高分四号遥感数据在环境监测中的应用研究

收稿日期：2020-08-17 作者简介:魏宝安(1974-)，男，黑龙江依兰人，高级工程师,注册测绘师,本科学历,主要从事测绘科技与生产管理工作
46
测绘与空间地理信息
2021 年
火点进行提取方法研究;王子峰等对华北平原种植的农 作物废弃物焚烧进行火点提取，其依托也是MOD1S传感 器数据,但是在实际应用中,MOD1S数据下载网站所提供 的数据往往具有一定的滞后性，使用MOD1S卫星进行火 点提取的时效性难以满足快速监测的需要，相对来说时 效性较强的无人机则因为电池续航时间、购置成本等因 素影响，不适宜进行大范围的应用推广。在气溶胶分布 方面，目前国内外学者主要集中通过地面站监测的方法 来获取附近气溶胶光学厚度分布数据,如许文龙［1 ］等利 用不同类型卫星遥感手段反演的PM2.5浓度值进行比较, 并用地基获取浓度值进行评价。高中明［2］等基于AERO­ NET 与SKYNET两个地基气溶胶监测站发布的气溶胶浓 度数据，对中国北方地区部分站点的气溶胶特征的变化 规律和变化特征进行了分析。
图3高分四号卫星数据火点提取流程 Fig・3 Fire point extraction process of GF-4 satellite data
增刊
魏宝安等:高分四号遥感数据在环境监测中的应用研究
47
本文选择覆盖黑龙江省2019年2月底的高分四号影 像，并进行火点信息提取。数据处理主要包括以下两个
中红外通道
B6: 3.5—4.1 |±m
1 350 mm 15 |±m 400 m
400 kmx400 km 0.66°x0.66°
见光近红外与中波红外配合实现同步观测。高分四号卫 星数据获取耗时包含了卫星观测、传输等多个环节,如图 1所示。
\ 平台、指令
申请
传输
指令 \数据 \ 数据 \数据
上行
下传
文献标识码：A
文章编号：1672-5867(2021) S0-0045-04
Application Research of GF-4 Satellite Data in Environmental Survey Lei, CAO Jingqing (The Third Surveying and Mapping Engineering Institute of Heilongjiang, Harbin 150025, China)
表1 GF-4卫星传感器的主要参数
Tab・1 Main parameters of GF-4 satellite sensor
参数项目
光谱范围
焦距 像元大小 地面瞬时视场 单景成像区域 视场角（FOV）
可见光近红外通道 B1 ：450一900 nm B2：450—520 nm B3 : 520一600 nm B4：630一690 nm B5 ：760一900 nm 6 600 mm 9 |±m 50 m 500 kmx500 km 0.8°x0.8°
象学上称为气溶胶颗粒，作为大气混浊度的一个重要物 理衡量项，因此研究气溶胶的分布规律与时空变化情况, 对于大气污染的防治具有重要的借鉴意义。
随着遥感技术、无人机技术的发展,结合多级别的人 力巡查与监督，秸秆焚烧火点监测手段逐渐丰富。国家 层面上卫星环境应用中心使用卫星数据进行分析，定时 地向公众发布农业废弃物焚烧监测报告，地方层面上在 农业废弃物焚烧监测中使用无人机技术对耕地范围进行 巡查,新技术的应用一定程度上加快了着火点的发现速 度，同时也能对违反法令随意焚烧的行为起到震慑作用。 实际操作中，农业废弃物焚烧火点的监测主要是通过人 工巡查的方式进行，因而耗费较大量的人力物力与财力。 基于此，国内有很多研究人员利用卫星数据进行农业废 弃物焚烧的监测研究：张彦等使用美国MOD1S传感器获 取的数据对河南省内秋季作物收获后的农业废弃物焚烧
步骤：
1)进行数据预处理 对下载数据进行检查、辐射校正、几何校正,计算表 观反射率及中红外波段的亮度温度。用户需先根据高分
四号图像的XML文件参数判断图像波段的状态,然后选 择相应的定标系数［6］。在计算过程中需要使用资源卫星
中心辐射定标系数,所使用的定标公式为：
L = Gain X DN + Offset 高分四号卫星影像分辨率为50 m,地物的界线不清， 不适用传统的基于外业像控点的方法进行几何校正，本
高分四号卫星所具备的多模式观测能力中，其凝视 模式能够保持卫星整体姿态不变,对固定范围内的区域 进行连续的成像;次观测模式适合对小区域内发展较迅 速的灾害，如森林火灾、滑坡等灾害进行监测。高分四号 区域模式可利用卫星的指向与姿态调整,对区域范围进 行步进式观测成像，比如针对解冻期的冰排、牧区的雪 灾、河流流域洪涝灾害进行快速成像观测。高分四号机 动巡查模式基于控制卫星的拍摄角度，对分布在不同范 围的监测区进行交替成像,获取不同地区250 000 km2范 围内持续时相的观测数据。 其机动巡查模式可以采用可
胶的厚度是测量空气质量的一项重要参数。高分四号遥感卫星所具有的空间范围大、获取卫星影像高效以及中
波红外火点敏感的特点可较好地解决当前农业废弃物焚烧与雾霾监测能力不足的情况。本文对高分四号卫星
数据进行分析与处理，进行了火点提取及气溶胶反演。
关键词：农业废弃物焚烧；高分四号；中波红外；气溶胶；暗像元法
中图分类号:P237
=-臥----------2--h--e--2--------
ln(A= 5 L + 1)
式中,B为太阳天顶角，可从影像自带XML文件中
查得。
利用高分四号卫星影像数据的中红外波段的中心波
长及其偏移量和增益值计算辐射亮度,其他皆为常数，带 入公式后为：3 790.6/alog( 1 + 150 524/L),其中，L为像 元辐亮度,通过上一步辐射定标求得⑺。
高分四号卫星在数据获取能力方面与国内外卫星相 比具备一定的优势。首先，高分四号兼具可见光、近红外 与中波红外的波段获取能力，对植被覆盖、水域等地物及 温度等物理量具备探测能力，高分四号处于地球静止轨 道运行，其高轨道、多种观测模式，能够实现卫星影像在 较短时间内获取，非常适合对地长期连续监视以及快速 访问⑶。此外，由于高分四号卫星成像的幅宽大、所覆盖 的面积广，可满足用户大区域的观测需求。因此,对于高 时空分辨率性质的应急监测可使用高分四号卫星数据, 可以快速地判断焚烧事件发生的位置、火灾范围及着火 点范围内气溶胶的变化情况，该卫星数据可作为火点监 测与气溶胶厚度反演的支撑。高分四号卫星传感器的主 要参数见表1。
Abstract: GF-4 satellite can acquire satellite images of panchromatic, multi-spectral and mid-wave infrared spectrum. The incinera­ tion of agricultural wastes greatly affects the air quality and poses a threat to people' s health. The smog and dust generated by the in­ cineration of agricultural wastes converge into the air to form an aerosol. The thickness of the aerosol is an important parameter for measuring air quality. The large spatial range of this satellite, efficient acquisition of satellite images and the characteristic of infrared wave fire point sensitivity can better solve the current situation of insufficient monitoring of agricultural waste incineration and smog. This article analyzes and processes the GF-4 satellite data and performs fire point extraction and aerosol inversion. Key words：straw burning； GF-4； middle infrared； Aerosol； dark target algorithm
0引言
农业生产作业容易遗留农作物残余，也称作农业废 弃物，当前农业废弃物的处理已经成为一个热点话题。 每年夏收与秋收后，部分城市始终笼罩着浓浓的烟雾，经 常会导致航班延误、高速封路、呼吸道疾病患者增多等问 题。近些年来国家大力整治环境问题，通过研究与引入 新技术无烟化处理农业废弃物，也取得了一定的成效。 但在偏远的以农业种植为主的农村，从业者担心废弃物 可能引发病虫害，利用深耕翻土暂时缓解焚烧压力，但不 利于后期作物的成长，因而造成农业废弃物焚烧屡禁不 止。同时,随着近年来国内机动车保有量的不断增加，所 排出的尾气对环境造成了污染,雾霾天气增多,已经成为 威胁居民生命健康的一个重要因素。雾霾是对大气中各 种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，这些悬浮颗粒在气
第44卷增刊 2021 年 6 月
测绘与空间地理信息
GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY
Vol.44，Supp. Jun.，2021
高分四号遥感数据在环境监测中的应用研究
魏宝安，关雷，曹景庆
( 黑龙江第三测绘工程院,黑龙江 哈尔滨 150025)
摘要：高分四号遥感卫星能够获取全色、多光谱以及中波红外谱段的卫星影像。农作废弃物焚烧较大程度上 影响了空气的质量，威胁人们的健康。农业废弃物焚烧所产生的雾霾、粉尘等汇聚到空气中形成气溶胶。气溶
图2高分四号卫星数据获取各环节耗时 Fig・2 Time consuming of data acquisition of GF-4 satellite
1基于高分四号卫星数据的农业废弃物焚 烧火点遥感监测
高分四号卫星的中波红外波段具有温度敏感性，能 够较好地反演出低温与高温区域。对于焚烧火点的监测 其原理也是利用中波红外温度敏感的特性，进行火点提 取分析。物体燃烧造成的温度通常在500—1 200 K之 间［4］，当地物温度升高后其辐射出的能量出现变化，由维 恩定律可知,物体越热，其辐射波长越短,常温状态下的 物体辐射峰值波长约为10 ^mo火焰正常的温度通常能 达到500—700 K,其热辐射峰值波长在3—5^m之间⑸。 农业废弃物在常温与燃烧状态时的辐射值有着较大的差 异，由于农业废弃物燃烧造成辐射能量的升高及辐射峰 值波长变短,相应的中波红外谱段所获取的辐射量也增 强，通过分析高分四号卫星所获取的中波红外谱段影像 像元点与其周边地物辐射能量的差值可判读该区域是否 为火点，通过高分四号进行火点提取的流程如图3所示。
2) 火点提取 对提取的火点进行初定判别与筛选，针对昼间与夜 间亮温值的差异，分别使用以下两个公式进行阈值判断：
传输
推追
图1高分四号卫星数据获取环节 Fig・1 Data acquisition link of GF-4 satellite
数据获取时效受到了多种因素条件的限制,通过查 阅地面观测单位提供的相关权威文献以及参考高分四号 卫星的具体参数，可将数据获取的主要环节时间确定如 图 2。
30 min
准实时 16 min—2 h 10 min 3 min—3 h 33 min 49 min—6 h 13 min
文基于影像自带RPC文件及30 m分辨率的DEM数据以 及经过正射校正过的全国20 m分辨率卫星影像数据对高 分四号光学影像进行校正,校正软件选择ENV1。
计算的表观反射率的数值可用于对提取的火点信息
进行筛选。本文计算表观反射率的公式为:
nL D2
he
1
P
=
--------------T ESUNcosB'