2019-07-30 18:56:01
美国宇航局从上面追踪野火以帮助下面的消防队员

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从春末到初秋的每个傍晚,两架飞机从美国西部的机场起飞,飞过日落,每个飞机前往一个活跃的野火,然后是另一个,另一个。从地面10,000英尺处,飞行员可以发现火焰的光芒,偶尔烟雾进入机舱,燃烧眼睛和喉咙。

飞行员在火焰上飞过一条直线,然后掉头并在相邻但重叠的路径上飞回来,就像他们正在修剪草坪一样。当火灾活动达到顶峰时,船员在一夜之间绘制30起火灾并不罕见。由此产生的该国最危险的野火鸟瞰图有助于确定这些火灾的边缘,并确定火焰,散火和孤立热点的区域。

由美国国家航空航天局和国家海洋和大气管理局(NOAA)运营的大型全球卫星星座,加上由美国林务局(USFS)运营的小型飞机机队,有助于探测和绘制森林火灾的范围,传播和影响。随着技术的进步,遥感的价值也越来越高,这是利用卫星和高空飞行的飞机从远处扫描地球的科学。

在与森林火灾作斗争中最直接的,生死攸关的决定 - 例如,将火灾者送到山脊,或者当火焰飞跃河流时召唤疏散命令 - 由指挥中心和火线上的消防员和酋长制造。来自卫星和飞机的数据以具有战略性的全局视图提供态势感知。

森林服务的地理空间技术和应用中心的Brad Quayle说:“我们利用这些卫星来决定在全国各地分配资产的决策。”该中心在为主动野火抑制提供遥感数据方面发挥着关键作用。 “当消防员,油轮和飞机竞争激烈时,必须决定如何分配这些资产。”

地球观测卫星首先发现野火,特别是在阿拉斯加荒野等偏远地区,这种情况并不少见。在火灾季节的高峰期,当火灾发生的火灾比飞机更多时,卫星的数据用于估算火灾的演变,捕获燃烧区域,变化的周长和潜在的破坏,就像蒙大拿州的Howe Ridge一样火灾,去年夏天在冰川国家公园燃烧了将近两个月。

来自太空的全球火图片

1980年1月,两位科学家Michael Matson和Jeff Dozier在位于马里兰州坎普泉的NOAA国家环境卫星,数据和信息服务大楼工作,他们在波斯湾的卫星图像上发现了微小的亮点。该图像是由NOAA-6卫星上的高级超高分辨率辐射计(AVHRR)仪器捕获的,他们发现这些斑点是由油井中甲烷燃烧引起的篝火大小的耀斑。这是第一次从太空看到这么小的火灾。 Dozier将成为加州大学圣塔芭芭拉分校Bren环境科学与管理学院的创始院长,他“对这种可能性很感兴趣”,并在一年之内继续开发一种数学方法来区分小来自其他热源的火灾。该方法将成为几乎所有后续卫星火灾探测算法的基础。

从AVHRR获得的信息告知了第一台仪器的设计,该仪器具有明确设计用于探测火灾的光谱带,NASA的中分辨率成像光谱仪或MODIS,于1999年在Terra卫星上发射,以及2002年在Aqua上发布的第二台MODIS仪器.MODIS in转向了可见红外成像辐射计套件VIIRS的设计,它采用了联合极地卫星系统的NOAA / NASA Suomi-NPP和NOAA-20卫星。每种新仪器都代表了火灾探测技术的重大进步。

“没有MODIS,我们就没有VIIRS算法,”联合极地卫星系统校准验证团队的主动消防产品负责人Ivan Csiszar说。 “我们建立在这种传统之上。”

极地轨道卫星上的仪器,如Terra,Aqua,Suomi-NPP和NOAA-20,通常在一个特定位置观察一次野火,因为它们从一极到另一极绕地球运行。与此同时,分别于2016年11月和2018年3月发射的NOAA的GOES-16和GOES-17地球静止卫星提供了持续的更新,虽然分辨率更低,并且对于地球的固定部分。

美国宇航局戈达德太空飞行中心的高级研究科学家拉尔夫卡恩说:“你无法用飞机获得全球图片,你无法从地面站进行拍摄。” “为了获得全球图片,你需要卫星。”

MODIS仪器绘制的火灾和烧伤疤痕的准确度远远超过AVHRR。经过将近20年的轨道运行,MODIS上的光学和热学波段可以检测反射和辐射能量,继续提供白天可见图像和活动火灾的夜间信息。

VIIRS改进了火灾探测能力。与MODIS不同,VIIRS成像器带具有更高的空间分辨率,每像素375米,可以检测更小,更低温度的火灾。 VIIRS还通过其Day-Night Band提供夜间火灾探测功能,可以测量小型和初出茅庐的火灾发出的低强度可见光。

美国林务局国家遥感项目经理埃弗雷特·欣克利说,火灾发生后的第一时刻至关重要。例如,在加利福尼亚州,当强风与干燥的燃料条件相结合时,响应时间可能意味着灾难性火灾之间的差异,如几乎消耗整个天堂镇的Camp Fire,以及迅速遏制的火灾。

“那些作为第一反应者的消防员并不总是知道火灾的确切位置,移动的速度或方向,”欣克利说。 “我们正在努力为他们提供实时或接近实时的信息,以帮助他们更好地了解那些早期关键时刻的火灾行为。”

响应者越来越多地转向GOES卫星,以便在偏远地区进行早期,精确的火灾地理定位。例如,在2018年7月2日,在科罗拉多州中部卡斯特县附近的一个树木繁茂的地区报告了烟雾之后,GOES East在那里发现了一个热点。普韦布洛的预报员目视检查了数据并提供了将成为Adobe Fire的确切坐标,并迅速将工作人员送到现场。火灾探测和表征算法是NOAA运行火灾探测算法的最新版本,目前正在进行更新,预计将进一步改进早期火灾探测并减少误报。

“最重要的是,消防队员希望能够在最初的几个小时内甚至在第一个小时内着火,这样他们就可以采取行动将其扑灭,”美国宇航局野火遥感科学家文斯安布罗西亚说。加利福尼亚州莫菲特菲尔德的艾姆斯研究中心。 “因此定期和频繁报道至关重要。”

野火的遥感数据可以通过许多不同的方式获取。其中,NASA的资源管理系统消防信息(FIRMS)使用MODIS和VIIRS数据提供全球主动火灾的最新信息,包括检测到的热点的粗略位置。图像可在四到五个小时内完成。

烟和公共卫生

当然,有火灾的地方,有烟雾,知道野火烟雾如何通过大气层对于空气质量,能见度和人体健康非常重要。与大气中的其他颗粒物一样,来自野火的烟雾可以深入肺部并引起一系列健康问题。卫星可以为我们提供有关烟雾运动和厚度的重要信息。

Terra携带多角度成像SpectroRadiometer(MISR)仪器,这是一种使用九个固定摄像机的传感器,每个摄像机以不同的角度观察地球。 MISR测量火焰烟雾的运动和高度,以及来自火焰的烟雾颗粒的数量,并提供有关羽状物成分的一些线索。例如,在Camp Fire期间,MISR测量结果显示在加利福尼亚州天堂上有一个巨大的非球形颗粒,这表明建筑正在燃烧。研究人员已经确定,建造烟雾会导致比野火更大,形状更不规则的颗粒。另一方面,来自周围森林燃烧的烟雾颗粒较小,大多为球形。 MISR的测量结果还显示火势已将大约2英里的烟雾排放到大气层中并向顺风行驶约180英里,朝向太平洋。

科学家们还密切关注烟雾的高度是否超过了“近表层边界层”,污染趋于集中。具有最多能量的野火,例如北方森林火灾,最有可能产生超出边界层的烟雾。在那个高度,“烟雾通常可以进一步传播,在大气中停留更长时间,并进一步向下风,”卡恩说。

卫星有局限性。其中,仪器检测到的热特征在像素上取平均值,这使得难以精确地确定火灾位置和大小。解释卫星数据还有其他挑战。虽然热信号可以指示火灾强度,但火焰上方的烟雾可以减少这种信号,而阴燃火焰可能不会像观察到的光谱波段那样散发出火焰。

靠近空气传播的“热量”传感器

这就是森林服务飞机上的仪器进入的地方。这些飞行的数据有助于国家红外线运行计划(NIROPS),该计划使用NASA开发的工具来显示网络地图服务(包括谷歌地球)中的野火信息。 NASA与林务局密切合作,为这些飞机所携带的热传感系统开发新技术。

每架NIROPS飞机都配备了一个红外传感器,可以看到下面六英里长的土地,每小时可以绘制300,000英亩的地形。从10,000英尺的高度,传感器可以探测到6英寸宽的热点,并将其放置在地图上12.5英尺的范围内。每次传递的数据都被记录,压缩并立即下传到FTP站点,在那里分析人员创建消防员可以直接在现场手机或平板电脑上访问的地图。它们在夜间飞行时没有太阳闪烁来影响他们的测量,背景更冷,火势更小。

“每次我们进行扫描时,我们都会'实施'那种火灾,”NIROPS的红外技术人员查尔斯“Kaz”Kazimir说道,他已经用这项计划飞行了10年。 “在地面上,他们可能有火灾表现的想法,但是当他们得到图像时,这就是事实。它可以证实或者使他们的假设失效,因为他们最后一次拥有英特尔。”

红外飞机仪器填补了卫星数据中的一些空白。现在正在进行的现场活动,如NASA-NOAA FIREX-AQ,也旨在解决这些问题。但科学家们也在寻求新技术。 2003年,美国国家航空航天局和林务局的代表组成了一个战术火灾遥感委员会,每年举行两次会议,讨论如何利用与野火有关的新的和现有的遥感技术。例如,正在开发一种新的红外传感器,其扫描比现有系统宽三倍的条带。欣克利说,这意味着更少的航线和更少的时间花在个人火上。

“实际上,我们正在积极调查和开发有助于实地决策者的能力,特别是在动态火灾的早期阶段,”欣克利说。 “我们不仅仅是在这里取得成功。我们理解,我们需要更好地利用新技术来帮助人们保持安全。”

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