本文内容摘自《中国测绘》2020年第5期
2020年3月底，四川省凉山州木里县和西昌市近郊时隔一年再次发生森林火灾，3月30日晚，电子科技大学资源与环境学院定量遥感团队负责人何彬彬教授带领团队赶往四川省应急管理厅，为判断火势火情和区域未来森林火险等提供科学建议。
这支科研团队十年来一直专注于森林防火领域，构建了一套基于卫星遥感大数据和可燃物关键信息遥感反演技术的森林野火风险评估与预警理论方法体系，填补了目前全球森林野火风险预警中对森林可燃物关键信息考虑不足的缺陷。
这套森林野火预警系统应用效果如何?在凉山州火灾防控中提供了哪些服务？遥感反演技术又是如何发挥基础性作用的？带着这些问题，《中国测绘》记者采访了电子科技大学资源与环境学院副院长、定量遥感团队负责人何彬彬教授。
电子科技大学资源与环境学院 定量遥感团队负责人何彬彬教授
火眼金睛 定量遥感反演技术精准提取可燃物
据统计数据显示，四川省现有森林面积2.8亿亩，森林覆盖率为38%，森林面积居全国第四。按照《全国森林防火规划（2016-2025年）》，四川全省有35个县市区和81个县市区分别被国家列为森林火灾高危区、高风险区，并实施重点治理，其中森林火灾高危区县市区占全国的23.18%。
四川森林资源集中分布的川西高原和攀西地区，为干热河谷广泛分布区，防火形势更加严峻。以凉山州为例，该州共有17个县市，其中12个县市被纳入国家重点生态功能区，且为国家一级火险县。
何彬彬团队自主研发的野火风险评估与预警监测系统实现了森林、草原野火早期风险预警，在火灾发生前1周，该系统上就已经显示该区域火险呈上升趋势，火灾发生前3天系统上显示该地部分地区已经处于高风险—极高风险区域。同时，这套系统还进一步实现了野火燃烧时近实时火点监测、野火燃烧后损失精准评估。
2020年3月底—4月初西昌市近郊火灾燃烧烈度三维展示
记者：四川凉山州在去年和今年都发生了大型火灾，其中有哪些致灾因素？
何彬彬：这与它所处的自然环境有极为密切的关系。我们研究了从2001年到现在大概20年的火灾情况，发现凉山州、攀枝花市、甘孜州靠南一带每年冬春季火灾频发，这些区域未来也极有可能再次爆发火灾，除非气候发生非常大的变化。火灾发生通常与可燃物、气象和地形这三个自然要素相关：
可燃物：凉山州是四川省的三大林区之一，森林覆盖率高，枯枝落叶常年堆积。由于海拔落差非常大，从山谷到山顶分布着茂密的阔叶林、针叶林、灌木、草本等多类型植被，这些落叶常年堆积在地表，形成大量可燃物。且这一带还生长着油脂高、燃点低的云南松，当可燃物长时间堆积，发生腐烂又会产生大量可燃气体，一旦有火源，地表火便会快速蔓延到树冠上，大型火灾就特别容易爆发。
气象：每年11月到次年4月冬春季，凉山州一带是典型的干季，日照时间长，与江南、华南等地的亚热带季风气候不同，地处西南地区的云南、四川西南部属于亚热带高原季风气候，干湿季节非常分明。同时，该地区局地气候多变，具有立体气候特征。
地形：凉山州位于横断山脉南部、四川盆地和云贵高原交界处，地形起伏强烈，坡度陡，降水易流失，可燃物易干燥，并且很多区域刚好在干热河谷地带，气温要比整个山脉地区的温度都高。
最后谈谈火源，我们目前能做的预防工作是根据风险数据提高当地百姓的防火意识，但是我认为自然环境，尤其是可燃物这一因素更直接影响凉山州的火势。
记者：您刚刚多次提及“可燃物”，定量遥感团队是怎样利用遥感技术来监测可燃物从而进行火灾预警的？
何彬彬：可燃物包含了死可燃物——地表的枯枝落叶和活可燃物——树叶、树枝和树干，树叶可燃物含水率与可燃物载荷（可燃物干重）可以通过遥感技术直接获取。过去，监测死可燃物是人工到实地样点调查，再根据经验统计后做推演。但是森林覆盖面积广，人工作业难以大范围覆盖，尤其西南地区的地表异质性强，难以通过经验拟合方法合理估算。现在我们通过遥感参数，结合气象、地形及地面调查数据，可以动态模拟地表死可燃物能量和水分的平衡过程，即通过遥感反演的参数结合陆面过程模型，可较高精度地动态估算地表死可燃物含水率。总的来说，就是根据长时间序列近实时的可燃物信息和气象信息以及实际的地形信息，结合时空大数据分析与挖掘模型，对未来3天到6天大范围森林野火风险进行较高精度的分析预警。
记者：凉山州火灾发生后，您和团队很快就赶往了四川省应急管理厅，你们主要提供哪些技术服务？
何彬彬：我们给四川省应急管理厅展示了自主研发的森林和草原火灾风险预警监测系统，该系统可以监测火灾周边风险区域。实际上系统在本次凉山火灾前6天—8天便发现火险呈上升趋势，部分地方监测出高风险-极高风险区了。在火灾结束后，团队第一时间利用遥感技术计算了凉山州西昌、木里和云南迪庆的森林过火面积和详细的火灾燃烧烈度，于4月4日—5日就将详细灾情评估数据及报告提交至国家林草局防火司、应急管理部减灾中心、四川省林业和草原局防火处和云南省林业和草原局林业双中心。
记者：刚才您谈到利用遥感技术提取“燃烧烈度”，遥感是如何在其中发挥作用的?
何彬彬：燃烧烈度涉及到我们团队预警监测系统的灾后评估功能，这一方面，我个人认为电子科技大学定量遥感团队做到了新高度：我们并非简单地计算过火面积，而是把树木燃烧的程度和损毁的严重情况都提取出来。其原理是，不同燃烧烈度下植被在遥感成像里的光谱特征有区别，其中的关键在于如何定量区分燃烧后灰烬光谱与残留的植被光谱特征，这一点上我们通过遥感物理模型进行了很好的模拟并以此反演得到精细化森林火灾燃烧烈度。
记者：这些指数对于指导灾后恢复工作有哪些意义？
何彬彬：精细化的燃烧烈度评估对于后续的生态恢复规划可以说非常重要：燃烧烈度低的区域，可以不用管它，第二年就会“春风吹又生”；高烈度区域生态自然恢复需要较长时间，此时通过重新植树造林可以帮助该区域生态快速恢复。由于只需要对高烈度区域进行植树造林，而非覆盖所有燃烧区域，因此一方面有利于生态的快速恢复，另一方面降低了人力、物力和财力的投入。
初露锋芒 林火预警系统立足西南辐射全国
电子科技大学定量遥感团队由已故的“布鞋院士”李小文教授所创。早在2005年，李小文院士就建议团队要加强对我国西南地区复杂环境的研究，并加强理论成果应用，解决国计民生难题。此后，在何彬彬教授的带领下，该团队围绕我国西部森林草原生态环境和野火遥感预警展开了深入的科学研究与技术攻关，取得了从野外科学调查到关键科学理论方法与技术的重大突破。十年磨剑，初露锋芒。今年1月14日，首届全国生态大数据创新应用大赛决赛在国家林业和草原局举行，这套森林和草原野火风险预警监测大数据系统荣获比赛“大赛奖”，是唯一野火预警监测类成果奖。1月18日，科技部国家遥感中心向电子科技大学发来感谢函，感谢该团队在森林野火风险评估与预警方面的科研成果为《全球生态环境遥感监测2019年度报告》的顺利完成提供了有力的科技支撑。3月27日，何彬彬团队参加了云南省的森林防火视频会议，为云南省森林防火决策部署提供科学支持。当前，团队的部分科研成果已经免费向全球用户共享，并正在与中国林业大数据中心执行单位“云南林业双中心”开展深入合作。
记者：当初您和团队为什么会选择森林野火遥感预警这一方向进行研究？
何彬彬：2005年，当时我们团队还只有几个人，李小文院士就告诉我们要结合西南的复杂环境，要借助电子科技大学的信息学科优势，“要用核心理论来支撑行业的技术应用”。定量遥感有两个关键——前向模型和后向反演，近年来遥感后向反演敏感参数研究热度也比较高，而我们瞄准了森林可燃物这类重要但弱敏感的参数。我们前六七年主要专注可燃物含水率参数反演，最近三四年结合电子科技大学的电子信息优势，把可燃物信息、气象信息、地形信息等多源异构的时空大数据结合野火环境三角模型，构建森林野火风险预警大数据挖掘模型。其实，我们最初是从草原野火风险预警开始做起，因为草原地表相对单一，更容易检验成果。
记者：您的团队近十年钻研林火预警，期间遇到了哪些困难？
何彬彬：与其说团队遇到困难，不如说是团队里的年轻老师遇到的困难。首先研究领域属于跨学科，专业知识面广，成熟的参考资料少，难度大；其次自2010年以来，我们团队在林火预警这个方向拿到的科研项目十分有限，三个国家自然科学基金和科技部国家遥感中心、四川省科技厅项目的立项，给予了我们很大的信心，同时也是我们经费的主要来源——当然我们团队一致的观点是，即使经费有限也要做出重要的成果。团队中的年轻老师，比如全兴文老师2010年就和我一起研究可燃物遥感反演，从硕士、博士再到留校、国外联合培养，在这么长的周期内，他面临毕业忙、项目难度大、经济不宽裕三重压力，一直坚守不放弃，这是一件很不容易的事。此外我们还遇到了学科交叉的困难，林火预警研究涉及遥感建模与反演、大数据、物联网、互联网、林学、气象学等领域和专业，我们团队成员有的本科专业是自动化、计算机或者传统物理、遥感、地质，跨学科研究对他们来说本身也是一个挑战。
记者：当前这套森林和草原野火风险预警监测系统的预警效果如何？
何彬彬：利用遥感来研究火灾预警有一个好处就是，很多历史时空数据可以代入模型来做全球范围内的历史火灾验证，从目前可查阅的科技文献资料来看，我们团队的森林和草原冠层可燃物含水率产品是唯一覆盖全球的且精度最高。早在去年的凉山州木里火灾，我们就监测出火灾发生前30天，可燃物含水率急剧降低；2018年7月28日的美国加州雷丁市火灾，火灾发生前30天，系统就显示该区域森林火险呈急剧上升趋势；今年的西昌、木里、云南迪庆火灾发生前，我们的预警系统提前就发现该区域的高风险。
记者：目前您的团队科技转化成果成效如何？在哪些地方投入了使用？
何彬彬：我们在2019年就与云南省林业和草原局进行了交流合作，他们对这个系统非常感兴趣。实际上云南比四川更容易发生火灾，对林火预警的需求更强。我们也十分乐意为行业部门提供信息化服务，科研成果不能锁在实验室里，在西南地区这种复杂的环境下最能检验出系统有哪些不足，后续才能够持续完善。
2018年，我们团队就开始做全球林火风险预警产品，针对非洲中部、中国西南部、美国西海岸、澳大利亚北部和欧洲南部区域等五大林火易发区，在分析2001年-2018年的五大林火易发区野火诱发因子与火灾爆发关系基础上，运用大数据分析方法对2019年-2020年的林火进行了趋势预判。
从友好性和易用性这两方面看，目前我们团队研发的预警监测系统和其它成熟的商业化平台相比还有所差距，但我们拥有完全自主的核心技术和知识产权，某些技术甚至是全球领先。去年，我们团队项目在“全国互联网+创新创业”大赛中获得了银奖，不少企业主动联系我们想建立合作关系。但说实话，我们不急于商业化，更希望通过应用研究进一步提高平台的预警效果和驱动核心技术的进一步研发，同时为国计民生作贡献，当然如果遇到好的合作伙伴，发挥双方优势也未尝不可。
记者：团队下一步有哪些研究方向和计划？
何彬彬：我们当前是以西南地区为起始点再向外辐射到湖南、广西等地区，最近东北林区也有意向合作，但是团队还需要到实地做系列考察，了解地表真实覆盖情况。此外，我们计划进一步提升精度，丰富可燃物信息类型，面对不同区域的地表环境做精细化优化。
我相信不管是核心技术还是平台的友好性和易用性，我们的系统在未来一到两年内会有质的飞跃，因为现在投入研发的人员和精力越来越多。
团队人员在西南林区野外工作照
防患未然 林火精准防控势在必行
“拔势横来野火烧”，2020年春天森林火灾不断，据应急管理部数据显示，第一季度全国发生森林火灾392起，森林受灾面积较大，多人因森林火灾死亡。森林火灾，重在防患于未然。
记者：去年巴西雨林、澳大利亚也发生了森林火灾，森林火灾可以说是世界各国都需要面对的问题，林火防控有哪些共同的困难？
何彬彬：这些年来，不仅仅是中国，全球的森林火灾预警大多是以气象监测数据为主要依据，如中国的森林气象预报系统、加拿大的森林火险气候指数系统、澳大利亚的森林火险等级系统等，这些系统对于温度、相对湿度、风速以及地形等因素考虑还是比较充分的，但是对于可燃物时空变化信息考虑不足。
比如像我国西南林区，地形复杂、树种多样、局地气候多变，如何应用卫星遥感数据较高精度地提取可燃物时空信息依然是亟待解决的关键科学问题；另一方面现有的森林野火风险预警缺乏考虑诱发因子的多维度特征，特别是各因子时间维度的变化特征与野火爆发之间的关系。所以林火虽然每年爆发，每年都收获新的防控经验，但林火防控的理论与技术还需进一步研究和提升。
记者：如何理解林火诱发因子的“时间维度”？
何彬彬：如可燃物含水率持续一段时间到达某个临界点后更容易发生火灾，原来的林火研究更关注空间维度，比如这个地方的可燃物含水率降低，火灾风险会提升，但诱发因子与火灾爆发的关系并非一蹴而就，往往是多种诱发因子在时间维度上累积到一定程度时发生，因此更要关注可燃物的时间维度动态变化，比如7天、半个月，观察其与野火爆发之间的关系。
记者：关于林火防控，您有哪些体会？
何彬彬：在野火预警防控上还需做到以防控为主、扑火为辅，即科学预警防控。科学预警防控需要加强短期高精度火险预警和中长期野火多发区的脆弱性评估。一旦发现短期高风险地区，相关部门需要明确具体的位置和时间，在重点区域配备足够的人员和物资，如灭火工具或通讯设备，有针对性地巡查，在风险区域入口严加防控，或者使用航空飞机洒水，减少火灾发生的可能性。对中长期野火容易发生的区域，比如山高坡陡的西南地区，可以提前规划好隔离带。这样每次火灾发生，就能有针对性地采取措施，也知道一旦火势蔓延，能够烧到哪个程度，是否在我们的接受范围内。
此外，防控的微气象监测和通讯设备是非常重要的，林火燃烧后，地形会影响局部的风力和风向，尤其在山区，而通讯设备在这些区域往往又不畅通，所以局部地区高精度气象监测和通讯信号基站问题也亟需解决。那么建立在哪个位置呢？这就又回到灾前的林火风险预警问题上，如果我们在灾前就长时间大范围综合分析出风险区域，就会明白监测站、信号基站应该建立的具体位置。
最后就是前面提到的灾后评估了，对燃烧烈度进行精细评估对后续规划生态恢复极具指导意义。
遥感技术在灾前、灾时和灾后三方面的应用发挥了深层次、不可替代的作用。“遥感专业的科技工作者要在看‘图’说话的基础上加强遥感的基础理论研究，与多学科交叉融合，借助现代信息技术解决应用层问题。”
“下一步，定量遥感团队将继续着眼于国家在生态环境与森林火灾预警监测中的重大需求，立足我国西南，面向全球，开展复杂环境定量遥感反演及行业应用研究。”何彬彬教授说。
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