CN113221057A - 基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法 - Google Patents

基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法。主要包括：选择不同年份，不同时相、不同区域的秸秆焚烧火点影像建立秸秆焚烧火点信息库，根据火点信息库中火点中红外波段的亮度温度作为阈值条件，实现秸秆焚烧绝对火点的精确提取；然后根据火点中心像元与周围有效背景像元的差值在时序上的变化，剔除高温异质区域虚假火点，得到真实火点；最后将绝对火点、真实火点与耕地范围矢量数据叠加，得到秸秆焚烧火点。本发明利用多时相影像数据排除了裸地、人类活动等高温异质点对火点监测的影响，提高了秸秆焚烧火点监测的精度和自动化水平。

Description

基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法
技术领域
本发明涉及一种秸秆焚烧火点监测的技术领域，适用于多种卫星遥感数据秸秆焚烧火点的监测。
背景技术
秸秆焚烧在产生大量的烟雾的同时释放CO、CO2及氮氧化物等污染物，污染大气环境并对居民的身体健康造成威胁。秸秆焚烧多发生在乡镇农村地区，在农作物收割季节最为严重。秸秆焚烧是随时的，秸秆焚烧火点分布分散且无规律，时间上存在不确定性，使得相关部门秸秆焚烧的监督工作难以开展，人力物力投入较大。
随着卫星遥感技术的发展，上世纪八十年代，开始利用遥感卫星影像进行森林、草原火点的监测研究。与森林、草原火点相比，秸秆焚烧火点一般零散分布于耕地中，发生时段比较集中，大部分情况下燃烧面积相对较小且燃烧时间较短，监测难度更大。结合卫星遥感技术，可实现实时、快速、大范围的秸秆焚烧监测。随着秸秆焚烧现象的加重，相关部门对秸秆焚烧的重视程度越来越高，国内对秸秆焚烧火点监测的研究越来越多。
秸秆在焚烧时火点温度达600k以上，热辐射峰值波长处在3～5um之间，属于中红外通道范围。火点像元的亮温值明显高于周围非火点像元的亮温值，秸秆焚烧火点提取就是利用中红外波段对地面温度异常点十分敏感，易从正常地表温度环境中识别高温火点信息。常见的火点提取方法主要有固定阈值法、上下文模型法以及最大类间方差法。其中，上下文法是火点监测常用方法，1991年由Shimabukuro最早提出，主要是利用火点像元与周围临近像元之间的温度差异大小判别该像元是否是火点像元。通常进行火点监测的卫星影像的空间分辨率较低，受混合像元效应的影响，小范围的秸秆焚烧火点的监测精度较低，此外，在地表类型复杂的区域，由于不同地表材质的差异，裸地、人类活动等高温异质区域相邻像元的亮度温度与焚烧火点相邻像元的亮度温度差异都较大，导致高温异质点与火点区别不明显，火点信息存在漏判和误判情况，秸秆焚烧火点识别的精度较低。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法。该方法包括如下步骤：
步骤1：获取卫星遥感影像并进行辐射校正、正射校正及投影等预处理；
步骤2：计算卫星影像波段的表观反射率及亮度温度；
步骤3：建立秸秆焚烧火点信息样本库，提取绝对火点；
步骤4：提取热异常点，基于多时相数据，根据热异常点像元与周围像元在时序上的亮温差异，剔除高温异质区域虚假火点，得到真实火点；
步骤5：将绝对火点、真实火点与土地覆盖/土地利用数据中提取的耕地范围矢量数据叠加，得到秸秆焚烧火点；
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤2中对预处理后的卫星影像计算可见光、近红外波段的表观反射率以及中红外波段的亮度温度，表观反射率及亮度温度计算的相关参数从卫星遥感影像的元文件中获取，不同时间段获取的遥感卫星影像的参数不同。
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤3中选择不同年份，不同时相、不同区域的秸秆焚烧火点影像建立秸秆焚烧火点信息库。
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤3中根据秸秆焚烧火点信息库中的中红外波段的火点亮度温度作为阈值条件，提取绝对火点。
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤4中热异常点的判别条件：T4＞T，ρnir＜a，T4为中红外波段(4μm附近)的亮度温度，ρnir为近红外波段的表观反射率；T为中红外波段的亮度温度阈值，a为近红外波段的表观反射率值的阈值，满足上述条件的像元为热异常点像元。
由于秸秆焚烧火点面积一般不是很大且明火很小，时间短，为避免因阈值过大造成火点遗漏的现象，一般需要将阈值降低；
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤4中真实火点像元的判定，具体包括以下步骤：
步骤A，剔除云像元与水体像元。秸秆焚烧火点发生在陆地，需要剔除水体像元，强光照射下云像元会产生耀斑，干扰地面火点提取，也需要剔除云像元；
步骤B，以热异常点像元为中心点，设大小为N*N的窗口，窗口中目标像元之外的其它无云陆地像元为有效背景像元；
如果窗口内有效背景像元数量占窗口总像元数的比例小于25％或有效背景数量少于8个，则需扩大窗口，若背景窗口增长到21*21还不能满足条件，则该热异常点认为是非火点像元；
步骤C，根据火灾发生时刻与未发生火灾时刻的亮温差异，即火点中心像元与周围有效背景像元的差值在时序上的变化，设置判断秸秆焚烧火点的条件。
Figure BDA0003066523370000021
式中，
Figure BDA0003066523370000022
为窗口内当前时刻中心像元与有效背景像元的亮温值，
Figure BDA0003066523370000023
为窗口内前2天合多时相成影像中心像元与有效背景像元的亮温值，δsd为窗口中背景像元亮度温度的标准差。计算窗口内当前像元亮温差值与多时相数据亮温值差值是否满足条件，满足条件，则该像元为真实火点，否则，该像元为非火点。
复杂地表情况下，裸地、人类活动等高温异质区，相邻像元亮温变化差异性较大，易造成疑似火点像元的误判，与多时相合成数据相比，高温异质区像元的亮温变化较小，秸秆焚烧火点的亮温变化较大，主要原因是秸秆焚烧时间持续较短。
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤4中多时相数据为提取的热异常点前两天的合成数据，按照均值法合成；
本发明的有益效果为：针对以往方法的不足，本方法建立了秸秆焚烧火点样本库，通过样本库中火点在中红外波段的亮度温度设定火点提取的阈值，可以精确识别绝对火点像元。同时利用多时相遥感影像，根据火灾发生前后的亮度温度在时序上的差异，排除了裸地、人类活动等高温异质点对火点监测的影响，可以快速识别小范围的秸秆焚烧火点，提高了秸秆焚烧火点监测的精度和自动化水平。
附图说明
图1秸秆焚烧火点信息提取流程。
具体实施方式
为了方便相关领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，以下结合附图中秸秆焚烧火点提取的流程，对本发明的技术方案进一步详细、完整的描述，应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明的一种秸秆焚烧火点监测方法，采用多时相高分四号卫星影像进行秸秆焚烧火点信息的提取，包括以下步骤：
步骤1：获取卫星遥感影像并进行辐射校正、正射校正及投影等预处理；
步骤2：计算卫星影像波段的表观反射率及亮度温度；
步骤3：建立秸秆焚烧火点信息样本库，提取绝对火点；
步骤4：提取热异常点，基于多时相数据，根据热异常点像元与周围像元在时序上的亮温差异，剔除高温异质区域虚假火点，得到真实火点；
步骤5：将绝对火点、真实火点与土地覆盖/土地利用数据中提取的耕地范围矢量数据叠加，得到秸秆焚烧火点；
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤2中对预处理后的卫星影像计算可见光、近红外波段的表观反射率以及中红外的亮度温度：
表观反射率计算公式：
Figure BDA0003066523370000031
式中ρ为表观反射率，L为辐射亮度，D为日地间距离，ESUN为大气层顶的平均太阳光谱辐照度，θ为天顶角。
亮度温度计算公式：
Figure BDA0003066523370000032
式中T为表观亮度温度，c为光速，λ为中心波长，L为辐射亮度，h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数。
表观反射率及亮度温度计算的相关参数从获取的高分四号影像的元文件中获取，不同时间段获取的遥感卫星影像的参数不同。
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤3中选择不同年份，不同时相、不同区域的秸秆焚烧火点影像建立秸秆焚烧火点信息库。
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤3中根据秸秆焚烧火点信息库中的中红外波段的火点亮度温度作为阈值条件，在选择的高分四号卫星影像中，第6波段为中红外波段，绝对火点的判定条件为亮度温度满足T6＞360K。
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤4中热异常点像元的判断条件为：T6＞300K，ρnir＜0.3，T6为选择的高分四号卫星影像中红外波段的亮度温度，ρnir为其近红外波段的表观反射率。
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤4中疑似火点像元的判定，具体包括：
步骤A，剔除云像元与水体像元。秸秆焚烧火点发生在陆地，需要剔除水体像元，强光照射下云像元会产生耀斑，干扰地面火点提取，也需要剔除云像元；
步骤B，以热异常点像元为中心点，设大小为3*3的窗口，窗口中目标像元之外的其它无云陆地像元为有效背景像元；
如果窗口内有效背景像元数量占窗口总像元数的比例小于25％或有效背景数量少于8个，则需扩大窗口，若背景窗口增长到21*21还不能满足条件，则该热异常点认为是非火点像元；
步骤C，根据火灾发生时刻与未发生火灾时刻的亮温差异，即火点中心像元与周围有效背景像元的差值在时序上的变化，设置判断秸秆焚烧火点的条件。
Figure BDA0003066523370000041
式中，
Figure BDA0003066523370000042
为窗口内当前时刻中心像元与有效背景像元的亮温值，
Figure BDA0003066523370000043
为窗口内前2天合多时相成影像中心像元与有效背景像元的亮温值，δsd为窗口中背景像元亮度温度的标准差。计算窗口内当前像元亮温差值与多时相数据亮温值差值是否满足条件，满足条件，则该像元为真实火点，否则，该像元为非火点。
复杂地表情况下，裸地、人类活动等高温异质区，相邻像元亮温变化差异性较大，易造成疑似火点像元的误判，与多时相合成数据相比，高温异质区像元的亮温变化较小，秸秆焚烧火点的亮温变化较大，主要原因是秸秆焚烧时间持续较短。
所述的秸秆焚烧火点监测方法，其中，步骤4中多时相数据为提取的热异常点前两天的合成数据，按照均值法合成；
本发明中的秸秆焚烧火点监测方法不仅仅适用于高分四号卫星数据，可用于多种遥感卫星数据秸秆焚烧火点信息的提取，相关技术人员可根据不同卫星数据的像元值作出相应参数阈值的相应改变，但这些改变都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：获取卫星遥感影像并进行辐射校正、正射校正及投影等预处理；
步骤2：计算卫星影像波段的表观反射率及亮度温度；
步骤3：建立秸秆焚烧火点信息样本库，提取绝对火点；
步骤4：提取热异常点，基于多时相数据，根据热异常点像元与周围像元在时序上的亮温差异，剔除高温异质区域虚假火点，得到真实火点；
步骤5：将绝对火点、真实火点与土地覆盖/土地利用数据中提取的耕地范围矢量数据叠加，得到秸秆焚烧火点。
2.根据权利要求1所述一种基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法，其特征在于：步骤2中，对预处理后的卫星影像计算可见光、近红外波段的表观反射率以及中红外波段的亮度温度，表观反射率及亮度温度计算的相关参数从卫星遥感影像的元文件中获取，不同时间段获取的遥感卫星影像的参数不同。
3.根据权利要求1所述一种基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法，其特征在于：步骤3中，选择不同年份，不同时相、不同区域的秸秆焚烧火点影像建立秸秆焚烧火点信息库。
4.根据权利要求3所述一种基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法，其特征在于：步骤3中根据秸秆焚烧火点信息库中的中红外波段的火点亮度温度作为阈值条件，提取绝对火点。
5.根据权利要求1所述一种基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法，其特征在于：步骤4中热异常点的判别条件：T4＞T，ρnir＜a，T4为中红外波段的亮度温度，ρnir为近红外波段的表观反射率；T为中红外波段的亮度温度阈值，a为近红外波段的表观反射率值的阈值，满足上述条件的像元为热异常点像元。
6.根据权利要求1或5之中任意一项所述的一种基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法，其特征在于：步骤4中真实火点像元的判定，具体包括以下步骤：
步骤A，剔除云像元与水体像元，秸秆焚烧火点发生在陆地，需要剔除水体像元，强光照射下云像元会产生耀斑，干扰地面火点提取，也需要剔除云像元；
步骤B，以热异常点像元为中心点，设大小为N*N的窗口，窗口中目标像元之外的其它无云陆地像元为有效背景像元；
如果窗口内有效背景像元数量占窗口总像元数的比例小于25％或有效背景数量少于8个，则需扩大窗口，若背景窗口增长到21*21还不能满足条件，则该热异常点认为是非火点像元；
步骤C，根据火灾发生时刻与未发生火灾时刻的亮温差异，即火点中心像元与周围有效背景像元的差值在时序上的变化，设置判断秸秆焚烧火点的条件；
Figure FDA0003066523360000021
式中，
Figure FDA0003066523360000022
为窗口内当前时刻中心像元与有效背景像元的亮温值，
Figure FDA0003066523360000023
为窗口内前2天合多时相成影像中心像元与有效背景像元的亮温值，δsd为窗口中背景像元亮度温度的标准差；计算窗口内当前像元亮温差值与多时相数据亮温值差值是否满足条件，满足条件，则该像元为真实火点，否则，该像元为非火点；
复杂地表情况下，裸地、人类活动等高温异质区，相邻像元亮温变化差异性较大，易造成疑似火点像元的误判，与多时相合成数据相比，高温异质区像元的亮温变化较小，秸秆焚烧火点的亮温变化较大，主要原因是秸秆焚烧时间持续较短。
7.根据权利要求6所述的一种基于多时相卫星影像的秸秆焚烧火点监测方法，其特征在于：步骤4中多时相数据为提取的热异常点前两天的合成数据，按照均值法合成。
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