CN111738119B - 一种基于modis卫星监测的森林山火面积估算方法及装置 - Google Patents

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CN111738119B CN202010535735.XA CN202010535735A CN111738119B CN 111738119 B CN111738119 B CN 111738119B CN 202010535735 A CN202010535735 A CN 202010535735A CN 111738119 B CN111738119 B CN 111738119B
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Abstract

本申请涉及电网灾害智能监测技术领域，尤其涉及一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法及装置。所述方法包括：获取卫星监测时刻山火影像的矢量数据；将所述矢量数据叠加至三维GIS地图，获取所述山火影像的中心像元三维坐标；以预设步长获取山火影像区域的边缘像元三维坐标；基于所述中心像元三维坐标、边缘像元三维坐标构建单元格，计算得到每个单元格的面积；对所有单元格的面积进行求和，得到森林山火估算面积。

Description

一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法及装置
技术领域
本申请涉及电网灾害智能监测技术领域，尤其涉及一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法及装置。
背景技术
电网山火是指输电走廊范围内发生的森林火灾。电网输电线路覆盖区域广、穿越区域地形复杂、自然环境恶劣，特别是经过大量的山区、林区、人员活动区，植被复杂多样，输电线路安全稳定运行存在巨大的安全隐患，容易导致输电线路跳闸故障。
目前山火监测主要采用卫星遥感广域监测的模式，依托的卫星有葵花8号、风云四号、MODIS等，可以实现山火点的准实时监测，及时获取火点信息能够提高火灾的预警能力。通常山火的持续时间为几十秒到几十分钟甚至更长，及时对输电线路山火进行监测、获取其准确的山火面积，具有重要意义。卫星遥感具有高精度，全天候，准实时，广覆盖的特点，能够从太空近地以及远地视角快速获取地面数据，实现山火的实时监测。
但是，目前的山火监测通常只能得到山火点的大概位置，无法获取相对准确的山火面积。
发明内容
本申请提供了一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法及装置，通过获取卫星山火影像矢量数据、叠加三维GIS地图、获取山火影像的中心像元及边缘像元、构建单元格、对所有单元格面积求和，一定程度上可以解决无法获取森林山火估算面积的问题。
本申请的实施例是这样实现的：
本申请实施例第一方面提供一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法，所述方法包括：
获取卫星监测时刻山火影像的矢量数据；
将所述矢量数据叠加至三维GIS地图，获取所述山火影像的中心像元三维坐标；
以预设步长获取山火影像区域的边缘像元三维坐标；
基于所述中心像元三维坐标、边缘像元三维坐标构建单元格，计算得到每个单元格的面积；
对所有单元格的面积进行求和，得到森林山火估算面积。
本申请实施例第二方面提供一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如本申请实施例第一方面提供的发明内容中任一所述方法。
本申请提供的技术方案包括以下有益效果：通过将山火区域划分为若干个单元格，并考虑了每一个单元格中像元的实际高程差异和地形的差异，使得估算方法更符合现场实际情况，并利用MODIS卫星监测高分辨率的优势，从而可以提高基于卫星遥感的山火点面积估算的准确性，以指导山火防控决策。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本申请实施例一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100的示意图；
图2示出了本申请实施例一种示例性计算设备200的示意图；
图3示出了本申请实施例基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法的流程示意图；
图4示出了本申请实施例基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法中单元格划分示意图。
具体实施方式
现在将描述某些示例性实施方案，以从整体上理解本文所公开的装置和方法的结构、功能、制造和用途的原理。这些实施方案的一个或多个示例已在附图中示出。本领域的普通技术人员将会理解，在本文中具体描述并示出于附图中的装置和方法为非限制性的示例性实施方案，并且本发明的多个实施方案的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施方案示出或描述的特征可与其他实施方案的特征进行组合。这种修改和变型旨在包括在本发明的范围之内。
本说明书通篇提及的″多个实施例″、″一些实施例″、″一个实施例″或″实施例″等，意味着结合该实施例描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，本说明书通篇出现的短语″在多个实施例中″、″在一些实施例中″、″在至少另一个实施例中″或″在实施例中″等并不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，具体特征、结构或特性可以任何合适的方式进行组合。因此，在无限制的情形下，结合一个实施例示出或描述的具体特征、结构或特性可全部或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构或特性进行组合。这种修改和变型旨在包括在本发明的范围之内。
本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的一些实施例的系统所执行的操作。应当明确理解，流程图的操作可以不按顺序来精确地执行。相反，这些操作可以以相反的顺序或同时执行。而且，可以将一个或多个其他操作添加到流程图。一个或多个操作可以从流程图中移除。
图1是根据本申请的一些实施例所示的一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100的示意图。基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100是一个可以自动实现森林山火面积估算的平台。基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100可以包括一个服务器110、至少一个存储设备120、至少一个网络130、一个或多个山火影像矢量数据接收装置150-1、150-2......150-N。服务器110可以包括一个处理引擎112。
在一些实施例中，服务器110可以是一个单独的服务器或者一个服务器群组。所述服务器群可以是集中式的或分布式的(例如，服务器110可以是一个分布式的系统)。在一些实施例中，服务器110可以是本地的或远程的。例如，服务器110可以通过网络130访问存储在存储设备120中的数据。服务器110可以直接连接到存储设备120访问存储数据。在一些实施例中，服务器110可以在一个云平台上实现。所述云平台可以包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布云、多重云等或上述举例的任意组合。在一些实施例中，服务器110可以在与本申请图2所示的计算设备上实现，包括计算设备200中的一个或多个部件。
在一些实施例中，服务器110可以包括一个处理引擎112。处理引擎112可以处理与服务请求相关的信息和/或数据以执行本申请描述的一个或多个功能。例如，处理引擎112可以基于山火影像矢量数据接收装置150采集的信息，并通过网络130发送至存储设备120，用于更新存储在其中的数据。在一些实施例中，处理引擎112可以包括一个或多个处理器。处理引擎112可以包括一个或多个硬件处理器，例如中央处理器(CPU)、专用集成电路(ASIC)、专用指令集处理器(ASIP)、图像处理器(GPU)、物理运算处理器(PPU)、数字信号处理器(DSP)、现场可编辑门阵列(FPGA)、可编辑逻辑器件(PLD)、控制器、微控制器单元、精简指令集计算机(RISC)、微处理器等或上述举例的任意组合。
存储设备120可以存储数据和/或指令。在一些实施例中，存储设备120可以存储从山火影像矢量数据接收装置150获得的数据。在一些实施例中，存储设备120可以存储供服务器110执行或使用的数据和/或指令，服务器110可以通过执行或使用所述数据和/或指令以实现本申请描述的实施例方法。在一些实施例中，存储设备120可以包括大容量存储器、可移动存储器、挥发性读写存储器、只读存储器(ROM)等或上述举例的任意组合。在一些实施例中，存储设备120可以在一个云平台上实现。例如所述云平台可以包括私有云、公共云、混合云、社区云、分布云、多重云等或上述举例的任意组合。
在一些实施例中存储设备120可以与网络130连接以实现与基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100中的一个或多个部件之间的通信。基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100的一个或多个部件可以通过网络130访问存储在存储设备120中的数据或指令。在一些实施例中，存储设备120可以直接与基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100的一个或多个部件连接或通信。在一些实施例中，存储设备120可以是服务器110的一部分。
网络130可以促进信息和/或数据的交换。在一些实施例中，基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100中的一个或多个部件可以通过网络130向基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100中的其他部件发送信息和/或数据。例如，服务器110可以通过网络130从山火影像矢量数据接收装置150获取/得到请求。在一些实施例中，网络130可以是有线网络或无线网络中的任意一种，或其组合。在一些实施例中，网络130可以包括一个或多个网络接入点。例如，网络130可能包括有线或无线网络接入点，如基站和/或互联网交换点130-1、130-2等等。通过接入点，基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100的一个或多个部件可能连接到网络130以交换数据和/或信息。
山火影像矢量数据接收装置150可以将采集到的各种数据信息发送到基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100中的一个或多个设备中。例如，山火影像矢量数据接收装置150可以将采集数据发送至服务器110进行处理，或存储设备120中进行存储。
图2是根据本申请的一些实施例所示的一种示例性计算设备200的示意图。服务器110、存储设备120和山火影像矢量数据接收装置150可以在计算设备200上实现。例如，处理引擎112可以在计算设备200上实现并被配置为实现本申请中所披露的功能。
计算设备200可以包括用来实现本申请所描述的系统的任意部件。例如，处理引擎112可以在计算设备200上通过其硬件、软件程序、固件或其组合实现。为了方便起见图中仅绘制了一台计算机，但是本申请所描述的与基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算系统100相关的计算功能可以以分布的方式、由一组相似的平台所实施，以分散系统的处理负荷。
计算设备200可以包括与网络连接的通信端口250，用于实现数据通信。计算设备200可以包括一个处理器220，可以以一个或多个处理器的形式执行程序指令。示例性的电脑平台可以包括一个内部总线210、不同形式的程序存储器和数据存储器包括，例如，硬盘270、和只读存储器(ROM)230或随机存储器(RAM)240，用于存储由计算机处理和/或传输的各种各样的数据文件。示例性的计算设备可以包括存储在只读存储器230、随机存储器240和/或其他类型的非暂时性存储介质中的由处理器220执行的程序指令。本申请的方法和/或流程可以以程序指令的方式实现。计算设备200也包括输入/输出部件260，用于支持电脑与其他部件之间的输入/输出。计算设备200也可以通过网络通讯接收本披露中的程序和数据。
为理解方便，图2中仅示例性绘制了一个处理器。然而，需要注意的是，本申请中的计算设备200可以包括多个处理器，因此本申请中描述的由一个处理器实现的操作和/或方法也可以共同地或独立地由多个处理器实现。例如，如果在本申请中，计算设备200的处理器执行步骤1和步骤2，应当理解的是，步骤1和步骤2也可以由计算设备200的两个不同的处理器共同地或独立地执行。
图3示出了本申请实施例基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法的流程示意图。
在步骤301中，获取卫星监测时刻山火影像的矢量数据。
依托MODIS卫星遥感对目标区域进行山火监测，获取卫星监测时刻的山火点卫星影像矢量数据。
遥感图像越来越多地被应用于森林山火灾害监测，在一些实施例中，通过高光谱图像的分类技术对高光谱图像中每个像素点对应的地表物体类别实现准确判定。
MODIS数据涉及波段范围广，共有36个波段光谱范围从0.4um-14.4um，数据分辨率比NOAA-AVHRR有较大的进展，其中辐射分辨率达12bits，其中两个通道的空间分辨率达250m，5个通道为500m，另29个通道为1000m。MODIS接收相对简单，它利用X波段向地面发送，并在数据发送上增加了大量的纠错能力，以保证用户用较小的天线就可以得到优质信号，并且其更新频率高，可以得到每天最少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，例如森林山火监测有较大的实用价值。
在一些实施例中，所述MODIS卫星的地面分辨率可达到20m。
高分辨率遥感就是对遥感数据的质量和数量提出了很高的要求。卫星影像的地面分辨率达到20m，可以为森林山火监测与研究提供较为可靠的数据基础。高分辨率遥感可识别小尺度的目标类别归属，影像空间分辨率的提高更能反映人工行为的影响和干预。
矢量数据是利用欧几里德几何学中点、线、面及其组合体来表示地理实体空间分布的一种数据组织方式。矢量数据结构分为：简单数据结构、拓扑数据结构和曲面数据结构。
在步骤302中，将所述矢量数据叠加至三维GIS地图，获取所述山火影像的中心像元三维坐标。
GIS(地理信息系统)是以可视化和分析地理配准信息为目的，用于描述和表征地球及其他地理现象的一种系统。GIS地图是一种新型地图，其所呈现的内容远非静态地图所能及。它为访问和使用所有地理信息、描述性数据以及GIS专业人士创建的丰富的空间分析模型提供了交互式窗口。
通过GIS地图的地理坐标系可以得到任意位置的经纬度以及高程。
中心像元为卫星影像数据中获取的山火影响的中心点，将山火点卫星影像矢量数据与三维GIS地图进行叠加，可以获取山火中心像元在三维GIS地图中的三维坐标，所述三维坐标即经度、纬度及高程。
在一些实施例中，所述经度、纬度数据精确到小数点后5位；所述高程的数据精确到小数点后1位。
在步骤303中，以预设步长获取山火影像区域的边缘像元三维坐标。
获取山火影像区域边缘位置的像元三维坐标，即经纬度和高程，并以预设的步长，例如每20m选择一个数据点，构建多个边缘像元。在一些实施例中，不足20m按20m进行计算。
在步骤304中，基于所述中心像元三维坐标、边缘像元三维坐标构建单元格，计算得到每个单元格的面积，如图4所示，具体执行如下：
将山火影像区域分割成若干个单元格，由于地形地貌差异，边缘像元和中心像元往往不在同一平面上，应分别计算每个单元格的面积。
首先，可以基于excel公式计算中心像元与每一个边缘像元的水平距离di，表示如下：
di＝6371004*arccos[cos(W0)*cos(Wi)*cos(J0-Ji)+sin(W0)*sin(Wi)]
其中，6371001为赤道半径平均值，其单位为米；J0为中心像元的经度、W0为中心像元的纬度、h0为中心像元的高程；Ji(J1、...、Jn)为边缘像元的经度、Wi(W1、...、Wn)为边缘像元的纬度、hi(h1、...、hn)为边缘像元的高程。
然后，以边缘像元和中心像元的高程差和水平距离差计算得到空间距离Li，表示如下：
其次，将每一个单元格等效为三角形，计算每一个单元格的面积si，表示如下：
si＝14.414＊Li
其中，14.414为面积系数。
在步骤305中，对所有单元格的面积进行求和，得到森林山火估算面积。
在上述步骤中得到每个单元格的面积后，对所有的单元格面积进行求和，进而计算整个山火影像区域的总面积S，即森林山火估算面积，表示如下：
本申请还提供了一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如本申请实施例提供的任一基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法，其详细步骤已在上文中阐述，此处不再赘述。
本申请提供的技术方案包括以下有益效果在于，通过将山火区域划分为若干个单元格，并考虑了每一个单元格中像元的实际高程差异和地形的差异，使得估算方法更符合现场实际情况，并利用MODIS卫星监测高分辨率的优势，从而可以提高基于卫星遥感的山火点面积估算的准确性，以指导山火防控决策。
此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为″数据块″、″模块″、″引擎″、″单元″、″组件″或″系统″。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。
计算机存储介质可能包含一个内合有计算机程序编码的传播数据信号，例如在基带上或作为载波的一部分。该传播信号可能有多种表现形式，包括电磁形式、光形式等，或合适的组合形式。计算机存储介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，该介质可以通过连接至一个指令执行系统、装置或设备以实现通讯、传播或传输供使用的程序。位于计算机存储介质上的程序编码可以通过任何合适的介质进行传播，包括无线电、电缆、光纤电缆、RF、或类似介质，或任何上述介质的组合。
本申请各部分操作所需的计算机程序编码可以用任意一种或多种程序语言编写，包括面向对象编程语言如Java、Scala、Smalltalk、Eiffel、JADE、Emerald、C++、C#、VB.NET、Python等，常规程序化编程语言如C语言、Visual Basic、Fortran 2003、Perl、COBOL 2002、PHP、ABAP，动态编程语言如Python、Ruby和Groovy，或其他编程语言等。该程序编码可以完全在用户计算机上运行、或作为独立的软件包在用户计算机上运行、或部分在用户计算机上运行部分在远程计算机运行、或完全在远程计算机或服务器上运行。在后种情况下，远程计算机可以通过任何网络形式与用户计算机连接，比如局域网(LAN)或广域网(WAN)、或连接至外部计算机(例如通过因特网)、或在云计算环境中、或作为服务使用如软件即服务(SaaS)。
此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。
同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考。与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请所述内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。

Claims (8)

1.一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法，其特征在于，所述方法包括：
获取卫星监测时刻山火影像的矢量数据；
将所述矢量数据叠加至三维GIS地图，获取所述山火影像的中心像元三维坐标；
以预设步长获取山火影像区域的边缘像元三维坐标；
基于所述中心像元三维坐标、边缘像元三维坐标构建单元格，计算得到每个单元格的面积；
根据每一个单元格中像元的实际高程差异和地形的差异，对所有单元格的面积进行求和，得到森林山火估算面积；
其中，所述得到森林山火估算面积，具体执行如下：
基于excel公式计算中心像元与每一个边缘像元的水平距离di，表示如下：
di＝6371004*arccos[cos(W0)*cos(Wi)*cos(J0-Ji)+sin(W0)*sin(Wi)]
计算中心像元与每一个边缘像元的空间距离Li，表示如下：
计算每一个单元格的面积si
si＝14.414*Li
求取所有单元格的面积总和S，即森林山火估算面积，表示如下：
其中，6371001为赤道半径平均值、14.414为面积系数；J0为中心像元的经度、W0为中心像元的纬度、h0为中心像元的高程；Ji为边缘像元的经度、Wi为边缘像元的纬度、hi为边缘像元的高程。
2.根据权利要求1所述基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法，其特征在于，所述MODIS卫星的地面分辨率为20m。
3.根据权利要求1所述基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法，其特征在于，所述步长设置为20m。
4.根据权利要求1所述基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法，其特征在于，所述三维坐标包括：经度、纬度、高程。
5.根据权利要求4所述基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法，其特征在于，所述经度、纬度数据精确到小数点后5位。
6.根据权利要求4所述基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法，其特征在于，所述高程的数据精确到小数点后1位。
7.根据权利要求3所述基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算方法，其特征在于，每20m选取一个所述边缘像元三维坐标，不足20m按20m计算。
8.一种基于MODIS卫星监测的森林山火面积估算装置，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行如权利要求1-7中任一所述方法。
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