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摘要以昆明市安宁县和玉溪市易门县为研究区，选用MODIS数据作为数据源，ARCGIS和ENVI软件作为数据处理平台，采用绝对亮温、相对亮温和植被指数3个因子作为林火判断条件，提高林火判别的精度，为森林火灾的早期探测与发现、火灾扑救和损失评估业务在云南省的运用奠定基础。
关键词MODIS；森林火灾 ；亮温；NDVI
中图分类号S762.1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）28-09800-04
Study on Application of MODIS Data in Forest Fire Recognition
DUAN Weihu， HUANG Cheng， WANG Hao， ZHOU Ruliang*
（Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224）
AbstractTaking Anning County of Kunming City， Yimen County of Yuxi City as study area， selecting MODIS data as source， ARCGIS and ENVI as data processing platform， 3 factors including absolute light temperature， relative light temperature and vegetation index were determined as conditions for forest fire detection. The method can improve the accuracy of identification of forest fires， lay the foundation for early detection and discovery of forest fires， fire fighting and damage assessment services in Yunnan Province.
Key wordsMODIS； Forest fire； Light temperature； NDVI
20世纪90年代后期以来，受高温、干旱等因素的影响，世界各国范围内森林火灾更为频繁[1]。
目前，MODIS（中分辨率成像光谱仪），卫星遥感数据在可见光波段上的分辨率已经达到250 m，在近红外波段上的分辨率已达500 m，火灾监测的遥感数据的时间分辨率已经提高为1～2 h/次，在日新月异的遥感与GIS的技术水平下，挖掘遥感数据的潜在信息，充分利用GIS数据及空间分析功能，能进一步解决新的林火监测业务的难题。
西南林区热点多，热点处理工作量大。在2003年全国森林防火工作会议上，国家林业局曾要求“有条件的重点森林防火省区要逐步建设省级卫星林火监测业务系统”，研发基于GIS的卫星热点分析处理业务平台，可推动卫星林火监测业务在重点省区建设和发展[2]。笔者采用MODIS遥感数据进行云南地区林火识别研究，为MODIS数据在林火监测业务中的广泛应用提供理论支撑。
1数据源
MODIS是当前世界上新一代“圖谱合一”的光学遥感仪器，共有490个探测器，36个光谱波段，从0.4～14.4 μm全光谱覆盖。 36个离散光谱波段，有2个波段分辨率是250 m，5个波段分辨率是500 m，其余29个波段分辨率是1 000 m。对于接收MODIS数据来说，每次最少可以得到4次（2次白天和2次黑夜），更新数据。这样的数据更新频率对实时地球观测和应急处理有较高的应用价值[3]。
该研究以2012年3月19日云南省昆明市安宁县和玉溪市易门县的MODIS 1B数据为源数据。同时，收集云南省行政区划图。
2识别原理
普朗克定律是德国物理学家普朗克于1990年所创造的。该定律被公认为物体间热力传导的基本法则。普朗克定律给出了黑体辐射的具体定量化分布，在一定的温度下，单位面积、单位立体角和单位波长间隔辐射出的能量为
Mλ（λ，T）=2πhc2λ5·1ehc/λkT-1Ⅰ
公式中 c—光速，值为3×108（m/s）；
h—普朗克常数，值为6.626×10-34J·s；
K—玻尔兹曼常数，值为1.38×10-23 J/K；
λ—波长（m）；
M—为辐射出射度[W/（m2·K4）][4]。
利用普朗克公式还可以导出维恩位移公式，即黑体辐射光谱中辐射强度最大的波长λmax与黑体绝对温度T成反比，其公式为：
λmax·T = bⅡ
T—黑体的温度（K）；
λmax—黑体在T温度下，辐射峰对应的波长（μm）；
b—为常数，值为2.898×10-3m·K[4]。
由维恩位移公式可知，黑体温度越高，辐射峰值的波长越小。温度大约在300 K时，地表辐射的峰值对应的波长在9.66 μm左右，这时地球上主要是红外的热辐射；当物体的温度上升到500 K时，物体辐射的峰值对应的波长在5.80 μm左右。
MODIS的火灾检测算法主要是基于中、远红外通道光谱特性。当MODIS的4 μm通道的饱和温度为500 K时，等效噪声温度为0.3 K。这个通道不受水蒸气吸收的影响，其他气体对它的影响也很微弱；当MODIS的11 μm通道达到400 K的饱和温度时，等效噪声温度为0.1 K。因此，一般采用这2个通道作为火灾监测的通道。在夜间还可以用分辨率为250 m的0.86 μm通道的数据，以及分辨率为500 m的2.13 μm和1.65 μm 2个通道的数据进行火灾的监测[5]。 3数据预处理
3.1几何校正
将该研究主要用到的MODIS 1B数据加载ENVI 5.0软件中，首先，利用ENVI自带的Georeference MODIS模块对1，2，6，7，21，22，31波段进行几何纠正，包括将影像转换到经纬度坐标，并且对影像的“双眼皮效应”通过Perform Bow Tie Correction进行消除处理 [6-8]。
3.2MODIS影像的定标和亮温转换
按定标公式Ⅲ，对可见光波段7、2、1进行反射率定标（图1）；按公式Ⅳ对红外波段21、22、31进行辐射率定标，然后按普朗克公式将热红外波段的辐射率转换为亮度温度（公式Ⅰ）[9]。
R = reflectance_scales*（ SI-reflectance_offsets）Ⅲ
式中：reflectance_scales为缩放系数，reflectance_offsets为偏移量。这2个参数仅与波段有关，可以从MODIS 1B数据集中获取。SI为图像像元的有效计数值，R为定标后的反射率。
L= radiance_scales*（ SI -radiance_offsets）Ⅳ
式中：radiance_scales为缩放系数，radiance _offsets为偏移量。这2个参数仅与波段有关，可以从MODIS 1B数据集中獲取。SI为图像像元的有效计数值，L为定标后的辐射率。
将定标后的可见光7、2、1波段RGB合成显示，可以更加清晰地发现林火热点特征（图1）。
图17、2、1波段RGB合成显示
3.3云检测
根据MODIS不同波段对云的敏感特性以及各通道的波谱特性，结合大气窗口和云的辐射传输特点，确定云检测算法。如果厚云在0.66 μm通道的反射率大于0.2，那么就认为不会有火点信号穿过这些云，同时将扫描角限制在45°之内。由以上条件建立云检测掩膜，滤除非火点区域[9]。
3.4大气订正
应用T4和T11的组合来订正气体的吸收，小云块会减少11 μm通道火点的温度，且会影响这一通道的水汽订正。
4火点识别
4.1火点提取的背景信息
建立监测火点与周围像素的温度间的定量关系。火点像元的周围像素用于背景温度估算。此火点识别方法是建立在火点像素背景温度与周围像素的温度间的相关性随着像元间的距离增大而减小的假设上。
关键词MODIS；森林火灾 ；亮温；NDVI
中图分类号S762.1文献标识码A文章编号0517-6611（2014）28-09800-04
Study on Application of MODIS Data in Forest Fire Recognition
DUAN Weihu， HUANG Cheng， WANG Hao， ZHOU Ruliang*
（Southwest Forestry University， Kunming， Yunnan 650224）
AbstractTaking Anning County of Kunming City， Yimen County of Yuxi City as study area， selecting MODIS data as source， ARCGIS and ENVI as data processing platform， 3 factors including absolute light temperature， relative light temperature and vegetation index were determined as conditions for forest fire detection. The method can improve the accuracy of identification of forest fires， lay the foundation for early detection and discovery of forest fires， fire fighting and damage assessment services in Yunnan Province.
Key wordsMODIS； Forest fire； Light temperature； NDVI
20世纪90年代后期以来，受高温、干旱等因素的影响，世界各国范围内森林火灾更为频繁[1]。
目前，MODIS（中分辨率成像光谱仪），卫星遥感数据在可见光波段上的分辨率已经达到250 m，在近红外波段上的分辨率已达500 m，火灾监测的遥感数据的时间分辨率已经提高为1～2 h/次，在日新月异的遥感与GIS的技术水平下，挖掘遥感数据的潜在信息，充分利用GIS数据及空间分析功能，能进一步解决新的林火监测业务的难题。
西南林区热点多，热点处理工作量大。在2003年全国森林防火工作会议上，国家林业局曾要求“有条件的重点森林防火省区要逐步建设省级卫星林火监测业务系统”，研发基于GIS的卫星热点分析处理业务平台，可推动卫星林火监测业务在重点省区建设和发展[2]。笔者采用MODIS遥感数据进行云南地区林火识别研究，为MODIS数据在林火监测业务中的广泛应用提供理论支撑。
1数据源
MODIS是当前世界上新一代“圖谱合一”的光学遥感仪器，共有490个探测器，36个光谱波段，从0.4～14.4 μm全光谱覆盖。 36个离散光谱波段，有2个波段分辨率是250 m，5个波段分辨率是500 m，其余29个波段分辨率是1 000 m。对于接收MODIS数据来说，每次最少可以得到4次（2次白天和2次黑夜），更新数据。这样的数据更新频率对实时地球观测和应急处理有较高的应用价值[3]。
该研究以2012年3月19日云南省昆明市安宁县和玉溪市易门县的MODIS 1B数据为源数据。同时，收集云南省行政区划图。
2识别原理
普朗克定律是德国物理学家普朗克于1990年所创造的。该定律被公认为物体间热力传导的基本法则。普朗克定律给出了黑体辐射的具体定量化分布，在一定的温度下，单位面积、单位立体角和单位波长间隔辐射出的能量为
Mλ（λ，T）=2πhc2λ5·1ehc/λkT-1Ⅰ
公式中 c—光速，值为3×108（m/s）；
h—普朗克常数，值为6.626×10-34J·s；
K—玻尔兹曼常数，值为1.38×10-23 J/K；
λ—波长（m）；
M—为辐射出射度[W/（m2·K4）][4]。
利用普朗克公式还可以导出维恩位移公式，即黑体辐射光谱中辐射强度最大的波长λmax与黑体绝对温度T成反比，其公式为：
λmax·T = bⅡ
T—黑体的温度（K）；
λmax—黑体在T温度下，辐射峰对应的波长（μm）；
b—为常数，值为2.898×10-3m·K[4]。
由维恩位移公式可知，黑体温度越高，辐射峰值的波长越小。温度大约在300 K时，地表辐射的峰值对应的波长在9.66 μm左右，这时地球上主要是红外的热辐射；当物体的温度上升到500 K时，物体辐射的峰值对应的波长在5.80 μm左右。
MODIS的火灾检测算法主要是基于中、远红外通道光谱特性。当MODIS的4 μm通道的饱和温度为500 K时，等效噪声温度为0.3 K。这个通道不受水蒸气吸收的影响，其他气体对它的影响也很微弱；当MODIS的11 μm通道达到400 K的饱和温度时，等效噪声温度为0.1 K。因此，一般采用这2个通道作为火灾监测的通道。在夜间还可以用分辨率为250 m的0.86 μm通道的数据，以及分辨率为500 m的2.13 μm和1.65 μm 2个通道的数据进行火灾的监测[5]。 3数据预处理
3.1几何校正
将该研究主要用到的MODIS 1B数据加载ENVI 5.0软件中，首先，利用ENVI自带的Georeference MODIS模块对1，2，6，7，21，22，31波段进行几何纠正，包括将影像转换到经纬度坐标，并且对影像的“双眼皮效应”通过Perform Bow Tie Correction进行消除处理 [6-8]。
3.2MODIS影像的定标和亮温转换
按定标公式Ⅲ，对可见光波段7、2、1进行反射率定标（图1）；按公式Ⅳ对红外波段21、22、31进行辐射率定标，然后按普朗克公式将热红外波段的辐射率转换为亮度温度（公式Ⅰ）[9]。
R = reflectance_scales*（ SI-reflectance_offsets）Ⅲ
式中：reflectance_scales为缩放系数，reflectance_offsets为偏移量。这2个参数仅与波段有关，可以从MODIS 1B数据集中获取。SI为图像像元的有效计数值，R为定标后的反射率。
L= radiance_scales*（ SI -radiance_offsets）Ⅳ
式中：radiance_scales为缩放系数，radiance _offsets为偏移量。这2个参数仅与波段有关，可以从MODIS 1B数据集中獲取。SI为图像像元的有效计数值，L为定标后的辐射率。
将定标后的可见光7、2、1波段RGB合成显示，可以更加清晰地发现林火热点特征（图1）。
图17、2、1波段RGB合成显示
3.3云检测
根据MODIS不同波段对云的敏感特性以及各通道的波谱特性，结合大气窗口和云的辐射传输特点，确定云检测算法。如果厚云在0.66 μm通道的反射率大于0.2，那么就认为不会有火点信号穿过这些云，同时将扫描角限制在45°之内。由以上条件建立云检测掩膜，滤除非火点区域[9]。
3.4大气订正
应用T4和T11的组合来订正气体的吸收，小云块会减少11 μm通道火点的温度，且会影响这一通道的水汽订正。
4火点识别
4.1火点提取的背景信息
建立监测火点与周围像素的温度间的定量关系。火点像元的周围像素用于背景温度估算。此火点识别方法是建立在火点像素背景温度与周围像素的温度间的相关性随着像元间的距离增大而减小的假设上。