中国科大在卫星多通道微波遥感火灾研究中取得重要进展

近日，我校地球和空间科学学院、火灾科学国家重点实验室和魁北克大学双聘教授李锐课题组基于自主研发的国产风云卫星FY-3B多通道微波植被含水量指数EDVI，结合天气火险指数和静止卫星Himawari-8活跃火数据，定量研究了植被分层EDVI和气象条件对东南亚火灾频次和火辐射能量释放的影响，研究成果以“Satellite observed response of fire dynamics to vegetation water content and weather conditions in Southeast Asia”为题，发表在地学和遥感领域权威期刊ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing（IF=12.7）上。我校符玉云特任副研究员为第一作者，李锐教授为通讯作者，中国科大为论文的第一单位，该研究得到国家重点研发计划项目、基金委重点和青年项目等资助。

图1. 多通道微波遥感植被含水量指数EDVI概念图

植被火广泛分布在全球陆表，根据卫星传感器VIIRS的监测结果，全球每年约有2000万个火点，过火面积达~3.5亿公顷，与印度的国土面积相当，向大气排放约25%的NOx、10-50%的CO和20-42%的黑炭。东南亚作为全球火灾活动最频繁的地区之一，与巴西和刚果民主共和国贡献了全球近30%的火灾，对当地的社会经济发展、人体健康以及区域甚至全球的空气质量和气候造成重要影响。在全球持续变暖、林火频次和极端大火频发的背景下，有效开展东南亚地区的火险评估至关重要。

当前，大尺度火险评估主要依赖卫星光学观测和气象因子进行。由于植被本身的水分维持和抗旱机制，其干湿状态不完全随气象条件而变化，加之光学遥感较难获取冠层以下的植被信息，使得现有的火灾风险评估通常对植被属性的影响考虑不足。为此，本研究利用微波对植被含水量的敏感性及其在获取植被垂直结构方面的优势，探究了东南亚火灾频次和火辐射能量释放对微波植被分层含水量指数EDVI（图1）的响应，确定了“最优”动态响应模型，并将其与加拿大森林火险天气指标系统进行比较，构建了以植被分层EDVI和天气火险指数为解释因子的火灾多元非线性模型。

研究结果表明，不同植被层EDVI与火灾频次NOF和火辐射能量FRE的关系不同，综合两层植被EDVI能更好地解释NOF和FRE的变化，R²从40-60%提升到60-70%（图2及补充材料）。以R²和赤池信息量准则AIC为指标，综合评估火灾与EDVI的潜在关系模型，发现对数-线性或对数-二次项模型能更好地描述火灾对不同植被层EDVI的响应关系。

图2. 不同植被层EDVI在不同非线性模型中对NOF和FRE的R²

与广泛采用的森林天气火险指数（FFMC、DMC、DC、BUI、ISI、FWI、DSR）相比，EDVI对火灾的方差解释率整体更低，但提供了对火点数和火辐射能量新的解释能力，将天气火险指数与不同植被层EDVI相结合，均能提高NOF和FRE的方差解释率，R²从45–85%提升到72-90%（图3及补充材料），在同时考虑两层植被EDVI的情况下，效果更为显著。在不同的非线性模型中如ln(FRE)=a0+a1*FFMC+a2*EDVI_{10_18}+a3*EDVI_{18_36}，多元对数-线性和对数-二次项模型能更好地模拟EDVI和天气火险指数的协同影响效应，表明模型形式和结构是正确模拟火-气象-植被关系的重要因素。相关结果从统计角度初步表明了植被垂直分层特性对大尺度火灾频次和燃烧属性的影响，为火灾风险评估提供了理论基础。

图3.综合天气火险指数和不同植被层EDVI对NOF和FRE的R²

近年，符玉云博士和李锐教授针对卫星微波火险评估及排放定量估算方面进行了系列探索，成果发表在ISPRS P&RS (2篇，IF=12.7)、Environ. Int.（1篇，IF=13.35）及JGR-A等专业领域权威期刊上，为改进火灾风险预测和火灾排放遥感定量评估提供了新思路和方法基础，具有重要的科学意义和实际应用价值。

全文连接：https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2023.06.007