摘要 森林是人類的寶貴資源，森林火災是破壞森林資源的重要因素之 一，我國是一個森林火災頻繁發生且森林資源匱乏的國家，鑒于我國 森林資源的實際狀況和森林火災的嚴重危害性，加強森林火險預測預 報和火災監測工作，對于提高我國的森林覆蓋率、保護生態環境和人 民生命財產安全，都具有特別重要的現實意義。 本文將r s 和g i s 技術結合在一起進行森林火險的預測預報和火 災監測研究，從森林火環境的森林可燃物、氣象要素、地形影響因素 出發，選取可燃物類型、可燃物濕度、氣溫、相對濕度、坡度、坡向、 海拔等若干主要因子，利用這些因子構建了三個劃分火險等級的指 數：( 1 ) 地形危險指數( t d i ) 一由坡度、坡向、海拔計算；( 2 ) 天 氣危險指數( w d i ) 一由空氣溫度、相對濕度計算；( 3 ) 可燃物危險 指數( f p i ) 一由可燃物類型( 可簡單分為死、活可燃物) 中的死、活 可燃物濕度計算。用m o d i s 遙感數據反演獲得氣溫，相對濕度，死、 活可燃物濕度等因子；g i s 數據主要是利用其獲取研究區的植被分 布類型及生成d e m ，獲得坡度、坡向、高程等因子。選取黑龍江和湖 南省等地為此次的研究區域，將獲得的t d i 、w d i 、f p i 指數等相關信 息進行分析研究，結果表明，這三個指數與火險的等級有著密切的關 系，適合于應用到我國火險等級的劃分中。 根據火點輻射與背景輻射的差異及m o d i s 數據火災監測原理， 利用m o d i s 數據2 2 通道( 火點輻射) 和31 通道( 背景輻射) 亮溫 構建一個火點指數f i ；根據只有當植被覆蓋率達到一定程度時才會發 生火災的情況，應用歸一化植被指數( n d v i ) 對其火點提取精度進 行了修正，去除了因地表不是植被或植被稀少而不足以引發火災的區 域，有效減少了因裸土或“城市熱島 效應引起的誤判。針對黑龍江 省2 0 0 4 年1 0 月1 5 日發生的特大森林火災的情況，提取了幾種地物 的f i 、n d v i 值，分析了f i 、n d v i 值與不同地表類型的關系。經過 分析，相對于m o d i s 絕對火點識別算法，火點指數f i 法在提取精度 及提取速度上都有提高。 關鍵詞森林火險預報，地形危險指數，天氣危險指數，潛在火險指 數，森林火災監測 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 原創性聲明 本人聲明，所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作 及取得的研究成果。盡我所知，除了論文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得中南 大學或其他單位的學位或證書而使用過的材料。與我共同工作的同志對本 研究所作的貢獻均已在論文中作了明確的說明。 作者簽名：! 娶盤螢日期：塑旦3 年三月笪日 學位論文版權使用授權書 本人了解中南大學有關保留、使用學位論文的規定，即：學校有權 保留學位論文并根據國家或湖南省有關部門規定送交學位論文，允許學位 論文被查閱和借閱；學校可以公布學位論文的全部或部分內容，可以采用 復印、縮印或其它手段保存學位論文。同時授權中國科學技術信息研究所 將本學位論文收錄到中國學位論文全文數據庫，并通過網絡向社會公 眾提供信息服務。 作者簽名：啦 導師簽名駐地日期：等年工月面 中南大學碩士學位論文第一章緒論 第一章緒論 1 1 課題研究的意義與目的 森林是人類的寶貴資源，森林火災是破壞森林資源的重要因素之一，我國是 一個森林火災頻繁發生且森林資源匱乏的國家，鑒于我國森林資源的實際狀況和 森林火災的嚴重危害性，加強森林火險預測預報工作，對于提高我國的森林覆蓋 率、保護生態環境和人民生命財產安全，都具有特別重要的現實意義。 森林生態系統是陸地自然生態系統中最大的生態系統，它在整個自然界中的 動態平衡中具有重要的作用，給人類的生產生活帶來各種各樣的益處。森林通過 光合作用吸收二氧化碳和放出人類及其他生物賴以生存的氧氣。森林還可以保持 水土、美化景觀、降低風速、減少噪音、保護自然；凈化空氣、保護環境；娛樂 保健、有益健康；提高水質、涵養水源；調節氣候、發展農業；提供木材、發揮 經濟。我國森林資源的特點：森林資源分布不均衡，主要分布在東北、西南 等人口稀少地區；樹種結構不合理，用材林多，防護林少，針葉林多，闊葉林 少；特別是東北和西南部分地區，多為易燃性強的針葉林南方九省中幼林多， 成熟林少，一旦發生森林火災，就會給森林帶來滅頂之災他1 。 森林火災屬于世界性、跨國性的自然災害，對森林的破壞性極大，危害極深， 造成的經濟損失相當嚴重。林火不僅燒毀森林，降低林分密度，而且破壞森林結 構，降低森林的利用價值。林火燒死幼苗、幼樹，延長森林更新期；被燒的林地 表土巖石裸露，很多地方變成荒山禿嶺，森林難以恢復；強烈的火災不僅燒毀森 林，破壞郁閉度，燒毀地被物，使土壤裸露，而且大大降低了森林保持水土、涵 養水源、調節氣候的作用：林火使森林貯存的大量能量突然釋放，破壞了森林生 態系統，造成生態系統內生物因子、生態因子的混亂，需要經過幾十年或更長時 間才能恢復b 。 據概略的統計，在2 0 0 0 年以前世界每年發生森林火災約2 2 萬次以上，燒毀 的各種森林約占全球森林總面積的0 2 3 以上。2 0 0 2 年1 0 月在墨西哥舉行的“新 千年森林火災研究國際研討會 預測，隨著地球變暖的趨勢，今后5 0 年內全球 發生的森林火災將會增加。森林火災不僅燒毀大最的森林資源，破壞自然環境和 生態平衡，而且會嚴重影響人類的正常生活，甚至給人類帶來災難性的損失。森 林火災對生態系統破壞性的影響有可能長達幾十到數百年，而至于某些珍稀植物 與動物的毀滅則永遠無法恢復。我國是一個森林火災多發的國家，由于我國國土 遼闊、地形復雜多樣，各地氣候千差萬別，致使森林火災頻發，由此造成的經濟 損失居高不下。據統計，1 9 5 0 一1 9 9 7 年全國共發生森林火災6 7 6 萬次，平均每 年發生森林火災1 4 3 萬次，平均受災森林面積8 2 2 萬h a ，年均森林受害率為 中南大學碩士學位論文 第一章緒論 0 6 3 ，大約占世界每年火災次數的1 4 ，年均受害森林面積為世界的2 0 。 因此研究森林火災的遙感探測方法提高火點探測精度，探索新型先進的森林火險 預報模型改善預報準確率，對于作好森林火災預防，及時盡早發現火點，快速高 效進行撲救具有十分重要的意義。衛星遙感監測利用了衛星的時間分辨率高、覆 蓋面積廣等特點在森林防火中得到極大的應用，大大提高了對森林干旱、火災監 測和預報能力，有效避免了常規監測手段在時間、空間上的不足，為確定災害特 征及開展減災技術的研究，進一步做好森林防火工作提供了極具潛力的技術支撐 f 3 ) o 該課題研究的目的正是在現有的科學技術基礎上，利用實時的m o d i s 遙感 數據對森林火災進行預警研究分析，低成本、高效率，直觀準確的對現在的火險 等級和已經發生的森林火災進行監測研究，將生成的火險等級在森林防火地理信 息系統中顯示，加上森林防火專題數據圖層，用來判斷高火險等級所在位置的地 形、地貌性質( 森林、草原、旱地或沼澤) ，為火險預報等提供科學的依據。 1 2 所用的研究技術簡介 1 2 1 遙感( r s ) 技術 遙感就是不直接接觸物體，從遠處通過探測儀接收來自目標地物的電磁波信 息，經過對信息的處理，識別地物的技術h 吲。它主要是指利用可見光、紅外、 微波等探測器，通過攝影或掃描、信息感應、傳輸和處理，從而識別地面物質的 性質和運動狀態的現代化技術體系。它包括呻吖1 ：空間信息采集系統( 包括遙 感平臺和遙感器) 地面接收和預處理系統( 包括輻射校正和幾何校正) 地面 實況調查系統( 如收集環境和氣象數據) 信息分析應用系統，主要包括遙感數 據的變換、分類以及作為地理信息系統等其他應用系統的輸入數據。 遙感技術的應用范圍包括：陸地水資源調查、植被資源調查、地質調查、城 市遙感調查、海洋資源調查、測繪、考古調查、環境監測和規劃管理等。在現代 森林資源調查中遙感圖像是空間數據源，它包括森林全貌和森林分布狀況等各種 信息，如樹種組成、樹高、樹冠覆蓋率和面積等指標。通過對圖像的增強處理、 特征提取、模式識別等，使遙感圖像再現整體森林的空間分布。目前，世界上許 多國家都已經發射了服務于不同目的的各種遙感衛星，其遙感器的空間分辨率和 光譜分辨率也都各異，形成了從粗到細的對地觀測數據源系列，可以用于監測從 土地利用、農作物生長、植被覆蓋到洪水、森林火災、環境污染等現象的信息及 其動態變化。我國幅員遼闊，自然條件復雜，資源豐富，但長期以來缺乏詳細和 全面的各種資源調查。目前我國自然資源和環境狀況仍然沒有全面、普遍查清， 2 中南大學碩士學位論文 第章緒論 這嚴重地影響了經濟建設的發展。因此，查清我國的自然資源以滿足國民經濟中 許多部門急切需要的各種數據和圖件資料，利用遙感技術這種先進手段對資源與 環境進行調查是十分必要和可行的。 1 2 2 地理信息系統( g is ) 技術 地理信息系統融合計算機圖形學和數據庫于一體，用來存儲和處理空間信息 及其屬性信息準確真實，借助其獨有的空間分析功能和可視化表達功能，進行各 種輔助決策悃。通俗的說g i s 就是管理各種專題地圖和空間地理位置有關的數據， 并在此基礎上進行專題規劃、分析、地圖制圖、查詢檢索、數據采集、編輯處理 等功能的信息系統。隨著社會的進步，地理信息系統的應用領域也在不斷擴大， 目前幾乎涵蓋社會經濟生活的各個方面，特別是在土地管理、資源環境、城市規 劃、測繪制圖等方面得到廣泛的應用。 利用g i s 技術可以將不同的專題( 如森林防火、資源管理、植樹造林、經營 采運、病蟲害管理) 有機結合在一起，g i s 數據庫可以為不同專題提供基礎服務。 數據是g i s 系統中最基礎的部分舊，利用計算機來提取、處理數據是g i s 的基本 功能。g i s 處理的數據分為兩類們：一類主要是和空間位置、空間關系有關的數 據，稱為空間數據；另一類是地理元素中非空間的屬性信息，稱為屬性數據。g i s 兩個顯著特征：一是它不僅可以像傳統的數據庫管理系統( d b m s ) 那樣管理數據 和文字( 屬性) 信息，而且可以管理空間( 圖像) 信息；二是它可以利用各種空 間分析的方法，對多種不同的信息進行綜合分析，尋求空間實體間的相互關系。 1 2 3g l s 和悠的集成 地理信息系統是用于分析和顯示空間數據的系統，而遙感影像是空間數據的 一種形式，類似于g i s 中的柵格數據。因而，很容易在數據層次上實現地理系統 與遙感的集成。但是實際上，遙感圖像的處理和g i s 中柵格數據的分析具有較大 的差異，遙感圖像處理的目的是為了提取各種專題信息，其中的一些處理功能， 如圖像增強、濾波、分類以及一些特定的變換處理( 如陸地衛星影像的k t 變換) 等，并不適用于g i s 中的柵格空間分析，目前大多數g i s 軟件也沒有提供完善的 遙感數據處理功能，而遙感圖像處理軟件又不能很好的處理g i s 數據，因此需要 實現g i s 和r s 的集成。 1 2 3 1 遙感數據作為地理信息系統的數據源 數據是g i s 中最為重要的部分，而遙感提供了廉價的、準確的、實時的數據， 目前如何從遙感數據中自動獲取地理信息依然是一個重要的研究課題，它包括線 3 中南大學碩士學位論文 第一章緒論 以及其它地物要素的提取；d e m 數據的生成；土地利用變化以及地圖更新。 利用遙感數據更新空間數據庫，最直接的方式就是將糾正后的遙感圖像作為 背景底圖，并根據其進行矢量數據的編輯修改。因為遙感圖像可以視為一種特殊 的柵格數據，所以不難實現遙感和g i s 集成的工具軟件關鍵是提供非常方便 的柵格矢量數據相互操作和相互轉換功能，但是要注意的是，由于各種因素的 影響，使得從遙感數據中提取的信息不是絕對準確的。此外，還要考慮尺度問題， 即遙感影像空間分辨率和g i s 數據比例尺的對應關系。 1 2 3 2 地理信息系統為遙感提供空間數據管理和分析的技術手段 r s 信息源主要來源于地物對太陽輻射的反射作用，識別地物主要依據r s 測 量地物灰度值的差異，有時可能會出現“同物異譜 和“同譜異物”現象，但僅 用r s 數字圖像處理技術，解決這類問題難度較大，若將g i s 和r s 技術結合起來， 此類問題就易于解決。將g i s 作為遙感圖像的處理工具，可以在以下幾個方面增 強標準的圖像處理功能：幾何糾正和輻射糾正；圖像分類及對感興趣區域的提取。 g i s 可以將遙感圖像與已有的各種專題圖進行匹配，將遙感圖像與各種專題圖疊 加在一起，可以根據圖像中火點的位置在地圖上準確定位，并反映周邊的資源和 社會經濟狀況。由此可以判斷造成災害的可能性，以及造成災害的后果n 2 。1 們。 1 2 3 3 地理信息系統和遙感圖像的結合方式 本系統采用的是g i s 和r s 的表面無縫結合( 如圖i - i 所示) 。r s 的數據結 構為柵格數據，其幾何信息( 定位信息) 為其行、列數，而其屬性信息( 定性信 息) 為其灰度值，g i s 多為矢量數據結構，可實現矢一柵轉化。因此，g i s 和r s 的結合過程主要就是數據的轉換、傳輸與配準。所謂配準是指r s 數據與g i s 中 圖形數據之間幾何關系的一致。為了便于管理，在具體實施中的結構是r s 為g i s 的子系統，這種結構更易于實現，因為在g i s 中增加柵格數據處理功能比在r s 中增加矢量數據處理、分析及數據庫管理功能更容易一些，邏輯上也更為合理 【1 5 - 1 6 】 圖i - ig i s 和r s 的表面無縫結合方式 4 中南大學碩士學位論文第一章緒論 1 2 4 數學方法 數學方法是運用數學所提供的概念、處理方式及技巧，對所要研究的對象進 行量的分析、描述和推導，以數學形式表達事物內在聯系方法，具有定量性、抽 象性、預測性、精確性和適用性等特點。近些年來，信息論、系統論、控制論的 完善，計算機技術的廣泛應用，都大大促進了數學的發展，而數學學科體系的完 善、學科內容的豐富又為科學技術的發展提供了更強有力的工具。森林火災的定 量化分析評價、預測等方面都要用到數學方法( 如線性代數、概率分布與隨機過 程、數理統計與多元分析、集合論與圖論、模糊數學等) ，利用這些數學方法可 揭示森林火災發生的客觀規律。目前在這方面的研究多處在數學加工和建立數學 模型階段，定性分析描述較多，定量分析和計算較少，因此還需要繼續不斷的深 入探討，創造新的數學工具和方法，以便用精確的數學語言表達森林火災發生的 內在規律，提高科學預報的準確性，推動森林火災監測工作的進一步發展和完善。 1 3 國內外研究狀況 林火預測預報是依據一些客觀要素，針對森林火災的有關趨勢，采用一定的 數理方法所得出的預測。林火預測預報一般分為三種：即林火天氣預報、林火發 生預報和林火行為預報。林火預報還分為短期預報( 2 天以內的天氣變化) 、中 期預報( 3 1 0 天) 和長期( 1 0 天以上) 預測預報。森林火險天氣預報：森林 火險天氣預報，僅預測天氣條件能否引起火災的可能性，它不包括火源在內。 林火發生預報：綜合考慮天氣條件的變化，可燃物干濕程度變化和森林可燃物類 型特點及火源出現的危險等，來預測預報火災發生的可能性，包括雷擊火和人為 火發生的可能性。林火行為預報：預報火災發生后，預測預報林火蔓延速度、 能量釋放、火勢強度以及撲火難易程度。 正式的森林火險預報系統在加拿大、澳大利亞和美國已經有大約7 5 年的歷 史。我國研究森林火險預報較晚，1 9 5 5 年才開始。早期的火險預報主要是利用 氣象數據和地面觀測數據進行，遙感技術應用的很少。上世紀八十年代開始，伴 隨著以計算機技術為代表的高新技術的迅猛發展，遙感技術逐步進入火險預報領 域。在世界范圍內，火險等級的應用已成為越來越多的有林國家林火管理的有力 工具。國際上許多國家的林火研究工作者，從實驗室到現場觀測做了大量的工作。 它們通過不同的途徑和方法，摸索到許多規律性的東西，獲得許多有實用價值的 寶貴經驗，取得了可喜的成績。林火預報的研究和應用在西方發達國家至少要比 中國早3 0 年。我國目前林火預報無論是從研究角度還是從應用角度都與美國、 加拿大等國有較大差距。 中南大學碩士學位論文第一章緒論 林火預報是在天氣預報的基礎上進行的，天氣預報的準確性直接影響林火預 報的準確性。但林火預報有其本身的特點，要充分估計到地形地貌、可燃物的干 濕程度、可燃物類型特點以及火源等。所以天氣預報不能代替林火預報。一般林 火預報由氣象站( 局) 結合林業部門共同進行。有條件的地方，林業部門可以設 立觀測站點，專門進行林火預報。 在利用遙感數據進行森林火險監測與評估方面，美國、加拿大、西班牙及澳 大利亞等國走在世界的前列。p a l t r i d g e ( 1 9 8 8 ) 利用n o a a a v h r r 圖像數據對 澳大利亞的草原干燥度及潛在火險進行了監測和評估；l o p e z ( 1 9 9 1 ) 8 利用 n o a a a r r 圖像數據對西班牙的森林火險進行了監測和評價，l o p e z ( 2 0 0 2 ) 鍆 將可燃物類型圖、遙感數據和氣象數據進行集成，利用潛在火險指數f p i ( f i r e p o t e n t i a li n d e x ) 指數，對全歐洲進行了森林火險評價；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 數據計算得到的n d v i 、地表溫度t s 和相對綠度r g r e 三個參數，對植物含水率進行監測并以此評估西班牙的森林火 險。 國內近年來也開始將遙感技術與g i s 技術應用于森林火險等級預報研究中。 易浩若等在1 9 9 8 年立項的“建立國家級森林火險預報系統”中，將由a v h r r 數 據生成的植被指數應用到該系統中，將其作為植被長勢的定量因子，從而實現了 動態反映地表植被狀態。z h o u ( 2 0 0 3 ) 乜鍆利用m o d i s 數據生成的植被指數與氣 象數據相結合，對我國北方草原火險等級預警方法進行了研究。w a n g ( 2 0 0 4 ) 乜鍆， z h o u ( 2 0 0 4 ) 啪1 利用m o d i s 數據反演的植被指數、草的含水率及地表溫度來進行 我國北方草原火險等級預警監測。郭廣猛( 2 0 0 4 ) 啪1 ，覃先林( 2 0 0 5 ) 乜7 刮利用 遙感與g i s 技術計算了火險指數，并進行森林火險等級的分級，實現了從定性到 定量描述森林火險等級。 1 4 論文研究的技術路線 ( 1 ) 收集、整理2 0 0 4 年全年e o s i v i o d i s 的影像資料，研究分析當前的火險 預報模型一美國f p i 火險監測模型； ( 2 ) 分析f p i 模型需要輸入的因子一活、死植被的濕度； ( 3 ) 植被的綠度為活植被的濕度提供有用的參照； ( 4 ) 細小死可燃物的濕度對火傳播至關重要，所以1 0 小時時滯可燃物濕度可 以代表死植被： ( 5 ) 利用m o d i s 數據反演相對濕度、溫度和植被覆蓋度： ( 6 ) 將各因子輸入f p i 模型中去，分析試驗結果； ( 7 ) 將得到的火險等級圖輸入到a r c g i s 中去，結合行政區劃數據得到各地區 6 中南大學碩士學位論文 第一章緒論 的火險等級分布圖。 研究的技術路線如圖 - 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 氈黜冒 ，一、ilj t 。一一i 一一一一j l l l ，廣上、 ( 頸盤壘理) k ， |一- 一l 一一一一一一 一一，f 一一專一一一一一_ 一一一! i i 歸。吡植 ii 火點 被水指數 相對綠度 ii 地震溫度相對濕度 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 處 活可燃物濕度 死可燃物澎度 理 l 火險預報模型 裕 止 ， 輸 森林火險發生等級 出 圖1 - 2 研究的技術路線圖 7 中南大學碩士學位論文 第二章研究區和數據的選取處理 第二章研究區和數據的選取處理 2 1 研究區概況 2 1 1 自然地理概況 論文研究以黑龍江省為實驗區。黑龍江省位于我國的東北部，地處北緯 4 3 。2 6 5 3 。3 3 7 n ，東經1 2 1 。1 0 - 1 3 5 。5 1 7 e 之間，全省面積4 5 3 9 萬k m 2 ， 占我國國土總面積的4 7 ，居全國第6 位，耕地面積8 8 6 7 萬h m 2 ，居全國第1 位。 畜牧草原、草坡5 0 7 7 萬h m 2 ，是全國1 0 個擁有大草原的省份之一啪1 。 2 1 2 森林火災概況 由于我國的森林資源分布極不平衡，主要分布在東北、西南和南方等地區， 而森林資源主要分布區常常也是我國森林火災多發區。我國幅員遼闊，各林區間 氣候、植被、地形地勢以及社會經濟狀況差異大，因而各林區森林火災發生規律 也不盡相同。黑龍江大興安嶺、小興安嶺是東北林區森林分布最集中的地帶。該 林區東西跨度近2 0 度，氣候條件很不一致，從北到南，隨氣溫變化，可分為寒溫 帶、溫帶和暖溫帶；從東到西，隨水分的變化可分為濕潤區、半濕潤區和半干旱 區，相應的植被從北到南有寒溫帶針葉林、溫帶闊葉混交林和暖溫帶落葉闊葉林； 從東到西有森林、草甸草原( 森林草原) 和典型草原。東北大興安嶺以興安落葉 松為主的針葉林，小興安嶺一帶紅松闊葉林為該地區的地帶性植被。 東北林區森林火災的特點概括為以下四個方面【3 i 】：森林火災次數少、面 積大：東北林區的森林火災次數明顯少于全國其它林區。但由于林區氣候干旱， 春季風大，森林面積大，經營水平低，對林火控制能力弱，容易發生森林大火。 東北林區火災面積約占全國森林過火面積的5 5 ，火災受災面積居全國第一位。 西北部火災次數少、面積大，東南部火災次數多、面積小：大興安嶺林區為我 國高寒林區，屬大陸性氣候，春季干旱季節長，大風天多，植被為寒溫帶針葉混 交林。林內存在部分自然火源( 雷擊火) ，森林防火設施不足，個別地區數百里 無人煙，林區控制林火能力薄弱，一旦發生火災就非常容易釀成大火或特大火災。 東南部為山地，為海洋性氣候，屬濕潤區，氣候溫和；植被為寒溫帶針葉闊葉混 交林和暖溫帶落葉闊葉混交林，其燃燒性比寒溫帶針葉混交林要低得多。人1 ：3 密 度較大，交通方便，一旦發生火災，比較容易控制，發生特大火災可能性小。 春季火災次數多、面積大，秋季火災次數少、面積也小：森林火災集中在春季和 秋季。夏季為雨季，一般不發生火災，但也有個別干旱夏季也發生過火災。冬季 中南大學碩士學位論文第章研究醫和數據的選取處理 地面積雪覆蓋，溫度在0 。以下，一般不發生火災。春季火災多而面積大，一是春 季火災季節長，般3 到4 個月：秋季火災季節短一般為1 到2 個月。另一個原因是 由于春季積雪融化后枯草裸露極易著火，火燒地表枯草和溫熱層枯枝落葉，樹木 根系危害較輕，這時樹木還處在休眠狀態，對火燒不敏感。而秋季一般多為地表 火，但對樹木的危害嚴重，因為此時樹木尚未完全休眠火容易燒傷干基和根基 加上火蔓延慢，持續時間長，因而火烈度大。森林大火、特大森林火災較集 中：大火、特大森林火災主要發生在大興安嶺地區和黑河地區，這些地區發生森 林太火的林種類型表現出寒溫帶針葉混交林最為嚴重，溫帶針葉林闊葉混交林次 之，暖溫帶落葉闊葉混交林較輕等特點；從地塊上來說，火災面積最大的為草地 其次為次生林，最小的為原始林。 。篙移：萃 圍2 一i 各林區受災面積占我國森林受競面積的百分比 2 2 研究采用的數據及處理軟件 22 1 研究采用數據 22 11m o d i s 數據特點 m o d i s ( 中等分辨率成像光譜儀) 是美國國家航天航空局( n a s a ) 對地觀測計 劃( e o s ) 中用于觀測全球生物和物理過程的傳感器，分別搭載在t e r r a 和a q u a 衛星 之上。m o d i s 數據波段范田廣，包括了3 6 個波段，數據空間分辯率包括了2 5 0 m 、 5 0 0 m 和1 0 0 0 m 三個尺度。這些數據均對地球科學的綜臺研究和對陸地、大氣和海 洋進行分門別類的研究有較高的實用價值；此外，t e r r a 和a q u a 衛星都是太陽同 步極軌衛星，t e r r a 在地方時上午過境，a q u a 將在地方時下午過境。t e r r a 與a q u a 上的m o d i s 數據在時間更新頻率上相配合加上晚唰過境數據，對于接收m o d i s 中南大學碩士學位論文 第二章研究區和數據的選取處理 數據來說，可以得到每天至少2 次白天和2 次黑夜的更新數據。這樣的數據更新頻 率，對實時地球觀測、應急處理( 例如森林和草原火災監測和救災) 和日內頻率 的地球系統的研究有非常重要的實用價值b 羽。因此選擇m o d i s 數據來進行火險預 警研究。研究使用的m o d i s 數據是從n a s a 免費下載的l 1 b 數據。 m o d i s 數據波段特征如表2 1 所示。 2 2 1 2m o d i s 數據分級產品 m o d i s 數據產品分級系統：m o d i s 標準數據產品分級系統由5 級數據構成， 袁2 - 1m o d i s 數據波段特征 光譜范疇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 8陸地、2 5 0 2 8 4 1 8 7 62 0 1 云邊界 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 陸地、 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 化學 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 大氣、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 云頂溫度 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 大氣溫度 2 5 4 4 8 2 4 9 4 8 ( u m ) 0 2 51 0 0 0 l o 中南大學碩士學位論文第二章研究區和數據的選取處理 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 云頂溫度 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 云項高度 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 它們分別是：o 級、1 級、2 級、3 級和4 級。 0 級數據：衛星地面站直接接收到的、未經處理的、包括全部數據信息在 內的原始數據為0 級數據； 1 級數據：指l a 數據，已經被賦予定標參數； 2 級數據：指1 b 級數據，經過定標后數據，本系統產品是國際標準的 e o s h d f 格式。可用商用軟件包( 如e n v i ) 直接讀取； 3 級數據：在l b 數據基礎上，對由遙感器成像過程產生的邊緣畸變( b o w t i c 效應) 進行校正，產生3 級產品； 表2 2m o d i s 產品命名 產品e s d t 、數據集名稱數據級別存檔中心 m o d 0 1 m o d 0 1 原始輻射率 l 1 ag s f c m o d 0 2 m o d 0 2 k m i k m 定標輻射 l 1 bg s f c ( l 1 b 定位定標 m o d 0 2 h k m 5 0 0 m 定標輻射 l 1 b 輻射率) m o d 0 2 q k m 2 50 定標輻射 l i b m o d 0 2 0 b c 1 k m 星裁定標和工程數據 l 1 b m o d 0 3 m o d 0 3 1 k m 經緯度坐標數據l i a g s f c 4 級數據：由參數文件提供的參數，對圖像進行幾何校正，輻射校正，使 圖像的每一個點都有精確的地理編碼、反射率和輻射率。4 級產品的 m o d i s 圖像進行不同時相的匹配，誤差小于1 個像元。該級產品是應用 中南大學碩士學位論文 第二章研究區和數據的選取處理 級產品不可缺少的基礎； 5 級及以上產品：根據各種應用模型開發5 級產品。 l 1 b 數據文件名的定義規則：該數據信息編碼采用2 3 位編碼，這2 3 碼分別 由字母及數字組成。它們的定義分別如下： 第1 位碼( 1 位數) ：衛星名稱代碼，用英文字母表示。其中：a 為e o s 第 一顆上午星( t e r r a 衛星) ，b 為e o s 第一顆下午星( a q u a 衛星) ； 第2 - 4 位碼( 3 位數) ：傳感器名稱代碼，用英文字母m o d 表示，m o d 是 m o d i s 的縮寫： 第5 、6 位碼( 2 位數) ：數據級別定義代碼，用阿拉伯數字表示。其中， 0 1 為l 1 a 數據，0 2 為l i b 數據，0 3 為g e o l o c a t i o n 數據；二級以上數據編碼另 行規定； 第7 9 位碼( 3 位數) ：數據分辨率代碼，用數字和英文字母表示。其中， 1 k m 為l k m 分辨率數據，h k m 為5 0 0 m 分辨率數據，q i ( m 為2 5 0 m 分辨率數據，以 及o b c 數據。 第1 0 2 3 位碼( 1 4 位數) ：數據采集的年月日時分秒代碼，用阿拉伯數字 表示。其格式為年( 4 位數)