專利名稱：基于modis數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectrometer中分辨率成像光譜儀)數(shù)據(jù)進(jìn)行草原火災(zāi)跡地探測(cè)的方法，特別涉及利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行草原火災(zāi)跡地自動(dòng)探測(cè)的方法。
背景技術(shù)：
自然火災(zāi)(Wild fire)是生態(tài)系統(tǒng)演替過程的自然現(xiàn)象，但也對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和全球氣候系統(tǒng)造成了嚴(yán)重影響。表現(xiàn)為(1)植物燃燒向大氣中排放大量的溫室氣體(CO2、CO、CH4、NOX等)和氣溶膠，不僅改變大氣化學(xué)成分、而且可能直接影響輻射平衡和全球氣候系統(tǒng)；(2)破壞區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)功能，導(dǎo)致動(dòng)物棲息地和生物多樣性的減少；(3)改變了植被演替方式和生物營(yíng)養(yǎng)循環(huán)。鑒于火災(zāi)跡地在生態(tài)系統(tǒng)管理以及全球變化研究中的重要作用，有必要在全球或區(qū)域尺度上對(duì)火情和火災(zāi)跡地面積進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)控制火災(zāi)災(zāi)情和準(zhǔn)確估計(jì)火災(zāi)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。
目前基于遙感的火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法可以分為火點(diǎn)(Hotspot)探測(cè)和火災(zāi)后跡地(Burn scar)識(shí)別兩類?；瘘c(diǎn)探測(cè)通常基于火的熱學(xué)性質(zhì)，使用中紅外波段(3.55～3.93μm)對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。常用的方法可概括為多波段固定閾值法和背景(Contexture)閾值法兩大類。多波段固定閾值法對(duì)于在小區(qū)域上去除高反射率物質(zhì)如云、溫度較高的地物(如裸土)及日映(Sunglint)等的干擾減少火點(diǎn)誤判十分有效，但在大區(qū)域采用固定閾值可能誤判或遺漏火點(diǎn)。鑒于多波段固定閾值法在大區(qū)域應(yīng)用上的缺陷，IGBP-DIS開發(fā)了背景閾值法以適用于全球尺度的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)。該類方法的閾值通過比較鄰近像元的溫度差異來確定，具有動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的優(yōu)勢(shì)。MODIS火災(zāi)產(chǎn)品中對(duì)火點(diǎn)的監(jiān)測(cè)結(jié)合了多波段固定閾值和背景閾值方法的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，火災(zāi)后跡地識(shí)別主要是通過判斷植被在火災(zāi)前后的光譜變化來估算燃燒面積。目前應(yīng)用較廣泛的方法有火災(zāi)前后NDVI差值法、NDVI回歸分析方法、HANDS方法等，這些方法都使用NOAA-AVHRR NDVI最大值合成數(shù)據(jù)，結(jié)合火點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果和植被覆蓋圖，在去除了植被時(shí)相上的NDVI差異之后，利用局部自動(dòng)閾值的方法來判斷火災(zāi)跡地像元。盡管采用時(shí)間序列合成數(shù)據(jù)能在一定程度上去除云、云的陰影、觀測(cè)角度等帶來的影響，但由于植被在火災(zāi)后的迅速恢復(fù)、風(fēng)吹散燃燒殘余物等因素，使得合成的時(shí)段選擇受到植被覆蓋類型的影響。利用單日數(shù)據(jù)提取火災(zāi)跡地則具有實(shí)時(shí)性、不受合成方法影響的優(yōu)點(diǎn)，而且可以進(jìn)行燃燒區(qū)域動(dòng)態(tài)分析。Li et al.利用MODIS單日數(shù)據(jù)1.24μm和2.13μm兩個(gè)波段，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)閾值的方法對(duì)火災(zāi)跡地進(jìn)行了識(shí)別研究，參照非專利文獻(xiàn)1。但總體而言，目前利用單日遙感數(shù)據(jù)提取火災(zāi)跡地的研究還不夠成熟，主要是因?yàn)椴煌脖桓采w類型的火災(zāi)跡地光譜性質(zhì)還不夠清楚。此外，目前大多數(shù)有關(guān)火災(zāi)的遙感監(jiān)測(cè)研究都在森林區(qū)域開展，而對(duì)于草原火災(zāi)的研究還相對(duì)滯后。
非專利文獻(xiàn)1Li R R，Kaufman Y J，Hao W M，Salmon J M，Gao B C.Atechnique for detecting burn scar using MODIS data[J]，IEEE Transaction onGeoscience and Remote Sensing，2004，42(6)1300-1308.
非專利文獻(xiàn)2Pinty B，Verstraete M M.GEMIA non-linear index tomonitor global vegetation from satellites[J]，Vegetation，1992，10115-20.
非專利文獻(xiàn)3Stroppiana D，Pinnock S，Pereira J M C，Gregoire J M.Radiometric analysis of SPOT-VAGETATION images for burnt area detectionin Northern Australia[J]，Remote Sensing of Environment，2002，8121-37.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，該方法能夠快速準(zhǔn)確地提取火災(zāi)跡地的面積，且在計(jì)算過程中，根據(jù)每幅圖像上火點(diǎn)周圍像元自動(dòng)獲取火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征，避免了人為設(shè)定閾值和使用固定閾值可能出現(xiàn)的誤判和漏判現(xiàn)象。
本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，包括從衛(wèi)星接收MODIS數(shù)據(jù)的步驟，其特征在于，還包括構(gòu)建火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的步驟；探測(cè)火點(diǎn)的步驟；以每個(gè)火點(diǎn)為中心計(jì)算一定范圍窗口中像元的火災(zāi)跡地指數(shù)的步驟；將火點(diǎn)添加進(jìn)種子點(diǎn)序列的步驟；比較步驟，該步驟用于比較各擴(kuò)散像元周圍一定窗口內(nèi)GEMI-B指數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差是否與火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征值相接近，如果不接近，從種子點(diǎn)序列中去除；如果接近，以跡地像元為中心向外擴(kuò)散，將擴(kuò)散像元添加到種子點(diǎn)序列中，將計(jì)算過的種子點(diǎn)像元從種子點(diǎn)序列中去除的步驟；判斷種子點(diǎn)數(shù)目是否為零的步驟，如果數(shù)目不為零，返回到比較步驟，如果判斷為種子點(diǎn)數(shù)目為零，則前進(jìn)到輸出跡地圖像的步驟。
本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法的特征還在于，利用MODIS數(shù)據(jù)的第5波段和第7波段來構(gòu)建火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B，其表達(dá)式為GEMI-B＝η(1-0.25η)-(ρ5-0.125)/(1-ρ5)(1)其中η=(2(ρ72-ρ52)+1.5ρ7+0.5ρ5)/(ρ7+ρ5+0.5)---(2)]]>上式中，ρ7和ρ5分別為MODIS第5和第7波段的反射率。
本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，包括從衛(wèi)星接收MODIS數(shù)據(jù)的步驟，其特征在于還包括計(jì)算火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的步驟；探測(cè)火點(diǎn)的步驟；以每個(gè)火點(diǎn)為中心計(jì)算3×3窗口中像元的火災(zāi)跡地指數(shù)的步驟；將火點(diǎn)添加進(jìn)種子點(diǎn)序列的步驟；計(jì)算均值Ms、標(biāo)準(zhǔn)差SDs的步驟，該步驟用于計(jì)算所有火點(diǎn)的3×3窗口火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的均值Ms、標(biāo)準(zhǔn)差SDs；計(jì)算均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw的步驟，該步驟用于逐個(gè)計(jì)算每個(gè)種子點(diǎn)為中心的3×3窗口的火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw；根據(jù)公式SDw＜Nl*SDs和公式Mw＜＝Ms±N2*SDs判斷其均值Mw和標(biāo)準(zhǔn)差SDw是否與火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征值接近的步驟，其中，N1、N2為接近系數(shù)；如果不接近，判斷為非跡地，從種子點(diǎn)序列中去除，如果接近，判斷為跡地像元，以跡地像元為中心向外擴(kuò)散，將擴(kuò)散像元添加到種子點(diǎn)序列中，將計(jì)算過的種子點(diǎn)像元從種子點(diǎn)序列中去除的步驟；判斷種子點(diǎn)數(shù)目是否為零的步驟，如果判斷為種子點(diǎn)數(shù)目不為零，返回到計(jì)算均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw的步驟，如果判斷為種子點(diǎn)數(shù)目為零，則前進(jìn)到輸出跡地圖像的步驟。
本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法的特征還在于，利用MODIS數(shù)據(jù)的第5波段和第7波段來構(gòu)建火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B，其表達(dá)式為GEMI-B＝η(1-0.25η)-(ρ5-0.125)/(1-ρ5)(1)其中η=(2(ρ72-ρ52)+1.5ρ7+0.5ρ5)/(ρ7+ρ5+0.5)---(2)]]>上式中，ρ7和ρ5分別為MODIS第5和第7波段的反射率。
本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法的特征還在于，用于判斷每個(gè)種子點(diǎn)為中心的3×3窗口的火災(zāi)跡地指數(shù)均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw是否與火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征值接近的系數(shù)N1、N2的范圍為1.0＜＝N1＜＝2.0 2.0＜＝N2＜＝3.0。
本發(fā)明的基于火點(diǎn)和GEMI-B指數(shù)的火災(zāi)跡地自動(dòng)識(shí)別方法，能夠精確地理定位遙感數(shù)據(jù)、消除大氣影響、準(zhǔn)確提取火情或火燒跡地，，且在計(jì)算過程中，根據(jù)每幅圖像上火點(diǎn)周圍像元自動(dòng)獲取火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征，避免了人為設(shè)定閾值和使用固定閾值可能出現(xiàn)的誤判和漏判現(xiàn)象。由于使用了火點(diǎn)作為初始種子點(diǎn)擴(kuò)散的方法，即使只有很少的火點(diǎn)，也可以擴(kuò)展到整個(gè)跡地。同時(shí)，該方法能對(duì)多幅圖像進(jìn)行批處理，可以方便的觀察火災(zāi)跡地在時(shí)間序列上的變化特征。


圖1是不同地表覆蓋類型在MODIS波段1～7的平均反射率。
圖2是本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明使用的數(shù)據(jù)是搭載于Terra衛(wèi)星上的MODIS數(shù)據(jù)。使用了MODIS的1～7波段(空間分辨率為500m)，以及第20、21、31波段(空間分辨率1km)數(shù)據(jù)。MODIS數(shù)據(jù)的時(shí)間跨度為2003年5月20日至5月31日(圖2)。原始MODIS數(shù)據(jù)級(jí)別為L(zhǎng)evel 1B，未經(jīng)過任何處理。在經(jīng)過幾何糾正和輻射糾正之后，分別生成了表觀反射率數(shù)據(jù)(波段1～7)和亮度溫度(Brightness temperature)數(shù)據(jù)(波段21、22、31)。研究中使用到的MODIS波段的屬性見表1。
表1

1.波段1～7nm；波段21、22、31μm；2.研究中使用到的數(shù)據(jù)采樣到500m；圖1是不同地表覆蓋類型在MODIS波段1～7的平均反射率。
由于未能及時(shí)測(cè)量2003年5月發(fā)生在中蒙邊境的草原火災(zāi)跡地的光譜，發(fā)明人根據(jù)植被類型圖，在不同日期的MODIS圖像上分別選擇了代表不同地表覆蓋類型的若干像元，包括火災(zāi)跡地、未燃燒的森林和草地、水體、云、薄云覆蓋的跡地等6大類，然后計(jì)算了各類地表覆蓋的平均表觀反射率(圖3)。由圖3可以看出(1)跡地和水體反射率較低且曲線平緩，在近紅外到短波紅外范圍，跡地的反射率高于水體；(2)與之相對(duì)照，在整個(gè)光譜區(qū)間，植被和云的反射率都高于跡地，并且變化較大，整體而言，在可見光到近紅外范圍，云都具有高反射率的特征；(3)在可見光范圍內(nèi)，跡地與未燃燒的森林、草地具有十分相似的光譜特征，很難進(jìn)行區(qū)分，與之相對(duì)照，近紅外和短波紅外范圍上(波段2和波段5)，各類地物的反射特征區(qū)別最大；植被的燃燒過程表現(xiàn)為在可見光到短波紅外范圍上反射率的降低，尤其以波段2和波段5的降低最為顯著；(4)薄云覆蓋的火災(zāi)跡地具有跡地相似的光譜特征，但受高反射率云的影響，具有相對(duì)較高的反射率；(5)各類地物的反射率在波段7光譜范圍內(nèi)存在收斂的趨勢(shì)。上述根據(jù)表觀反射率得到的火災(zāi)跡地與其它地物的光譜特征差異，基本與NASA1995年在巴西的機(jī)載AVIRIS光譜測(cè)量結(jié)果相似。
根據(jù)火災(zāi)跡地的光譜特征，許多研究提出了反映火災(zāi)跡地特征的指數(shù)和識(shí)別火災(zāi)跡地的方法。較為常用的指數(shù)有NDVI、BAI(Burn Area Index)[18]、NDII(Normalized Difference Infrared Index)(相似的指數(shù)如SWVI(Short Wave Vegetation Index)和NDWI(Normalized Difference WaterIndex))、NBR(Normalized Burn Ratio)、VI3T、GEMI(Global EnvironmentMonitoring Index)等。這些指數(shù)的定義見附錄。上述指數(shù)一般都利用植被燃燒后生物量和水分損失所導(dǎo)致的相應(yīng)波段反射率降低的特征，因此對(duì)火災(zāi)跡地有較好的識(shí)別能力，森林區(qū)域的實(shí)驗(yàn)研究也取得了較為滿意的結(jié)果。但上述指數(shù)一般使用波長(zhǎng)較短的波段，受燃燒產(chǎn)生的煙塵、氣溶膠和薄云的影響較為嚴(yán)重；同時(shí)，由于草原區(qū)域植被覆蓋率較低，土壤背景值影響更為顯著，再加上植被的水分含量較低，因此，在草原區(qū)域利用上述指數(shù)能否區(qū)分跡地還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
Li et al.利用機(jī)載AVIRIS測(cè)量的森林區(qū)域燃燒前后400～2500nm的表觀反射率光譜曲線，發(fā)現(xiàn)利用MODIS的1.24μm(波段5)和2.13μm波段(波段7)可以較好地區(qū)分出燃燒和未燃燒的像元?？紤]到上述兩波段波長(zhǎng)較長(zhǎng)，受到煙塵、氣溶膠和薄云的影響相對(duì)較弱，本發(fā)明人也選用這兩個(gè)波段構(gòu)建火災(zāi)跡地指數(shù)。
本發(fā)明人提出了反映火災(zāi)跡地光譜特征的指數(shù)GEMI-B(GlobalEnvironment Monitoring Index-Burn scar)。GEMI-B將GEMI(參見非專利文獻(xiàn)2、3)中的紅光(RED)波段和近紅外(NIR)波段分別替換為MODIS的第5波段和第7波段，即GEMI-B＝η(1-0.25η)-(ρ5-0.125)/(1-ρ5)(1)其中η=(2(ρ72-ρ52)+1.5ρ7+0.5ρ5)/(ρ7+ρ5+0.5)---(2)]]>上式中，ρ7和ρ5分別為MODIS第5和第7波段的反射率。由上述GEMI-B指數(shù)定義，計(jì)算各種地表覆蓋類型的GEMI-B指數(shù)，火災(zāi)跡地的GEMI-B指數(shù)值為0.34，薄云覆蓋的跡地GEMI-B指數(shù)值為0.27，而未燃燒的森林和草地GEMI-B指數(shù)值分別為0.09和-0.05，水體和云GEMI-B指數(shù)值分別為0.17和-0.51。相對(duì)于火災(zāi)跡地，而其它地物GEMI-B指數(shù)值較小，故可以有效地分離火災(zāi)跡地和其它地物。同時(shí)，GEMI-B指數(shù)還具有抗大氣和土壤背景值干擾的優(yōu)點(diǎn)。
以下參照?qǐng)D2對(duì)本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，包括從衛(wèi)星接收MODIS數(shù)據(jù)的步驟S01，其中，還包括計(jì)算火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的步驟S02；探測(cè)火點(diǎn)的步驟S03；以每個(gè)火點(diǎn)為中心計(jì)算3×3窗口中像元的火災(zāi)跡地指數(shù)的步驟S04；將火點(diǎn)添加進(jìn)種子點(diǎn)序列的步驟S05；計(jì)算所有火點(diǎn)的3×3窗口火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的均值Ms、標(biāo)準(zhǔn)差SDs的步驟S06；逐個(gè)計(jì)算每個(gè)種子點(diǎn)為中心的3×3窗口的火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw的步驟S07；根據(jù)公式SDw＜Nl*SDs和公式Mw＜＝Ms±N2*SDs判斷其均值Mw和標(biāo)準(zhǔn)差SDw是否與火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征值接近的步驟S08，其中，N1、N2為接近系數(shù)；如果不接近，判斷為非跡地，從種子點(diǎn)序列中去除的步驟S09；如果接近，判斷為跡地像元S10，以跡地像元為中心向外擴(kuò)散，將擴(kuò)散像元添加到種子點(diǎn)序列中，將計(jì)算過的種子點(diǎn)像元從種子點(diǎn)序列中去除的步驟S11；判斷種子點(diǎn)數(shù)目是否為零的步驟S12，如果判斷為種子點(diǎn)數(shù)目不為零，返回到步驟S07，如果判斷為種子點(diǎn)數(shù)目為零，則前進(jìn)到輸出跡地圖像的步驟S13。
本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法的特征還在于，利用MODIS數(shù)據(jù)的第5波段和第7波段來構(gòu)建火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B；其表達(dá)式為GEMI-B＝η(1-0.25η)-(ρ5-0.125)/(1-ρ5)(1)其中η=(2(ρ72-ρ52)+1.5ρ7+0.5ρ5)/(ρ7+ρ5+0.5)---(2)]]>上式中，ρ7和ρ5分別為MODIS第5和第7波段的反射率。
本發(fā)明的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法在N1取1.5，N2取2.5時(shí)，所有圖像均能較好的提取出火災(zāi)跡地。
本發(fā)明使用MODIS火災(zāi)產(chǎn)品(MODIS fire product)提供的火點(diǎn)探測(cè)方法進(jìn)行火點(diǎn)提取。該算法綜合了多波段固定閾值和背景閾值兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，使用MODIS在4μm和11μm附近的亮度溫度，分別以T4和T11表示。T4由波段21和波段22計(jì)算，其中波段21的飽和值為500K，波段22的飽和值為331K。由于波段22噪聲較小(表1)，因此盡量使用波段22來計(jì)算T4，如果T4＞331則改用波段21。T11由波段31計(jì)算，其飽和值為400K。對(duì)于白天的MODIS數(shù)據(jù)，火點(diǎn)像元必須至少滿足以下條件之一a.T4＞360K orb.{T4＞mean(T4)+3SD(T4)or T4＞330K}and(3){T4-T11＞median(T4-T11)+3SD(T4-T11)or T4-T11＞25K}式中mean、median和SD分別代表背景窗口的均值、中值和標(biāo)準(zhǔn)差(背景閾值)。背景窗口使用21×21的窗口。根據(jù)以上算法首先判斷出各日的火點(diǎn)像元，然后將這些火點(diǎn)像元累加起來生成火點(diǎn)合成圖像。該圖像作為跡地種子點(diǎn)用于后續(xù)計(jì)算。
采用區(qū)分度(Discriminability)指標(biāo)，對(duì)包括GEMI-B指數(shù)在內(nèi)的上述各指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。這里采用常用的歸一化距離(Normalized distance)作為區(qū)分度指標(biāo)，評(píng)價(jià)以上指數(shù)在火災(zāi)跡地識(shí)別中的優(yōu)劣。首先從各指數(shù)圖像中目視選取火災(zāi)跡地與非跡地區(qū)域，分別計(jì)算其均值和標(biāo)準(zhǔn)差，然后根據(jù)下式計(jì)算歸一化距離D=|Xb‾-Xu‾|SDb+SDu---(4)]]>其中 和 分別為跡地與非跡地區(qū)域的平均值，SDb和SDu分別為跡地與非跡地區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差。歸一化距離越大，表明跡地與非跡地的區(qū)別越明顯，指數(shù)設(shè)計(jì)越好。
從2003年5月20日至5月31日的MODIS數(shù)據(jù)中選取了質(zhì)量較好的5月22日、24日、26日、30日和31日共5幅圖像，分別計(jì)算了BAI、NDII、VI3T、GEMI、GEMI-B及NDVI指數(shù)，然后根據(jù)所選取火災(zāi)跡地與非跡地區(qū)域計(jì)算歸一化距離。所得到的區(qū)分度(歸一化距離)見表2。從歸一化距離來看，GEMI-B的每日?qǐng)D像的區(qū)分度都較高，具有最好的區(qū)分度，其次為VI3T、GEMI、NDII和NDVI，而BAI的區(qū)分度最低。高區(qū)分度說明GEMI-B指數(shù)與其他指數(shù)相比更適合在草原地區(qū)提取火災(zāi)跡地。
表2各種指數(shù)圖像的區(qū)分度(歸一化距離)Table2 Discriminability(normalized distance)of each index

通過以上說明可以看出，本發(fā)明的基于火點(diǎn)和GEMI-B指數(shù)的火災(zāi)跡地自動(dòng)識(shí)別方法，能夠精確地理定位遙感數(shù)據(jù)、消除大氣影響、準(zhǔn)確提取火情或火燒跡地，且在計(jì)算過程中，根據(jù)每幅圖像上火點(diǎn)周圍像元自動(dòng)獲取火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征，避免了人為設(shè)定閾值和使用固定閾值可能出現(xiàn)的誤判和漏判現(xiàn)象。由于使用了火點(diǎn)作為初始種子點(diǎn)擴(kuò)散的方法，即使只有很少的火點(diǎn)，也可以擴(kuò)展到整個(gè)跡地。同時(shí)，該方法能對(duì)多幅圖像進(jìn)行批處理，可以方便的觀察火災(zāi)跡地在時(shí)間序列上的變化特征。通過2003年5月中蒙邊境草原火災(zāi)跡地面積提取的實(shí)驗(yàn)研究，表明該方法與TM數(shù)據(jù)的提取結(jié)果基本一致，具有準(zhǔn)確和自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)。
各種用于火災(zāi)跡地提取的指數(shù)定義[1]NDVI＝(ρNIR-ρRED)/(ρNIR+ρRED)其中ρNIR和ρRED分別為近紅外和紅光波段的反射率。
BAI＝1/((PcRED-ρRED)2+(PcNIR-ρNIR)2)其中PcR和PcNIR分別是跡地像元在紅光和近紅外波段的平均反射率，可以通過圖像或光譜實(shí)測(cè)來獲得。
NDII＝(ρNIR-ρSWIR)/(ρNIR+ρSWIR)其中ρNIR和ρSWIR分別為近紅外和短波紅外波段的反射率。
VI3T＝(ρNIR-BT3/1000)/(ρNIR+BT3/1000)其中BT3是AVHRR第3波段(3.55～3.93μm)的亮度溫度。
GEMI＝η(1-0.25η)-(ρRED-0.125)/(1-ρRED)其中η=(2(ρNIR2-ρRED2)+1.5ρNIR+0.5ρRED)/(ρNIR+ρRED+0.5)]]>
權(quán)利要求
1.一種基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，包括從衛(wèi)星接收MODIS數(shù)據(jù)的步驟，其特征在于，還包括構(gòu)建火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的步驟；探測(cè)火點(diǎn)的步驟；以每個(gè)火點(diǎn)為中心計(jì)算一定范圍窗口中像元的火災(zāi)跡地指數(shù)的步驟；將火點(diǎn)添加進(jìn)種子點(diǎn)序列的步驟；比較步驟，該步驟用于比較各擴(kuò)散像元周圍一定窗口內(nèi)GEMI-B指數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差是否與火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征值相接近，如果不接近，從種子點(diǎn)序列中去除；如果接近，以跡地像元為中心向外擴(kuò)散，將擴(kuò)散像元添加到種子點(diǎn)序列中，將計(jì)算過的種子點(diǎn)像元從種子點(diǎn)序列中去除的步驟；判斷種子點(diǎn)數(shù)目是否為零的步驟，如果數(shù)目不為零，返回到比較步驟，如果判斷為種子點(diǎn)數(shù)目為零，則前進(jìn)到輸出跡地圖像的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，其特征在于，利用MODIS數(shù)據(jù)的第5波段和第7波段來構(gòu)建火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B，其表達(dá)式為GEMI-B＝η(1-0.25η)-(ρ5-0.125)/(1-ρ5) (1)其中η=(2(ρ72-ρ52)+1.5ρ7+0.5ρ5)/(ρ7+ρ5+0.5)---(2)]]>上式中，ρ7和ρ5分別為MODIS第5和第7波段的反射率。
3.一種基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，包括從衛(wèi)星接收MODIS數(shù)據(jù)的步驟，其特征在于，還包括計(jì)算火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的步驟；探測(cè)火點(diǎn)的步驟；以每個(gè)火點(diǎn)為中心計(jì)算3×3窗口中像元的火災(zāi)跡地指數(shù)的步驟；將火點(diǎn)添加進(jìn)種子點(diǎn)序列的步驟；計(jì)算均值Ms、標(biāo)準(zhǔn)差SDs的步驟，該步驟用于計(jì)算所有火點(diǎn)的3×3窗口火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的均值Ms、標(biāo)準(zhǔn)差SDs；以火點(diǎn)為中心的種子點(diǎn)擴(kuò)散步驟，該步驟將火點(diǎn)周圍像元逐步添加進(jìn)種子點(diǎn)序列；計(jì)算均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw的步驟，該步驟用于逐個(gè)計(jì)算每個(gè)種子點(diǎn)為中心的3×3窗口的火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B的均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw；根據(jù)公式SDw＜N1*SDs和公式Mw＜＝Ms±N2*SDs判斷其均值Mw和標(biāo)準(zhǔn)差SDw是否與火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征值接近的步驟，其中，N1、N2為接近系數(shù)；如果不接近，判斷為非跡地，從種子點(diǎn)序列中去除，如果接近，判斷為跡地像元，以跡地像元為中心向外擴(kuò)散，將擴(kuò)散像元添加到種子點(diǎn)序列中，將計(jì)算過的種子點(diǎn)像元從種子點(diǎn)序列中去除的步驟；判斷種子點(diǎn)數(shù)目是否為零的步驟，如果判斷為種子點(diǎn)數(shù)目不為零，返回到計(jì)算均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw的步驟，如果判斷為種子點(diǎn)數(shù)目為零，則前進(jìn)到輸出跡地圖像的步驟。
4.如權(quán)利要求3所述的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，其特征在于，利用MODIS數(shù)據(jù)的第5波段和第7波段來構(gòu)建火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI-B，其表達(dá)式為GEMI-B＝η(1-0.25η)-(ρ5-0.125)/(1-ρ5) (1)其中η=(2(ρ72-ρ52)+1.5ρ7+0.5ρ5)/(ρ7+ρ5+0.5)---(2)]]>上式中，ρ7和ρ5分別為MODIS第5和第7波段的反射率。
5.如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，其特征在于，用于判斷每個(gè)種子點(diǎn)為中心的3×3窗口的火災(zāi)跡地指數(shù)均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw是否與火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征值接近的系數(shù)N1、N2的范圍為1.0＜＝N1＜＝2.0 2.0＜＝N2＜＝3.0。
6.如權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，其特征在于，用于判斷每個(gè)種子點(diǎn)為中心的3×3窗口的火災(zāi)跡地指數(shù)均值Mw、標(biāo)準(zhǔn)差SDw是否與火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征值接近的系數(shù)N1、N2的范圍為1.3＜＝N1＜＝1.7 2.3＜＝N2＜＝2.7。
全文摘要
一種基于MODIS數(shù)據(jù)自動(dòng)探測(cè)草原火災(zāi)跡地的方法，包括從衛(wèi)星接收MODIS數(shù)據(jù)的步驟，其特征在于，還包括構(gòu)建火災(zāi)跡地指數(shù)GEMI－B的步驟；探測(cè)火點(diǎn)的步驟；以每個(gè)火點(diǎn)為中心計(jì)算一定范圍窗口中像元的火災(zāi)跡地指數(shù)的步驟；將火點(diǎn)添加進(jìn)種子點(diǎn)序列的步驟；比較步驟，該步驟用于比較各擴(kuò)散像元周圍一定窗口內(nèi)GEMI－B指數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差是否與火災(zāi)跡地的統(tǒng)計(jì)特征值相接近，如果不接近，從種子點(diǎn)序列中去除；如果接近，以跡地像元為中心向外擴(kuò)散，將擴(kuò)散像元添加到種子點(diǎn)序列中，將計(jì)算過的種子點(diǎn)像元從種子點(diǎn)序列中去除的步驟；判斷種子點(diǎn)數(shù)目是否為零的步驟，如果數(shù)目不為零，返回到比較步驟，如果判斷為種子點(diǎn)數(shù)目為零，則前進(jìn)到輸出跡地圖像的步驟。
文檔編號(hào)G01S17/89GK1763560SQ20051010929
公開日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月20日
發(fā)明者陳晉, 陳仲新, 譚明艷, 王利民, 曹鑫 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所