卫星微波遥感林火国际合作研究中取得重要进展

近日，中国科大地球和空间科学学院、火灾科学国家重点实验室双聘教授李锐课题组与加拿大皇家科学院Yves Bergeron院士和魁北克大学Osvaldo Valeria教授合作，结合卫星被动微波遥感和传统的气象火险指数来研究林火的发生和燃烧强度，结果显著提高了区域尺度林火频次和燃烧强度的估算精度，研究成果以“Assessing forest fire properties in Northeastern Asia and Southern China with satellite microwave Emissivity Difference Vegetation Index (EDVI)”为题，发表在国际著名期刊《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》上。第一作者为李锐教授，通信作者为我校地空学院符玉云博士（现同时为魁北克大学博士生），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课题、国家自然科学基金重点项目和面上项目、国家自然科学基金-贝尔蒙托论坛国际合作项目、国家留学基金委公派留学项目的资助。

森林火灾对陆地生态系统、地球气候和人体健康产生重要影响，能够造成严重的经济财产损失和人员伤亡。有效评估森林火灾的发生发展对林火管理和灾害防治至关重要，这在全球气候持续变暖、极端大火频发的背景下更为迫切。当前，区域尺度的火险评估通常基于卫星可见光/红外观测和气象数据进行，难以充分考虑植被含水量的影响，且卫星光学和红外遥感对云和植被冠层的穿透能力较弱，受到天气条件的显著影响，既无法进行全天候观测，也难以获取深层植被的含水量信息，在林火应用中受到很大的限制。相比之下，微波不依赖太阳光照，对云和植被的穿透能力更强，能够实现对地表的全天候观测，在获取植被垂直结构、含水量信息方面具有明显优势。为此，作者基于前期开发的卫星微波植被含水指数EDVI产品（Remote Sens. Environ., 2013, 133, 183-192; Remote Sensing, 2021, 13(19), 3980），首次系统地探究了EDVI与林火频次FC和燃烧强度FRP在东北亚和中国南方地区的时相变化关系，并结合气象火险指数构建了多元对数线性模型来估算区域尺度的FC和FRP。

图1 EDVI、FC和FRP的空间分布。

研究发现林火FC和FRP与微波指数EDVI具有很强的负相关性（图1）。FC和FRP日际变化与EDVI的相关系数通常在-0.1到-0.6之间，月际变化的相关系数在-0.55和-0.8之间，在季节循环和年际变化上，FC和FRP与EDVI也呈明显相反的变化特征。这表明EDVI的高值对应植被含水量高，则火灾不容易发生、即使发生火灾，其燃烧强度也比较低。研究发现，气象条件（有火险气象指数表征）也与FC和FRP存在强相关，表明森林火灾同时收到植被含水量和气象条件的双重控制。

与气象火险指数相比，EDVI与中国南方地区林火FC和FRP的相关系数更强，而气象火险指数与东北亚地区林火FC和FRP的相关系数更强于EDVI，植被含水量和气象条件在驱动林火发生和燃烧强度中的相对重要性可能是造成上述区域差异的主要原因。进一步地分析发现，EDVI和气象火险指数对林火频次和燃烧强度具有很强的协同影响（图2）。据此，该研究发现综合利用EDVI和火险气象指数，可以更好的定量描述森林火灾的区域尺度FC和FRP（图3），在南方林区，这种改进可达~60%。

该研究为森林火灾监测预测提供了一种新的思路和方法，为森林管理、火险预警和防控、及潜在的环境影响评估提供有力支持。

图2 华南地区植被含水状况（由EDVI表征）和气象条件（由气象火险因子FFMC、ISI、和FWI表征）对日观测FC和FRP的协同影响。

图3 东北亚和华南地区卫星实际观测FC和FRP (FC_obs/FRP_obs)与本研究模型估计值（FC_cal/FRP_cal）的对比。

期刊《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》影响因子为8.98，在自然地理学领域长期排名全球同类期刊第一，在地球科学综合、遥感、成像科学与照相技术领域也一直是全球同类期刊中最顶尖的学术期刊之一。近年来，李锐教授课题组在卫星遥感植被含水量及其应用领域获得系列成果，多项成果发表在National Science Review、Remote Sensing of Environment、ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing等学术杂志上。有力地促进了对气候系统碳、水循环及火灾扰动等问题的认知和理解。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924271621002872