一种基于GK-2A的变时能量阈值火情遥感监测方法

摘要

本发明的目的在于重点解决火情遥感监测高时空分辨率数据源单一、现有监测方法灵敏度有待提升等问题，提供一种基于全新静止气象卫星GK‑2A数据变时能量阈值法的火情遥感识别监测方法。主要步骤包括：数据预处理：GK‑2A数据定标处理、大气校正和云判识处理；常规背景亮温时序变化函数构建；常规背景亮温时序变化率阈值；卫星监测目标像元亮温变化率计算；疑似火点判识；假火点剔除。本方法极大的拓展了遥感火情监测的渠道、提升了遥感火情监测的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及遥感火情监测技术领域，尤其涉及一种基于GK-2A卫星数据变时能量阈值的高灵敏度度火情遥感识别监测方法。

背景技术

火灾是陆地生态系统环境和碳循环的重要影响因子，它改变整个系统的碳源/碳汇格局，影响全球气候变化，同时也严重危及社会人民生命财产安全。卫星遥感已成为当前火情监测的重要手段，近年来已经有众多国内外学者基于Terra/MODIS、Aqua/MODIS、NOAA/AVHRR、Himawari-8、FY-3等众多卫星数据开展了火情识别监测研究；其中Himawari-8卫星数据凭借其高时空分辨率和高数据质量优势，在火情监测业务中运用广泛，但单一数据源会面临数据传输不稳定、数据缺失、数据异常及天气因素影响等方面制约，难以完全达到火情监测全域全天候的要求，因此亟需新的高质量遥感卫星，开展多源数据的遥感火情监测，以满足全域全天候的要求。Geo-Kompsat-2A(简称“GK-2A”)是韩国新一代地球同步气象卫星，2018 年12月4日发射，2019年7月25日开始提供数据服务，定位于128.2°E的赤道上空。GK2A携带先进气象成像仪(Advanced Meteorological Imager，AMI)具有更高的辐射、光谱、时间和空间分辨率；AMI的硬件配置与GOES-16系列和Himawari-8/9相似，AMI通道覆盖可见光-近红外、中红外和远红外，共16个通道，空间分辨率为0.5、1和2km，包含有利于火点判识的3.9um、11.2um和12.3um通道。因此针对以上问题，本发明公开了一种基于全新静止气象卫星GK-2A的火情探测方法，极大的拓展了遥感火情监测渠道。

遥感火点判识的基本原理主要依靠温度升高导致热辐射增强，以及不同热红外通道增长幅度差异这两个条件。现阶段遥感火点判识的主要方法为上下文法，主要基于单一时次遥感数据计算窗口内背景亮温和高温可疑像元进行火情监测，但上下文法判识阈值较高，在火情初期难以及时判识出火点。综合考虑静止气象卫星观测角度固定，图像上的同名像元前后时次定位几乎不变，以及静止气象卫星中红外通道亮温仅在太阳辐射条件下，10min内的像元亮温差异很小的特征，提出利用相邻时次亮温作为背景亮温，当某时次的亮温变率超过阈值时，认为有明火发生，即通过上下时次遥感数据探测像元亮温在观测时间上的差异以进行火情监测，本方法称为变时能量阈值法。变时能量阈值法其判识阈值远低于上下文法，有利于在火情早期及时发现判识。因此针对以上问题，本发明公开了一种基于变时能量阈值法的高灵敏度火情遥感识别监测方法，极大的提升了遥感火情监测的灵敏度和时效性。

因此，结合两种优势，本发明公开了一种基于GK-2A卫星数据变时能量阈值法的高灵敏度火情遥感识别监测方法，极大的拓展了遥感火情监测的渠道、提升了遥感火情监测的灵敏度和时效性。

发明内容

本发明的目的在于重点解决火情遥感监测高时空分辨率数据源单一、现有监测方法对火情发展初期监测能力有待提升等问题，提供一种基于全新静止气象卫星GK-2A数据的变时能量阈值法火情遥感监测方法，以实现拓展火情监测渠道、提升火情监测灵敏度。

本发明在H8火点判识算法的基础上，结合GK-2A静止气象卫星通道特性，对算法进行了改进，提出基于常规背景亮温时序变化特征、常规背景亮温时序变化率阈值和卫星监测目标像元亮温变化率的 GK-2A变时能量阈值法火点自动监测方法。具体技术方案如下：

一种基于GK-2A卫星数据变时能量阈值的高灵敏度度火情遥感识别监测方法，包括如下步骤：

(1)数据预处理：GK-2A数据投影转换、辐射校正、大气校正等；

(2)晴空像元标记：判识云、水体、荒漠区等像元；

(3)常规背景亮温时序变化函数构建；

(4)常规背景亮温时序变化率阈值；

(5)卫星监测目标像元亮温变化率计算；

(6)疑似火点判识；

(7)假火点剔除。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(1)中，利用卫星和太阳的天顶角、方位角，校正可见光近红外的反射率以及热红外辐射亮温值进行辐射定标；对热红外通道数据利用6S辐射传输模型做大气校正；并对原始GK-2A全圆盘数据进行投影。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(2)中，云区像元、水体像元和荒漠区像元等具有高反射特征，易引起火点监测的误判，因此利用云区可见光的高反射(白天)特性以及热红外通道温度特性进行云检测；利用水体在近红外波段特性提取水体；利用土地利用类型数据标记荒漠区像元；以得出晴空部分像元用于疑似火点判识。

进一步的，云区像元标记方法如式(1)：

R

式中，R

进一步的，水体像元标记方法如式(2)：

R

式中，R

进一步的，若像元所在的土地利用类型为荒漠区，标记为荒漠区像元。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)中，为判断晴空条件下背景像元在任意时刻的亮温变化是否属于异常情况，需要分析背景亮温的常规时序变化特征，以构建背景亮温的时序变化函数。静止气象卫星GK2A常规相邻10min的中红外通道亮温差异一般不到0.5K，但会受时间以及地点的影响波动。通过分析常规林区像元中红外像元亮温时序变化特征可以得出，中红外通道相邻时次亮温变化幅度有一定的日变化规律，其中从凌晨到上午期间的增温幅度较大，最大幅度超过1K，从中午到傍晚期间的变化幅度较小，最大幅度小于0.5K。通过分析常规晴空大气下垫面中红外亮温变化数据分析，下垫面亮温变化与太阳角度变化可简化成3个时间段：(1)白天升温时段，(2)白天降温时段，(3)夜间降温时段。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)中，进行常规背景亮温时序变化函数构建。综合上述特认证并结合地表增温基本原理可以得出，辐射能量与太阳高度角呈正相关，因此地表背景亮温与太阳高度角的关系可描述为公式(3)，并描述为：

式中，T是瞬时亮温；T

作为本发明的进一步改进，所述步骤(3)中，考虑不同季节及单日内亮温变化绝对值存在差异，为减少因不同时间、不同地区带来的差异，将亮温差异值转换成亮温变化率，如公式(4)。

ΔΛ＝ΔT/Δu (4)

式中，ΔΛ是亮温变化率，ΔT是前后时次的亮温差，Δu是前后观测时次时间差。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(4)中，构建亮温时序变化率阈值。利用式(3)-(4)，可估算像元任意时段亮温变化率。根据不同纬度、不同下垫面类型日温度变化温差未达60K的特性，建立符合白天理想状态的亮温变化率曲线。将白天时间通过高度角等分成6个区间，各阶段最大假设阈值选取如下：升温阶段：太阳高度角在0°—30°，亮温增长变化率为0.35％；太阳高度角在30°—60°，亮温增长变化率为0.3％；太阳高度角在60°—90°，亮温增长变化率为0.2％。降温阶段：太阳高度角在 90°—60°，亮温增长变化率为0；太阳高度角在60°—30°，亮温增长变化率为0.1％；太阳高度角在 30°—0°，亮温增长变化率为0.2％。综合，升温阶段最大变化率小于0.4％，降温阶段最大变化率小于 0.3％。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(5)中，进行卫星监测目标像元亮温变化率计算。利用式(3) -(4)计算出待监测目标像元亮温变化率。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(6)中，疑似火点判识。当像元的时序变化率满足以下条件时判定为疑似火点，公式为：

ΔΛ>ΔΛbg (5)

式中，ΔΛ是目标像元亮温变化率；ΔΛbg为背景变化率阈值，该参数通过60K亮温差假设条件的亮温变化率曲线函数计算得到。

作为本发明的进一步改进，所述步骤(7)中，假火点剔除指工厂、光伏发电厂以及城市等常年高温源和耀斑点是造成火点误判的主要原因，在火点判识过程中需将其剔除。常年高温点通常以人工热源为主，利用土地利用类型等辅助数据进行删选剔除。耀斑点主要采用耀斑角θr阈值来滤除，若可见光以及红外反射率均大于0.3，耀斑角θr小于30°，则该像元为耀斑点，剔除火点属性。耀斑角计算见公式(6)：

θ

式中，ψ为相对方位角，θv为观测天顶角。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：本方法提供了一种基于GK-2A卫星数据变时能量阈值的高灵敏度度火情遥感识别监测方法。首先研发了基于新型静止气象卫星GK-2A的遥感火情判识监测方法，拓展了卫星遥感火情监测的渠道。其次本发明了变时能量阈值法，提出了更高灵敏度的卫星遥感火情监测算法，相比上下文法，变时能量阈值法在火情发生初期的小火点监测中有明显优势，火点判识阈值较上下文法降低50％左右，可探测的亚像元火点面积也相应减小50％以上，因而对小火点判识的灵敏度明显提高，在及时发现森林草原火情早期的初发火点方面能发挥较大作用，对遥感火情监测业务化具有极大提升作用。

附图说明

图1是基于GK-2A卫星数据的火情遥感监测方法技术路线

图2是2022年2月1日14时30分华北地区预处理后的GK2A数据

图3是2022年2月1日14时40分华北地区预处理后的GK2A数据

图4是亮温变化率阈值曲线

图5是2022年2月1日14时40分华北地区GK2A火情提取结果

具体实施方式

以2022年2月1日14时30分华北地区火情判识监测过程为例，并结合附图说明和实施对本发明具体实施进一步说明：

1火情监测区域GK2A数据预处理：GK-2A数据定标处理、大气校正和云判识处理。

1.1利用卫星和太阳的天顶角、方位角，校正可见光、近红外的反射率以及热红外辐射亮温值进行辐射定标，所对应GK-2A卫星数据中的第1(0.47μm)、2(0.51μm)、3(0.64μm)、4(0.85μm)、6(1.61μm)、7(3.83μm)、14(11.21μm)和15(12.36μm)通道。

1.2对热红外通道数据利用6S辐射传输模型做大气校正，所对应GK-2A卫星数据中的第4、6、7、14和15通道。定标和大气校正后结果如图2和图3所示。

1.3利用云区白天可见光的高反射特性以及热红外通道温度特性，区分非火点和云区进行云检测，所对应GK-2A卫星数据中的第3通道、4通道和15通道进行云检测。云检测结果如图5所示，可以看出云主要分布于东北部，其余部分可以进行火情监测。

2计算目标区域亮温变化率。基于2022年2月1日14时30分和14时40分前后时次GK2A数据，根据式(3)、式(4)，计算出目标区域亮温变化率。得出A、B、C三目标区的亮温变化率分别为2.28％、 0.78％和3.21％。

3亮温时序变化率阈值。根据不同纬度、不同下垫面类型日温度变化温差未达60K的特性，建立符合白天理想状态的亮温变化率曲线，得到温差60K时，升温阶段最大变化率小于0.4％，降温阶段最大变化率小于0.3％。

2.2.3火点判识。基于时序变化率火点阈值判定条件得出A、B、C三个目标像元为疑似火点像元。

4假火点剔除。常年高温假火点点通常以人工热源和高反射为主，利用土地利用类型等辅助热源数据库数据进行删选剔除，得出A、B、C三个疑似火点中，A、B火点下垫面为人工热源点和高反射，因此判定为假火点，最终得出2022年2月1日14时40分华北地区共有C一处火情事件，最终判识监测判识结果如图5所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。