基于地球同步轨道卫星遥感数据野火蔓延速率估算

摘要

野火蔓延速率（Wildfire Spread Rate，FSR），定义为单位时间内野火朝某个方向蔓延的距离，是表征野火行为特征（野火火焰高度，野火火线密度等）的重要参数。（近）实时的野火蔓延速率数据可以为野火防控提供及时有效的监控信息，提高相关部门野火救援的效率。然而，传统的野火蔓延速率估算方法都难以实现大区域且（近）实时的野火蔓延速率估算，无法为相关部门及民众提供科学及时的决策数据和支持。随着新一代地球同步轨道卫星的陆续发射，高空间分辨率和时间分辨率卫星遥感数据的获取成为可能，有助于提高野火蔓延速率提取的时效性及准确性。 本研究以日本新一代地球同步轨道卫星Himawari-8数据为基础，面向2015年11月17日澳大利亚南部草原野火，开展基于地球同步轨道卫星遥感数据野火火点检测方法和野火蔓延速率提取方法研究。完成的主要工作和相关成果如下： （1）将目前常用的四种不同野火火点检测算法应用到Himawari-8数据上，对研究区野火火点进行近实时的检测。四种野火火点检测算法包括三种基于空间信息的野火火点检测方法（基于固定阈值，基于窗口上下文以及基于全局上下文方法）和一种基于时间信息的野火火点检测方法（基于时间序列方法）。不同算法中的参数根据研究区的信息设置。最后基于中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）野火火点产品（MYD14）对不同的野火火点检测算法结果进行了质量评估。同时，Himawari-8测试版的近实时野火火点（Active Wildfire，WLF）数据也被首次评价。结果显示，基于全局上下文的检测算法在研究区表现最好，基于时间序列的方法次之，基于固定阈值和基于窗口上下文的方法效果相当，WLF数据质量最为不好。 （2）建立了一种新的基于地球同步轨道卫星遥感数据的近实时野火蔓延速率提取方法（H8-FSR）。该方法的建立依据惠更斯理论和野火火点质心理论。方法的实施分为三步：时间序列野火过火面积提取、时间序列野火中心提取、近实时野火蔓延速率计算。野火过火面积来自于野火火点的累计，野火中心来自过火面积的质心。将该方法应用在研究区提取了近实时的野火蔓延速率。结果显示，与英联邦科学与工业研究组织（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，CSIRO）草地野火传播（Grassland Fire Spread，GFS）模型的野火速率模拟结果相比，H8-FSR方法可以很好的提取野火蔓延速率，其中回归系数（slop）为0.944，决定系数（R2）为0.552，平均偏差（Mean Bias Error，MBE）为-0.15m/s，平均绝对百分误差（Mean Absolute Percent Error，MAPE）为31.25％，均方根误差（Root Mean Square Error,RMSE）为0.930m/s。 （3）探讨了野火火点质量和过火面积累计时间对于H8-FSR方法性能的影响以及分析了提取的野火蔓延速率与植被地形气象之间的关系。影响H8-FSR性能的分析显示，H8-FSR在不同的野火过火面积累计时间下表现出性能不同，基于全局上下文的野火火点检测数据在累计时间为1个小时和2个小时的时候，H8-FSR表现最好。在相同的累计时间下，野火火点数据质量越高，H8-FSR提取野火的性能越好。野火蔓延速率与植被地形气象信息的相关性分析表明，在研究区野火蔓延速率与可燃物信息、气象信息以及植被生长状况有较显著的相关关系，与坡度无显著相关关系。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究意义及目的

1.2 国内外研究现状

1.2.1 地球同步轨道卫星发展状况

1.2.2 野火火点检测研究进展

1.2.3 野火蔓延速率估算研究进展

1.2.4 存在的问题

1.3.1 论文研究内容

1.3.2 论文研究方案

1.3.3 论文章节安排

1.4 本章小结

第二章 研究区概况及数据

2.1 研究区简介

2.2 遥感数据及预处理

2.2.1 Himawari-8数据

2.2.2 Himawari-8数据预处理

2.2.3 遥感野火火点产品

2.2.4 遥感野火火点产品预处理

2.3 气象数据

2.4 本章小结

第三章 Himawari-8数据火点检测方法

3.1 基于固定阈值的野火火点检测方法

3.2 基于上下文的野火火点检测方法

3.2.1 基于窗口上下文的野火火点检测方法

3.2.2 基于全局上下文的野火火点检测方法

3.3 基于时间序列的野火火点检测方法

3.4 实验结果对比分析

3.4 本章小结

第四章 Himawari-8数据野火蔓延速率提取方法

4.1 野火蔓延速率提取方法

4.1.1 野火过火面积提取

4.1.2 野火中心提取

4.1.3 野火蔓延速率计算

4.2 CSIRO GFS模型及精度评定方法

4.2.1CSIRO GFS模型

4.2.2 精度评定方法

4.3 基于不同野火火点检测算法的验证结果

4.4 野火蔓延速率与地形植被气象相关性分析

4.5 本章小结

第五章 结论及展望

5.1 结论

5.2 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果