基於類間方差的modis森林火災火點檢測方法
2023-06-12 21:06:01
專利名稱：基於類間方差的modis森林火災火點檢測方法
技術領域：
本發明涉及火災科學領域，特別涉及一種火災探測技術。
背景技術：
森林火災是一種世界性的自然災害，越來越受到各國政府的高度重視。 衛星遙感技術為林火的實時監測、定位及災後評估提供了有效手段。現在 廣泛使用的地球觀測衛星上攜帶的中等解析度圖像分光輻射計(the Moderate Resolution Imaging Spectradiometer， MODIS )具有36個光語通道， 覆蓋了從可見光到遠紅外波段範圍，對地表高溫靈敏度更高，成為繼 AVHRR數據之後用於林火監測的主要數據。基於MODIS數據探測火點的 基本原理是利用4盧和ll戸波段(即，MODIS數據中的第21通道和31 通道)的亮溫，根據背景輻射和森林燃燒時的輻射差異，即亮溫的差異， 通過建立適當的模型判識森林火災。
已經提出一種的MODIS森林火災探測方法是，提出MODIS火點監測 算法模型，根據火點像元比背景像元表現出更高的亮溫，利用亮溫閾值判 斷識別森林火災火點。這種方法採用固定亮溫閾值法用於全球火情探測， 對不同地區和不同季節的適應性較差。在此基礎上，提出一種基於煙霧探 測的森林火災小火點檢測方法，在煙霧掩膜基礎上進行亮溫動態閾值的判 斷，但是這種方法主要針對低溫小火點而設計，不具備廣泛適用性；另一 種方法是按照直方圖統計方法選擇進行非火點排除的4戸波段亮溫閾值， 利用背景像素相對增溫法判斷疑似火點，提高了火點的識別能力，但是由 於確認火點時仍然採用亮溫闊值法，沒有充分考慮林火周圍的背景信息， 所以仍然存在一些亮溫小火點的漏判和稍高溫地表的誤判。
現有的MODIS森林火災探測方法的缺陷是，採用基於亮溫固定閾值和 動態窗口的研究方法，尚不能準確反應森林火點在MODIS影像上的特徵，仍然存在漏報、誤報的問題，在不同區域不同季節下的穩定性、適應性也 比較差。因此，需要一種方法解決上述問題。
發明內容
本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是解決漏報、誤 報和在不同地區不同季節適應性差的問題。
為了達到上述目的，本發明提出一種基於類間方差的MODIS森林火災火 點檢測方法，包括以下步驟對從MODIS衛星接收站獲取的原始數據進行 預處理，獲得各通道的亮溫值或反射率，排除不合法的數據；識別雲和水 像元；識別煙霧掩膜；在排除所述雲、水和不合法數據的像元中提取潛在 火點；計算每個所述潛在火點與背景窗口內有效背景像元的類間方差值； 根據所述類間方差的閾值和所述煙霧掩膜確認火點；輸出包含火點的 MODIS影像。
本發明通過採用較低的閾值，使得潛在火點中除了包含真實火點還包含一 些下墊面溫度較高的假火點，避免漏判，再採用類間方差的閾值判斷，將 假火點剔除，從而避免誤判；並且，由於充分考慮了火點周圍的下墊面信 息，因此可以適應不同的地區和季節。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面 的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描 述中將變得明顯和容易理解，其中
圖1為本發明實施例的基於類間方差的MODIS森林火災火點檢測方法 的流程圖2為本發明實施例的檢測結果示意圖。
具體實施例方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發 明，而不能解釋為對本發明的限制。
如圖1所示，為本發明實施例的基於類間方差的MODIS森林火災火點 檢測方法的流程圖，包括以下步驟
步驟S101,對MODIS衛星接收站獲取的原始數據進行預處理，獲得 各通道的亮溫值或反射率，排除不合法的數據。
在本發明實施例中，將衛星接收站接收到的原始MODIS數據通過遙感 軟體進行輻射矯正、幾何矯正等預處理獲得可用的MODIS傳感器的36個 通道的數據，排除得到的不合法數據。採用7; ( / = 1.2....36，且"21和31 )標記 相應i通道的亮溫值，i , ( / = 1.2....36,且"21和31 )標記相應i通道的反射率， 7;為21通道的亮溫值，7^為31通道的亮溫值。
步驟S102，識別雲和水^象元。
根據獲得的1、 2、 7和32通道數據i ,、 i 2、 / 7和7^判斷是否為雲或 水像元。具體地，本發明採用如下的判識公式。應理解，這僅是示意性的 實施例，並不限制本發明的範圍。
在本發明實施例中，將滿足關係式& +i 2 >0.9或者T32 <265或者
Kl+A2 u.'的像元判識為厚雲，在厚雲覆蓋區，認定不會存在火點信號， lr32 < 285
在判識潛在火點前，排除雲像元；將同時滿足關係式； 2<0.15、 7 70的像元判識為水體，在判識潛在火點前，排除水像元。
步驟S103，識別煙霧掩膜。
根據獲得的3、 7、 8、 9通道數據判斷是否為煙霧像元。具體地，本發 明採用如下的判識7>式。應理解，這l義是示意性的實施例，並不限制本發 明的範圍。
在本發明實施例中，將同時滿足關係式0.15S^^S0.5、 ti》0.3、
7 8 + 7 9 & + &
《0.09和/ 8 2 0.09的像元判識為煙霧像元。
步驟S104，在排除雲、水和不合法數據的像 中提取潛在火點。排除了雲、水和不合法數據後，在研究區域剩下的像元中，採用高溫 閾值提取潛在火點，以便進一步的確認。具體地，本發明提出的可能的判 識條件如下，當然本領域技術人員還能夠根據下述公式提出其他修改或變 化，這些修改或變化均應包含在本發明的包含範圍之內。
設定7;,=7;-t;,,將同時滿足z; >r4min、 r41 〉r^和^ </ 16max的像元判斷 為潛在火點，其中，r4mm、 7;^和/ 16_為閾值。經研究發現， 一些悶燒小
火點的亮溫值為305K至310K,因此，在本發明實施例中，為了避免漏判，
採用較低的閾值提取潛在火點，設置r4mm=305K、 z;^"o/c和i ，6臓-o.3。
步驟S105,計算每個潛在火點與 一定區域範圍內有效背景像元的類間
方差值。
類間方差是在分割圖像中的背景和目標過程中使用的參數利用類間 方差作為依據，選取使類間方差最大的灰度值作為最佳閾值將目標從背景
中提取出來。具體的算法如下
設原始灰度圖像的灰度級為L，灰度級為i的像素點數為"i,圖像的全
部像素數為N，歸一化直方圖，則灰度級為i的像素點的概率為a=^，
用閾值t將灰度級劃分為兩類C。 -(O,l,...力和C, =("1,"2,....,￡-1)，貝寸C。 和C,類的出現概率和均值分別為 wo=H。A="(0 ， ^-I^二n-碑)，
formula see original document page 7
則C。和C,類的方差為 formula see original document page 7
則類間方差為o" ="。(〃。-〃) =w。a" - a)2
背景和目標之間的類間方差越大，說明構成圖像的兩部分的差別越大，
因此，類間方差的大小代表目標和背景區分性的大小。在本發明實施例中， 火點與背景的特徵值相差越大，類間方差就越大，當火點和周圍背景的類
間方差值達到一定值時，兩者具有很好的區分性，利用類間方差的閾值判 斷，可以準確地把火點從背景中提取出來。對於如何計算火點和周圍背景 的類間方差，本發明提出的可能的計算方案如下，當然本領域技術人員還 能夠根據下述方案提出其他修改或變化，這些修改或變化均應包含在本發 明的包含範圍之內。
在本發明實施例中，遍歷潛在火點，以每個潛在火點為中心，計算背
景窗大小為21 x21的窗口中潛在火點與有效背景像元的類間方差。所述有 效背景像元是指以潛在火點為中心，並且滿足以下四個條件的像元所獲 取的遙感數據為非損壞數據；該像元為陸地像元；該像元為非雲、非水像 元；該像元為非潛在火點。潛在火點的特徵值採用7;和7^。
具體地，設21 x21窗口中的有效背景像元數為n,則有效背景像元的 概率為 6 。 = W / W + 1 ， 每個潛在火點佔總像元數的概率為^ =i/" + i,有效背景
像元的特徵值的平均值為/a^Z'。^,潛在火點的特徵值取7;和7;,,則兩特
'=。《0
4正<直的類間方法i己為O"、和O"、。
步驟S106,根據類間方差的閾值和煙霧掩膜確認火點。
對於如何根據每個潛在火點的類間方差值的閾值和煙霧掩膜確認火
點，本發明提出的可能的方案如下，當然本領域技術人員還能夠根據下述
方案提出其他修改或變化，這些修改或變化均應包含在本發明的包含範圍之內。
首先，根據真實火點的7;和7;,類間方差aV和c7、1,和非火點高溫誤判 像元的7;和7^類間方差c7、2和(T、,2，設定兩個閾值M和N分別滿足 ct、2 〈m〈o"、1和o"、,2 〈a^〈o"、,1 。 當潛在火點的類間方差ct、 >似和 則判斷潛在火點為高溫真實火點。
但是由於大面積的低溫，悶燒處在紅外區域的溫度值可能沒有明顯的變化，表現在21通道上的亮溫值很低，甚至只有305K,因此，如果僅通 過亮溫判識將失去有效性。針對這個問題，根據在悶燒過程中會由於空氣 供氧不足而產生比較多的煙，而一般的異常高溫周圍不存在煙霧，因此， 釆用煙霧掩膜法檢測悶燒火點。當潛在火點周圍至少存在一個煙霧像元或 者本身為煙霧像元時，可確定潛在火點為低溫悶燒森林火災火點，否則為 誤判點。
步驟S107，輸出包含火點的MODIS影像。
如圖2所示，為採用本發明實施例的^r測方法對2004年10月12日發生 在中俄邊境的黑龍江大興安嶺山區的森林火災進行火點檢測的結果示意 圖。在圖中，灰白色為煙霧，檢測到的火點採用增強效果表現為白色，背 景顯示由1KM解析度通道數據7、 2、 l三通道真彩色合成。從圖中可以看 出，採用本發明實施例的方法， 一些悶燒的低溫小火點可使用煙霧判斷被 識別出來，同時由於溫度稍高而被加入潛在火點群的誤判點，可通過類間 方差閾值判斷被剔除。
本發明通過採用較低的閾值，使得潛在火點中除了包含真實火點還包含一 些下墊面溫度較高的假火點，避免漏判，再採用類間方差的閾值判斷，將 假火點剔除，從而避免誤判；並且，由於充分考慮了火點周圍的下墊面信 息，因此可以適應不同的地區和季節。
儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員 而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例 進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附權利要求及其等 同限定。
權利要求
1、一種基於類間方差的MODIS森林火災火點檢測方法，其特徵在於，包括以下步驟對從MODIS衛星接收站獲取的原始數據進行預處理，獲得各通道的亮溫值或反射率，排除不合法的數據；識別雲和水像元；識別煙霧掩膜；在排除所述雲、水和不合法數據的像元中提取潛在火點；計算每個所述潛在火點與背景窗口內有效背景像元的類間方差值；根據所述類間方差的閾值和所述煙霧掩膜確認火點；輸出包含火點的MODIS影像。
2、 如權利要求1所述的基於類間方差的MODIS森林火災火點檢測方 法，其特徵在於，所述識別雲和水像元，包括如果所述像元滿足+ & > 0.9或者r32 < 265或者+ & > G'7 ，則所述像元為雲像元，其中，T ,為l通道的反射率，^為2通道的反射率，7^2為32 通道的亮溫值；如果所述像元同時滿足7 2<0.15、 / 70，則所述像元為水像元，其中，^為1通道的反射率，^為2通道的反射率，i ,為7通道的 反射率。
3、 如權利要求1所述的基於類間方差的MODIS森林火災火點檢測方 法，其特徵在於，所述煙霧掩膜的判識條件包括0.15s^^s0.5 、+ "9^^20.3、 ^^《0.09和/ 82 0.09，其中，^為3通道的反射率，A為7及9 +及7 i 8 +通道的反射率，A為8通道的反射率，及9為9通道的反射率。
4、 如權利要求1所述的基於類間方差的MODIS森林火災火點檢測方法，其特徵在於，所述潛在火點的判識條件包括z;〉7;^、 7;,〉t;^和 ^<A6max，其中，乙,K-^， r,為21通道的亮溫值，Tu為31通道的亮溫值，r4min、 7;^和i^狀為閾值且7;油-305K、 7;,咖40K和i ,屮-0.3。
5、 如權利要求1所述的基於類間房差的MODIS森林火突火點檢測方 法，其特徵在於，所述背景窗口的大小為21 x21。
6、 如權利要求1所述的基於類間方差的MODIS森林火災火點;險測方 法，其特徵在於，所述有效背景像元為以所述潛在火點為中心，滿足以下 條件的像元所獲取的遙感數據非所述不合法數據； 所述像元為陸地像元； 所述像元為非雲、非水像元； 所述像元非所述潛在火點。
7、 如權利要求1所述的基於類間方差的MODIS森林火災火點檢測方 法，其特徵在於，所述每個潛在火點與有效背景像元的類間方差為 ^-ftV^C^-zO2,其中，叫為所述有效背景像元的概率，^為所述每個潛 在火點佔總像元數的概率，//。為所述有效背景像元的特徵值的平均值，^為 所述每個潛在火點的特徵值。
8、 如權利要求1所述的基於類間方差的MODIS森林火災火點檢測方 法，其特徵在於，所述每個潛在火點的特徵值為z;和7;,,其中，r4l=r4-ru,7;為21通道的亮溫值，&為31通道的亮溫值。
9、 如權利要求1所述的基於類間方差的MODIS森林火災火點檢測方法，其特徵在於，所述根據所述類間方差的閾值和所述煙霧掩膜確認火點，包括以下步驟設定兩個類間方差閾值M和N,所述M和N分別滿足crV42 < M iv，則判斷 所述潛在火點為真實高溫火點；如果所述潛在火點的周圍至少存在一個所述煙霧像元或者自身為煙霧 像元，則判斷所述潛在火點為低溫悶燒森林火災火點，否則為誤判點。
全文摘要
本發明提出一種基於類間方差的MODIS森林火災火點檢測方法，包括以下步驟對從MODIS衛星接收站獲取的原始數據進行預處理，獲得各通道的亮溫值或反射率，排除不合法的數據；識別雲和水像元；識別煙霧掩膜；在排除所述雲、水和不合法數據的像元中提取潛在火點；計算每個所述潛在火點與背景窗口內有效背景像元的類間方差值；根據所述類間方差的閾值和所述煙霧掩膜確認火點；輸出包含火點的MODIS影像。本發明通過採用較低的閾值，使得潛在火點中除了包含真實火點還包含一些下墊面溫度較高的假火點，避免漏判，再採用類間方差的閾值判斷，將假火點剔除，從而避免誤判；並且，由於充分考慮了火點周圍的下墊面信息，因此可以適應不同的地區和季節。
文檔編號G01J5/60GK101592524SQ20091015201
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月7日 優先權日2009年7月7日
發明者張永明, 俊 方, 彥 王, 王進軍, 霞 肖 申請人:中國科學技術大學