【微课堂】地球上哪里“火了”，这些“千里眼”都能及时看见！
近些年，全国各地屡屡上演“雾霾锁城”的大片，尤其是在秋冬季节。雾霾的出现是特殊天气条件、本地污染物排放以及区域污染物传输共同作用的结果。在很多地方，九、十月份的雾霾天气往往和开放式燃烧有着密切的关系。
图1 雾霾下的京城（图片来源于网络）
“任性”的开放式燃烧
开放式燃烧是指可燃物在大气环境中不受约束地、不可控制地燃烧。目前，在我国开放式燃烧主要包括森林火灾、秸秆燃烧等。在这类开放式燃烧的过程中，会生成大量的颗粒物以及燃烧不完全产物，例如包括二恶英、多环芳烃等在内的持久性有机污染物以及一氧化碳、氮氧化物等空气污染物。
森林火灾的发生相对比较随机，但是秸秆燃烧具有明显的周期性和季节性。最新研究结果表明，秸秆燃烧对于农业并不发达的北京秋季雾霾的形成具有重要的诱导作用。当前环保、农业等部门在农业收获季加大了巡查和执法的力度，使得秸秆燃烧得到了有效的控制。但是由于传统思想和客观劳动力的缺失，在农村秋收季节仍有秸秆燃烧的现象发生。
图2 吉林白城秸秆焚烧，浓烟遮住城市
如何有效地监管和监控包括森林火灾以及秸秆燃烧等开放式燃烧现象，有效地保护生态资源，保障居民健康，就成为了摆在政府和社会面前的一道难题。遥感卫星以其大面积、高时效、受限条件少等优势，能够有效地监测火点的发生，对相应的监管和扑救进行预警，对政府的监控和管理具有十分重要的意义。
远隔千里，遥感卫星如何发现地面火点
地球表面上的一切物体, 如土地、水体、森林、草场、农作物、空气等, 因其具有不同的温度和不同的物理化学性质，处于不同状态, 因此它们具有不同的波谱特性, 会向外界辐射不同波长的电磁波。
图3 遥感技术原理示意图
植被在没有燃烧时, 植被及地被物发出的辐射称为背景辐射。植被燃烧时主要辐射源是火焰和具有较高温度的碳化物。利用背景辐射和植被燃烧时辐射的差异, 可以从卫星遥感信息中即时发现火情, 并监测燃烧状态和蔓延趋势。
在森林或者秸秆有火情发生时，过火区域因为植被遭到破坏，期光谱不再具有正常植被的特征，近红外波段反射率下降，在短波红外波段由于缺少植被冠层覆盖，降低了湿度，反射率有所增加；而正常植被在短波红外波段因为叶片水分的吸收作用，常形成吸收谷。
过火区域和未过火区域在近红外和短波红外两个波段形成明显差异，因而常用这两个波段来突出火点的发生。
由于过火区域的亮度温度有所增加，因此也有研究将热红外波段加入进来共同监测火点。图4显示的是Landsat8卫星图像上火点和非火点的光谱曲线。A图显示的三个不同火点的光谱曲线，可以看出在波段6和波段7两个短波红外波段的数值明显高于其他波段，而在B图中显示的其他地物则没有这种现象。就是通过此种差异，加上卫星热波段的不同，来共同监测火点。
图4 火点和非火点地物光谱曲线（A图为火点的光谱曲线、B图为非火点地物的光谱曲线）
全球火点监测中必不可少的手段
遥感卫星特有的光谱特性以及周期重复等特点，使得能够及时准确的发现并标记火点，提供详细的火点位置，大大降低人工参与成本。目前卫星遥感监测手段已经成为全球火灾监测中必不可少的手段，在全球大面积火点监测中发挥着异常重要的作用。
森林火灾
森林火灾是一种极其复杂的自然现象，其发生具有随机性、普遍性和必然性的特点。受可燃物类型、火环境以及火源条件等因素综合影响，目前还无法做到对林火发生发展的准确预测。但是通过遥感等手段能够快速准确发现林火、跟踪林火行为和状态。
图5展示的2017年5月17日发生在大兴安岭那吉林场的火灾，遥感卫星所检测出的火点，四幅图分别是从2017年5月17日火灾发生一直到5月20火情基本扑灭，遥感卫星影像上发现火点的位置。
图5 2017年5月17日到5月20日遥感监测的大兴安岭那吉林场的火点情况
从中可以看出，由于火点的高温属性，即便在有云雾遮挡的情况下，依然能够发现火点的情况。
图6展示的是利用2017年5月18日短波红外合成的那吉林场火场的情况，可以清楚看出火线的位置，以及火烧迹地的范围。
图6 2017年5月18日利用短波红外合成的那吉林场火烧状况的假彩色图
秸秆燃烧
传统的秸秆燃烧监测，主要是人为参与式实地调查方式，虽然可以精确地测量燃烧区，但是需要耗费大量的人力、物力和财力且调查范围相当有限，时效性受到很大的限制。
而以遥感卫星数据为基础的热源探测方法，可以快速生成大片区域的调查报告。图7展示的是2017年10月份利用遥感短波红外合成的哈尔滨地区的假彩色图，图中呈现橙色或者红色的区域就为秸秆燃烧的名火点，部分还具有蓝色的烟柱，从中呈现出哈尔滨该区域的秸秆燃烧的状况。
图7 哈尔滨地区遥感假彩色图，可以看出有大量秸秆燃烧点（卫星数据：Landsat-8）
从该遥感图像中可以很容易提取出火点，图像本身也可以作为底图进行佐证。通过遥感卫星，能够快速有效地检测出这些火点，及时警报，以便管理部门进行有效的监管。
监测地表火点的卫星“天团”
国际上最早被用于高温目标监测的卫星包括美国航空航天管理局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的地球同步业务环境卫星（Geostationary Operational Environmental Satellite, GOES），以及美国海洋与大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA）的极轨卫星。
两个卫星系列设计的主要目的是提供环境和气象的业务化监测，其搭载的中红外通道（3.7~4μm）和热红外通道（10~11μm）可被用于监测火点。从上世纪 80 年代初至今，已积累了近 30 年连续的区域及全球火点分布数据，被广泛用于森林火灾的监测与预警、生物质燃烧排放估算以及生态及气候影响评估。
搭载在Terra和Aqua卫星上的MODIS传感器是目前广泛使用的用于生产火点产品数据的传感器。2011年NASA与NOAA发射了后续的NPP卫星。NPP卫星上搭载了可见光红外成像仪，它可以收集陆地、大气、冰层和海洋在可见光和红外波段的辐射图像，是MODIS中分辨率成像光谱仪的后续改进产品。其火点产品地面分辨率达375米。VIIRS可见光红外成像辐射仪产品的时间分辨率比较高，每天都过境。此外，我国的风云卫星也具备红外观测能力。
上述卫星的空间分辨率属于中低分辨率卫星范畴。
以Landsat-8为代表的中等分辨率陆地资源卫星是另一类适合监测地表火点与高温点的卫星。这类卫星具有较高地面分辨率的短波红外波段。短波红外对600K-1500K的地表温度非常敏感。而秸秆燃烧的温度在600K-800K之间，正好落在短波红外的敏感区间内。利用这种中等分辨率卫星数据能够对小的火点（如田间秸秆燃烧的火点）进行监测。
图8 Landsat-8遥感卫星
凡是具备短波红外波段的卫星，都具有监测火点的能力，目前主要有Landsat-8（短波红外地表分辨率30米）、中国资源一号04星（短波红外分辨率40米）、Sentinel-2卫星（短波红外分辨率20米）等。这些数据的地表分辨率远高于传统MODIS数据。火点数据有很高的地理定位精度。从这类卫星上提取的火点数据能够精准地定位到田间地头，不仅仅能够及时发现火点的位置，也能对后续的管理追责起到重要的信息支持作用。
中科院遥感与数字地球所杨进团队，根据森林火灾和秸秆燃烧火点的特点，综合利用中低分辨率的遥感数据，进行火情的监测。低空间分辨率的遥感卫星具有较短的重访周期，可以生成一天多次的火点监测产品，大大提高了大范围火点监测的频率；而对于较小精细的火点，利用中分辨率数据进行实时分析，及时监测如秸秆燃烧等细小火点。
结合多颗遥感卫星，可以大幅度提升地表火点的监测水平，以满足监管部门的需求。目前已经开发了一个提供在线火点查询服务的网站（http://satsee.radi.ac.cn:8080/index.html）。图9展示的是该系统监测到某区域秸秆燃烧的状况。
图9 某村落附近农田秸秆燃烧情况
未来……
在国家中长期民用空间基础设施规划中，预计到2025年，我国将发射三十多颗气象、环保、资源遥感卫星与高性能静止轨道气象卫星。卫星对地面成像能力大大提高，对需要监测的区域实现高频次的观测，观测频次可以实现几十分钟一次。
届时将建立一星多用、多星组网、多网协同、数据集成服务的相关机制。卫星数据使用的广泛度、普及度与应用深度将远超过当前，遥感卫星将真正成为监视火点的“火眼金睛”。
以上内容由中国遥感卫星地面站杨进、马勇、陈甫提供。