàn)，用高光譜數(shù)據(jù)及其衍生產(chǎn)品能在定程度上反映此次森林火災(zāi)的受害程度，生成的林火烈度圖在空間上與林內(nèi)實(shí)際過(guò)火狀況表現(xiàn)出很好的致性。

（a）機(jī)載高光譜影像（b）修正型土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù) （c）歸化燃燒率指數(shù)  （d）林火烈度

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院機(jī)載光學(xué)全譜段遙感系統(tǒng) CAF-LiTCHy集成了激光雷達(dá)掃描儀、熱紅外相機(jī)、CCD 相機(jī)、高光譜傳感器等 4 種對(duì)地觀測(cè)傳感器，可同時(shí)獲取觀測(cè)區(qū)域內(nèi)地物的垂直和水平結(jié)構(gòu)、光譜以及溫度等信息，其中，CCD 相機(jī)和高光譜相機(jī)具備對(duì)地物類(lèi)型、植被狀態(tài) （樹(shù)木冠幅、植被長(zhǎng)勢(shì)、水分含量、葉面積指數(shù)等）、火災(zāi)損失程度等災(zāi)情信息觀測(cè)能力，其影像可用于地物類(lèi)型識(shí)別、植被參數(shù)提取、火燒跡地識(shí)別、以及災(zāi)情評(píng)估等，從而為火行為預(yù)報(bào)模型提供準(zhǔn)確的可燃物及環(huán)境參數(shù)。   

參考文獻(xiàn)：

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公司背景：

芬蘭SPECIM公司很早就制作商用高光譜相機(jī)，從1995年至今已有二十余年的生產(chǎn)歷史，累計(jì)有5000余套設(shè)備應(yīng)用于各個(gè)域，其產(chǎn)品擁有很好的數(shù)據(jù)質(zhì)量。AISA 航空高光譜相機(jī)系列是針對(duì)航空和國(guó)防應(yīng)用開(kāi)發(fā)的業(yè)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(chǎn)品包括：AisaKESTREL系列—無(wú)人機(jī)載高光譜相機(jī)、AisaIBIS—超光譜植物熒光探測(cè)高光譜相機(jī)、AisaFENIX系列—全光譜（400-2500nm）采集高光譜相機(jī)、AisaOWL—熱紅外（7.5-12.5um）高光譜相機(jī)。其高光譜傳感器很好的性能，使ASIA系統(tǒng)成為在航空高光譜域的市場(chǎng)廠(chǎng)商，已有近100套系統(tǒng)在各個(gè)國(guó)家和地區(qū)使用。

Quantum量子科學(xué)儀器貿(mào)易（北京）有限公司作為芬蘭SPECIM公司的中國(guó)區(qū)的代理，將竭誠(chéng)為新老客戶(hù)服務(wù)。