5 验证工作

5.1 验证方法
陆地产品小组利用几个验证技术以达到对其产品不确定信息的验证。这包括利用 MODIS 数据与在验证站点收集的数据进行对比，以及与其它遥感和航空数据对比（例如 AVHRR ， TM/ETM+ ，中巴卫星数据），验证信息还包括其他独立获得的相关数据和对模型结果的分析（包括 EOS 各学科间的科学模型）。

5.2.1 第 1 阶段的验证：选择少量的一定时间与地点的地面点数据来评估产品的准确性。

5.2.2 第 2 阶段的验证：通过选取一系列的一定时间的地面点数据来评估产品的准确性。

5.2.3 第 3 阶段的验证：利用系统的、统计的手段评价产品的准确性，并确定产品的不确定性。

5.3 验证活动

5.3.1 利用 AVHRR 数据对火点的验证。
5.3.2 利用 ETM 数据对火点的验证。
5.3.3 利用中巴卫星数据对火点的验证。
5.3.4 MODIS 火点探测算法在我国东北地区的应用例证：

东北地区是我国森林火灾最严重的地区，利用卫星遥感技术监测火点具有以下优点：

（ 1 ）监测范围广，时间频率高。林火监测使用的气象卫星，平均扫描宽度 2700 km ，两颗卫星同时运行每天对同一个地点一昼夜扫描至少 4 次，弥补了飞机巡护每天一般只一次，了望台夜间监测不方便的缺点。
（ 2 ）能得到连续的资料，准确标明火场位置，确定火场面积、火势强度和发展方向，反映林火蔓延的动态变化，火场面积在 1 公顷或更小的火点都可及时发现和准确定位。
（ 3 ）收集数据快，节约时间，节约成本。卫星收集数据后经处理制成图，再传到终端，整个时间不超过 30 分钟，既及时又方便，另外费用远远低于飞机巡护和了望台监测费用。
（ 4 ）收集资料不受地形条件的影响，能够准确发现偏远地区、人烟稀少、不易被人们发现的林火。

我国从 80 年代初期开始引入并积极地开展了卫星监测林火的试验研究。 1999 年 12 月，美国 Terra/MODIS 发射成功。 MODIS 具有与 NOAA 相同的时间分辨率，同时又提高了空间分辨率，最重要的是， MODIS 的仪器专门对高温敏感的波段做了优化，使其监测火灾能力大大提高，可以说 MODIS 是目前最适合火灾监测的传感器，与 AVHRR 、 TM 等常用数据相比，其波段优点见表 10-1 。

表 10-1 AVHRR 、 MODIS 和 TM 数据的波段分布以及空间分辨率

波段	NOAA/AVHRR	TERRA/MODIS	Landsat/TM
蓝		0.459-0.479um ， 500m	0.45-0.52um ， 30m
绿		0.545-0.565um ， 500m	0.52-0.60um ， 30m
红	0.58-0.68um ， 1000m	0.620-0.670um ， 250m	0.63-0.69um ， 30m
近红外	0.72-1.0um ， 1000m	0.841-0.876um ， 250m	0.76-0.90um ， 30m
短波红外	3.55-3.93um ， 1000m	1.230-1.250um ， 500m 1.628-1.625um ， 500m 2.105-2.135um ， 500m 3.660-3.840um ， 1000m 3.929-3.989um ， 1000m 3.929-3.989um ， 1000m 4.020-4.080um ， 1000m	1.55-1.75um ， 30m 2.08-2.35um ， 30m
热红外	10.3-11.3um ， 1000m 11.5-12.5um ， 1000m	10.78-11.28um ， 1000m 11.77-12.27um ， 1000m	10.4-12.5um ， 60m

MODIS 火灾探测算法如下：
设有 5 个逻辑条件 (A 、 B 、 a 、 b 、 x) ：
A ： T 4 ＞ T 4b 十 4δT 4b a ： ΔT 41 >ΔT 41b +4δT 41b
B ： T 4 >320K （夜间 315K ） b ： T 41 >20K （夜间 10K ）
X ： T 4 >360K （夜间 330K ）
如果满足以下条件，就可以将该点确认为火点：
（ A or B ） and （ a or b ） or （ X ）

在这一算法中，没有用到 MODIS 第 7 波段，其分辨率为 500m ，波长为 2.1um 。该波段经常被用作气溶胶光学厚度反演，因为它的波长足够大，以至于对大部分气溶胶粒子不敏感，另外该波段也被用来水分估算，其在火点监测方面的能力却被忽略。研究表明，该波段对极高温度的火点有反映，对温度较低的火点反映不明显，因此可将它和其它波段组合来确定火势。一般来说，在卫星过境时，同步观测火点温度非常困难。所以目前的研究都停留在理论上，无法进行实地的验证。图 10-1 是使用 MODIS 7 、 2 、 1 （ R 、 G 、 B ）波段组合观测到的火点，其放大图像见图 10-2 （右），图中的高温点以及燃烧产生的羽烟清楚可见。图 10-2 （左）是使用 23 、 2 、 1 （ R 、 G 、 B ）波段组合的结果，该图显示出更多的中、低温火点，而不象第 7 波段那样只显示出高温火点。根据火点的大致温度以及植被、地形、天气等情况，火灾专家可以判断林火的发展趋势，从而有效的布置灭火以及救援工作。

图 10-1. 2002 年 3 月 30 日 Terra/MODIS 观测到的火点(红框内)

地点在黑龙江省东部，俄罗斯境内，使用 MODIS 7 （ R ）、 2 （ G ）、 1 （ B ）波段合成，分辨率 1km 。图中裸地呈现暗红色，火点为亮红色，云层为青色，植被为暗绿色。

图 10-2 左图使用 23 ， 2 ， 1 分别为 R 、 G 、 B 合成，右图使用 7 ， 2 ， 1 合成

图 10-3. 与图 10-2 对应地区的 MODIS 波段 31 （上左）、 20 （上中）、 21 （上右）、 22 （下左）、 23 （下中）的亮温图，温度范围在 270K — 360K 之间。

图 10-4 采用最近邻法（左）、双线性插值法（中）、三次立方卷积法（右）重采样的结果

MODIS 火点监测算法是在 NOAA/AVHRR 的基础上发展而来， AVHRR 用于火点监测的波段是 3.7um 和 11um ，在计算温度时，为了简便起见，通常使用 T 4 和 T 11 来代表这两个波段的亮温。 MODIS 同样使用这样的规定，但是不同的是 MODIS 在 4um 波长附近有 20 、 21 、 22 、 23 总共 4 个波段，使用哪个波段效果最好，目前还很难回答。初步的研究表明，尽管这 4 个波段对不同温度的火点响应不同，但是在探测火点时，它们的探测能力基本相同。图 10-3 是这 4 个波段对同一火点探测的结果，虽然计算出的温度不同，但是在表达相对火势强度方面基本一致，如图 10-3 中白色均为火点。目前还需要更多的资料来区分它们之间的差异。 31 波段由于只对 300K 左右的常温目标敏感，对高温火点不敏感，所以在图像上表现不出。同样，由于缺乏实地观测资料，使用这些波段区分不同温度的火点，其结果也难以验证。

MODIS 火灾探测算法只限于 45 o 观测角之内，角度过大时，虽然能够探测到火点，但是对于火灾这样的点状目标来说，重采样必定会导致失真。以上文中的火点为例，该火点的位置接近 50 o 扫描角，在进行几何校正时，使用不同的重采样方法探测结果不同。图 10-4 中左图使用最近邻方法，中图使用双线性插值法，右图使用三次立方卷积法，投影均采用 Albers 圆锥等面积投影。使用双线性插值时，虽然边缘看上去平滑，但是火点面积要比最近邻法大，三次立方卷积法与双线性的范围大致相同，但是火点和周围背景的巨大差异，重采样导致很多空洞，并且无法判断这些空洞是否为火点。比较好的办法是采用最近邻方法，必要时可以采用 Dozier 提出的方法来确定子像素火点面积。