本文內(nèi)容摘自《中國測繪》2020年第5期

2020年3月底，四川省涼山州木里縣和西昌市近郊時隔一年再次發(fā)生森林火災(zāi)，3月30日晚，電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院定量遙感團(tuán)隊負(fù)責(zé)人何彬彬教授帶領(lǐng)團(tuán)隊趕往四川省應(yīng)急管理廳，為判斷火勢火情和區(qū)域未來森林火險等提供科學(xué)建議。

這支科研團(tuán)隊十年來一直專注于森林防火領(lǐng)域，構(gòu)建了一套基于衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)和可燃物關(guān)鍵信息遙感反演技術(shù)的森林野火風(fēng)險評估與預(yù)警理論方法體系，填補(bǔ)了目前全球森林野火風(fēng)險預(yù)警中對森林可燃物關(guān)鍵信息考慮不足的缺陷。

這套森林野火預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用效果如何?在涼山州火災(zāi)防控中提供了哪些服務(wù)？遙感反演技術(shù)又是如何發(fā)揮基礎(chǔ)性作用的？帶著這些問題，《中國測繪》記者采訪了電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院副院長、定量遙感團(tuán)隊負(fù)責(zé)人何彬彬教授。

電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 定量遙感團(tuán)隊負(fù)責(zé)人何彬彬教授

火眼金睛 定量遙感反演技術(shù)精準(zhǔn)提取可燃物

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，四川省現(xiàn)有森林面積2.8億畝，森林覆蓋率為38%，森林面積居全國第四。按照《全國森林防火規(guī)劃（2016-2025年）》，四川全省有35個縣市區(qū)和81個縣市區(qū)分別被國家列為森林火災(zāi)高危區(qū)、高風(fēng)險區(qū)，并實施重點(diǎn)治理，其中森林火災(zāi)高危區(qū)縣市區(qū)占全國的23.18%。

四川森林資源集中分布的川西高原和攀西地區(qū)，為干熱河谷廣泛分布區(qū)，防火形勢更加嚴(yán)峻。以涼山州為例，該州共有17個縣市，其中12個縣市被納入國家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)，且為國家一級火險縣。

何彬彬團(tuán)隊自主研發(fā)的野火風(fēng)險評估與預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了森林、草原野火早期風(fēng)險預(yù)警，在火災(zāi)發(fā)生前1周，該系統(tǒng)上就已經(jīng)顯示該區(qū)域火險呈上升趨勢，火災(zāi)發(fā)生前3天系統(tǒng)上顯示該地部分地區(qū)已經(jīng)處于高風(fēng)險—極高風(fēng)險區(qū)域。同時，這套系統(tǒng)還進(jìn)一步實現(xiàn)了野火燃燒時近實時火點(diǎn)監(jiān)測、野火燃燒后損失精準(zhǔn)評估。

2020年3月底—4月初西昌市近郊火災(zāi)燃燒烈度三維展示

記者：四川涼山州在去年和今年都發(fā)生了大型火災(zāi)，其中有哪些致災(zāi)因素？

何彬彬：這與它所處的自然環(huán)境有極為密切的關(guān)系。我們研究了從2001年到現(xiàn)在大概20年的火災(zāi)情況，發(fā)現(xiàn)涼山州、攀枝花市、甘孜州靠南一帶每年冬春季火災(zāi)頻發(fā)，這些區(qū)域未來也極有可能再次爆發(fā)火災(zāi)，除非氣候發(fā)生非常大的變化?；馂?zāi)發(fā)生通常與可燃物、氣象和地形這三個自然要素相關(guān)：

可燃物：涼山州是四川省的三大林區(qū)之一，森林覆蓋率高，枯枝落葉常年堆積。由于海拔落差非常大，從山谷到山頂分布著茂密的闊葉林、針葉林、灌木、草本等多類型植被，這些落葉常年堆積在地表，形成大量可燃物。且這一帶還生長著油脂高、燃點(diǎn)低的云南松，當(dāng)可燃物長時間堆積，發(fā)生腐爛又會產(chǎn)生大量可燃?xì)怏w，一旦有火源，地表火便會快速蔓延到樹冠上，大型火災(zāi)就特別容易爆發(fā)。

氣象：每年11月到次年4月冬春季，涼山州一帶是典型的干季，日照時間長，與江南、華南等地的亞熱帶季風(fēng)氣候不同，地處西南地區(qū)的云南、四川西南部屬于亞熱帶高原季風(fēng)氣候，干濕季節(jié)非常分明。同時，該地區(qū)局地氣候多變，具有立體氣候特征。
地形：涼山州位于橫斷山脈南部、四川盆地和云貴高原交界處，地形起伏強(qiáng)烈，坡度陡，降水易流失，可燃物易干燥，并且很多區(qū)域剛好在干熱河谷地帶，氣溫要比整個山脈地區(qū)的溫度都高。

最后談?wù)劵鹪?，我們目前能做的預(yù)防工作是根據(jù)風(fēng)險數(shù)據(jù)提高當(dāng)?shù)匕傩盏姆阑鹨庾R，但是我認(rèn)為自然環(huán)境，尤其是可燃物這一因素更直接影響涼山州的火勢。

記者：您剛剛多次提及“可燃物”，定量遙感團(tuán)隊是怎樣利用遙感技術(shù)來監(jiān)測可燃物從而進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警的？

何彬彬：可燃物包含了死可燃物——地表的枯枝落葉和活可燃物——樹葉、樹枝和樹干，樹葉可燃物含水率與可燃物載荷（可燃物干重）可以通過遙感技術(shù)直接獲取。過去，監(jiān)測死可燃物是人工到實地樣點(diǎn)調(diào)查，再根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計后做推演。但是森林覆蓋面積廣，人工作業(yè)難以大范圍覆蓋，尤其西南地區(qū)的地表異質(zhì)性強(qiáng)，難以通過經(jīng)驗擬合方法合理估算?，F(xiàn)在我們通過遙感參數(shù)，結(jié)合氣象、地形及地面調(diào)查數(shù)據(jù)，可以動態(tài)模擬地表死可燃物能量和水分的平衡過程，即通過遙感反演的參數(shù)結(jié)合陸面過程模型，可較高精度地動態(tài)估算地表死可燃物含水率。總的來說，就是根據(jù)長時間序列近實時的可燃物信息和氣象信息以及實際的地形信息，結(jié)合時空大數(shù)據(jù)分析與挖掘模型，對未來3天到6天大范圍森林野火風(fēng)險進(jìn)行較高精度的分析預(yù)警。

記者：涼山州火災(zāi)發(fā)生后，您和團(tuán)隊很快就趕往了四川省應(yīng)急管理廳，你們主要提供哪些技術(shù)服務(wù)？

何彬彬：我們給四川省應(yīng)急管理廳展示了自主研發(fā)的森林和草原火災(zāi)風(fēng)險預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測火災(zāi)周邊風(fēng)險區(qū)域。實際上系統(tǒng)在本次涼山火災(zāi)前6天—8天便發(fā)現(xiàn)火險呈上升趨勢，部分地方監(jiān)測出高風(fēng)險-極高風(fēng)險區(qū)了。在火災(zāi)結(jié)束后，團(tuán)隊第一時間利用遙感技術(shù)計算了涼山州西昌、木里和云南迪慶的森林過火面積和詳細(xì)的火災(zāi)燃燒烈度，于4月4日—5日就將詳細(xì)災(zāi)情評估數(shù)據(jù)及報告提交至國家林草局防火司、應(yīng)急管理部減災(zāi)中心、四川省林業(yè)和草原局防火處和云南省林業(yè)和草原局林業(yè)雙中心。

記者：剛才您談到利用遙感技術(shù)提取“燃燒烈度”，遙感是如何在其中發(fā)揮作用的?
何彬彬：燃燒烈度涉及到我們團(tuán)隊預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的災(zāi)后評估功能，這一方面，我個人認(rèn)為電子科技大學(xué)定量遙感團(tuán)隊做到了新高度：我們并非簡單地計算過火面積，而是把樹木燃燒的程度和損毀的嚴(yán)重情況都提取出來。其原理是，不同燃燒烈度下植被在遙感成像里的光譜特征有區(qū)別，其中的關(guān)鍵在于如何定量區(qū)分燃燒后灰燼光譜與殘留的植被光譜特征，這一點(diǎn)上我們通過遙感物理模型進(jìn)行了很好的模擬并以此反演得到精細(xì)化森林火災(zāi)燃燒烈度。

記者：這些指數(shù)對于指導(dǎo)災(zāi)后恢復(fù)工作有哪些意義？

何彬彬：精細(xì)化的燃燒烈度評估對于后續(xù)的生態(tài)恢復(fù)規(guī)劃可以說非常重要：燃燒烈度低的區(qū)域，可以不用管它，第二年就會“春風(fēng)吹又生”；高烈度區(qū)域生態(tài)自然恢復(fù)需要較長時間，此時通過重新植樹造林可以幫助該區(qū)域生態(tài)快速恢復(fù)。由于只需要對高烈度區(qū)域進(jìn)行植樹造林，而非覆蓋所有燃燒區(qū)域，因此一方面有利于生態(tài)的快速恢復(fù)，另一方面降低了人力、物力和財力的投入。

初露鋒芒 林火預(yù)警系統(tǒng)立足西南輻射全國

電子科技大學(xué)定量遙感團(tuán)隊由已故的“布鞋院士”李小文教授所創(chuàng)。早在2005年，李小文院士就建議團(tuán)隊要加強(qiáng)對我國西南地區(qū)復(fù)雜環(huán)境的研究，并加強(qiáng)理論成果應(yīng)用，解決國計民生難題。此后，在何彬彬教授的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊圍繞我國西部森林草原生態(tài)環(huán)境和野火遙感預(yù)警展開了深入的科學(xué)研究與技術(shù)攻關(guān)，取得了從野外科學(xué)調(diào)查到關(guān)鍵科學(xué)理論方法與技術(shù)的重大突破。十年磨劍，初露鋒芒。今年1月14日，首屆全國生態(tài)大數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用大賽決賽在國家林業(yè)和草原局舉行，這套森林和草原野火風(fēng)險預(yù)警監(jiān)測大數(shù)據(jù)系統(tǒng)榮獲比賽“大賽獎”，是唯一野火預(yù)警監(jiān)測類成果獎。1月18日，科技部國家遙感中心向電子科技大學(xué)發(fā)來感謝函，感謝該團(tuán)隊在森林野火風(fēng)險評估與預(yù)警方面的科研成果為《全球生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測2019年度報告》的順利完成提供了有力的科技支撐。3月27日，何彬彬團(tuán)隊參加了云南省的森林防火視頻會議，為云南省森林防火決策部署提供科學(xué)支持。當(dāng)前，團(tuán)隊的部分科研成果已經(jīng)免費(fèi)向全球用戶共享，并正在與中國林業(yè)大數(shù)據(jù)中心執(zhí)行單位“云南林業(yè)雙中心”開展深入合作。

記者：當(dāng)初您和團(tuán)隊為什么會選擇森林野火遙感預(yù)警這一方向進(jìn)行研究？

何彬彬：2005年，當(dāng)時我們團(tuán)隊還只有幾個人，李小文院士就告訴我們要結(jié)合西南的復(fù)雜環(huán)境，要借助電子科技大學(xué)的信息學(xué)科優(yōu)勢，“要用核心理論來支撐行業(yè)的技術(shù)應(yīng)用”。定量遙感有兩個關(guān)鍵——前向模型和后向反演，近年來遙感后向反演敏感參數(shù)研究熱度也比較高，而我們瞄準(zhǔn)了森林可燃物這類重要但弱敏感的參數(shù)。我們前六七年主要專注可燃物含水率參數(shù)反演，最近三四年結(jié)合電子科技大學(xué)的電子信息優(yōu)勢，把可燃物信息、氣象信息、地形信息等多源異構(gòu)的時空大數(shù)據(jù)結(jié)合野火環(huán)境三角模型，構(gòu)建森林野火風(fēng)險預(yù)警大數(shù)據(jù)挖掘模型。其實，我們最初是從草原野火風(fēng)險預(yù)警開始做起，因為草原地表相對單一，更容易檢驗成果。

記者：您的團(tuán)隊近十年鉆研林火預(yù)警，期間遇到了哪些困難？

何彬彬：與其說團(tuán)隊遇到困難，不如說是團(tuán)隊里的年輕老師遇到的困難。首先研究領(lǐng)域?qū)儆诳鐚W(xué)科，專業(yè)知識面廣，成熟的參考資料少，難度大；其次自2010年以來，我們團(tuán)隊在林火預(yù)警這個方向拿到的科研項目十分有限，三個國家自然科學(xué)基金和科技部國家遙感中心、四川省科技廳項目的立項，給予了我們很大的信心，同時也是我們經(jīng)費(fèi)的主要來源——當(dāng)然我們團(tuán)隊一致的觀點(diǎn)是，即使經(jīng)費(fèi)有限也要做出重要的成果。團(tuán)隊中的年輕老師，比如全興文老師2010年就和我一起研究可燃物遙感反演，從碩士、博士再到留校、國外聯(lián)合培養(yǎng)，在這么長的周期內(nèi)，他面臨畢業(yè)忙、項目難度大、經(jīng)濟(jì)不寬裕三重壓力，一直堅守不放棄，這是一件很不容易的事。此外我們還遇到了學(xué)科交叉的困難，林火預(yù)警研究涉及遙感建模與反演、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、林學(xué)、氣象學(xué)等領(lǐng)域和專業(yè)，我們團(tuán)隊成員有的本科專業(yè)是自動化、計算機(jī)或者傳統(tǒng)物理、遙感、地質(zhì)，跨學(xué)科研究對他們來說本身也是一個挑戰(zhàn)。

記者：當(dāng)前這套森林和草原野火風(fēng)險預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警效果如何？

何彬彬：利用遙感來研究火災(zāi)預(yù)警有一個好處就是，很多歷史時空數(shù)據(jù)可以代入模型來做全球范圍內(nèi)的歷史火災(zāi)驗證，從目前可查閱的科技文獻(xiàn)資料來看，我們團(tuán)隊的森林和草原冠層可燃物含水率產(chǎn)品是唯一覆蓋全球的且精度最高。早在去年的涼山州木里火災(zāi)，我們就監(jiān)測出火災(zāi)發(fā)生前30天，可燃物含水率急劇降低；2018年7月28日的美國加州雷丁市火災(zāi)，火災(zāi)發(fā)生前30天，系統(tǒng)就顯示該區(qū)域森林火險呈急劇上升趨勢；今年的西昌、木里、云南迪慶火災(zāi)發(fā)生前，我們的預(yù)警系統(tǒng)提前就發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的高風(fēng)險。

記者：目前您的團(tuán)隊科技轉(zhuǎn)化成果成效如何？在哪些地方投入了使用？

何彬彬：我們在2019年就與云南省林業(yè)和草原局進(jìn)行了交流合作，他們對這個系統(tǒng)非常感興趣。實際上云南比四川更容易發(fā)生火災(zāi)，對林火預(yù)警的需求更強(qiáng)。我們也十分樂意為行業(yè)部門提供信息化服務(wù)，科研成果不能鎖在實驗室里，在西南地區(qū)這種復(fù)雜的環(huán)境下最能檢驗出系統(tǒng)有哪些不足，后續(xù)才能夠持續(xù)完善。

2018年，我們團(tuán)隊就開始做全球林火風(fēng)險預(yù)警產(chǎn)品，針對非洲中部、中國西南部、美國西海岸、澳大利亞北部和歐洲南部區(qū)域等五大林火易發(fā)區(qū)，在分析2001年-2018年的五大林火易發(fā)區(qū)野火誘發(fā)因子與火災(zāi)爆發(fā)關(guān)系基礎(chǔ)上，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析方法對2019年-2020年的林火進(jìn)行了趨勢預(yù)判。

從友好性和易用性這兩方面看，目前我們團(tuán)隊研發(fā)的預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)和其它成熟的商業(yè)化平臺相比還有所差距，但我們擁有完全自主的核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)，某些技術(shù)甚至是全球領(lǐng)先。去年，我們團(tuán)隊項目在“全國互聯(lián)網(wǎng)+創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”大賽中獲得了銀獎，不少企業(yè)主動聯(lián)系我們想建立合作關(guān)系。但說實話，我們不急于商業(yè)化，更希望通過應(yīng)用研究進(jìn)一步提高平臺的預(yù)警效果和驅(qū)動核心技術(shù)的進(jìn)一步研發(fā)，同時為國計民生作貢獻(xiàn)，當(dāng)然如果遇到好的合作伙伴，發(fā)揮雙方優(yōu)勢也未嘗不可。

記者：團(tuán)隊下一步有哪些研究方向和計劃？

何彬彬：我們當(dāng)前是以西南地區(qū)為起始點(diǎn)再向外輻射到湖南、廣西等地區(qū)，最近東北林區(qū)也有意向合作，但是團(tuán)隊還需要到實地做系列考察，了解地表真實覆蓋情況。此外，我們計劃進(jìn)一步提升精度，豐富可燃物信息類型，面對不同區(qū)域的地表環(huán)境做精細(xì)化優(yōu)化。

我相信不管是核心技術(shù)還是平臺的友好性和易用性，我們的系統(tǒng)在未來一到兩年內(nèi)會有質(zhì)的飛躍，因為現(xiàn)在投入研發(fā)的人員和精力越來越多。

團(tuán)隊人員在西南林區(qū)野外工作照

防患未然 林火精準(zhǔn)防控勢在必行

“拔勢橫來野火燒”，2020年春天森林火災(zāi)不斷，據(jù)應(yīng)急管理部數(shù)據(jù)顯示，第一季度全國發(fā)生森林火災(zāi)392起，森林受災(zāi)面積較大，多人因森林火災(zāi)死亡。森林火災(zāi)，重在防患于未然。

記者：去年巴西雨林、澳大利亞也發(fā)生了森林火災(zāi)，森林火災(zāi)可以說是世界各國都需要面對的問題，林火防控有哪些共同的困難？

何彬彬：這些年來，不僅僅是中國，全球的森林火災(zāi)預(yù)警大多是以氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)為主要依據(jù)，如中國的森林氣象預(yù)報系統(tǒng)、加拿大的森林火險氣候指數(shù)系統(tǒng)、澳大利亞的森林火險等級系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)對于溫度、相對濕度、風(fēng)速以及地形等因素考慮還是比較充分的，但是對于可燃物時空變化信息考慮不足。

比如像我國西南林區(qū)，地形復(fù)雜、樹種多樣、局地氣候多變，如何應(yīng)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)較高精度地提取可燃物時空信息依然是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題；另一方面現(xiàn)有的森林野火風(fēng)險預(yù)警缺乏考慮誘發(fā)因子的多維度特征，特別是各因子時間維度的變化特征與野火爆發(fā)之間的關(guān)系。所以林火雖然每年爆發(fā)，每年都收獲新的防控經(jīng)驗，但林火防控的理論與技術(shù)還需進(jìn)一步研究和提升。

記者：如何理解林火誘發(fā)因子的“時間維度”？

何彬彬：如可燃物含水率持續(xù)一段時間到達(dá)某個臨界點(diǎn)后更容易發(fā)生火災(zāi)，原來的林火研究更關(guān)注空間維度，比如這個地方的可燃物含水率降低，火災(zāi)風(fēng)險會提升，但誘發(fā)因子與火災(zāi)爆發(fā)的關(guān)系并非一蹴而就，往往是多種誘發(fā)因子在時間維度上累積到一定程度時發(fā)生，因此更要關(guān)注可燃物的時間維度動態(tài)變化，比如7天、半個月，觀察其與野火爆發(fā)之間的關(guān)系。

記者：關(guān)于林火防控，您有哪些體會？

何彬彬：在野火預(yù)警防控上還需做到以防控為主、撲火為輔，即科學(xué)預(yù)警防控。科學(xué)預(yù)警防控需要加強(qiáng)短期高精度火險預(yù)警和中長期野火多發(fā)區(qū)的脆弱性評估。一旦發(fā)現(xiàn)短期高風(fēng)險地區(qū)，相關(guān)部門需要明確具體的位置和時間，在重點(diǎn)區(qū)域配備足夠的人員和物資，如滅火工具或通訊設(shè)備，有針對性地巡查，在風(fēng)險區(qū)域入口嚴(yán)加防控，或者使用航空飛機(jī)灑水，減少火災(zāi)發(fā)生的可能性。對中長期野火容易發(fā)生的區(qū)域，比如山高坡陡的西南地區(qū)，可以提前規(guī)劃好隔離帶。這樣每次火災(zāi)發(fā)生，就能有針對性地采取措施，也知道一旦火勢蔓延，能夠燒到哪個程度，是否在我們的接受范圍內(nèi)。

此外，防控的微氣象監(jiān)測和通訊設(shè)備是非常重要的，林火燃燒后，地形會影響局部的風(fēng)力和風(fēng)向，尤其在山區(qū)，而通訊設(shè)備在這些區(qū)域往往又不暢通，所以局部地區(qū)高精度氣象監(jiān)測和通訊信號基站問題也亟需解決。那么建立在哪個位置呢？這就又回到災(zāi)前的林火風(fēng)險預(yù)警問題上，如果我們在災(zāi)前就長時間大范圍綜合分析出風(fēng)險區(qū)域，就會明白監(jiān)測站、信號基站應(yīng)該建立的具體位置。

最后就是前面提到的災(zāi)后評估了，對燃燒烈度進(jìn)行精細(xì)評估對后續(xù)規(guī)劃生態(tài)恢復(fù)極具指導(dǎo)意義。

遙感技術(shù)在災(zāi)前、災(zāi)時和災(zāi)后三方面的應(yīng)用發(fā)揮了深層次、不可替代的作用。“遙感專業(yè)的科技工作者要在看‘圖’說話的基礎(chǔ)上加強(qiáng)遙感的基礎(chǔ)理論研究，與多學(xué)科交叉融合，借助現(xiàn)代信息技術(shù)解決應(yīng)用層問題。”

“下一步，定量遙感團(tuán)隊將繼續(xù)著眼于國家在生態(tài)環(huán)境與森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測中的重大需求，立足我國西南，面向全球，開展復(fù)雜環(huán)境定量遙感反演及行業(yè)應(yīng)用研究。”何彬彬教授說。