热带泥炭地明燃与阴燃的光学遥感辨识：探测机制、遥感能力与挑战的系统综述

《Environmental Challenges》：Optical Remote Sensing for Flaming and Smouldering Combustion in Tropical Peatland Fires: A Systematic Review of Detection Mechanisms, Capabilities, and Challenges

　　

热带泥炭地储存了全球土壤碳的显著部分。然而，这些生态系统中的火灾对监测构成重大挑战，尤其是在探测和区分明燃与阴燃阶段方面。区分这两个阶段至关重要，因为阴燃阶段占碳和颗粒物排放的大多数，却远更难探测。该综述首次系统地将热带泥炭燃烧的物理化学机制与遥感能力联系起来。遵循PRISMA 2020方案，筛选了408条记录，纳入23篇文章，以回答三个研究问题：火灾探测机制、遥感方法与能力以及探测挑战。相态探测依赖于温度相关的辐射发射。明燃阶段最适合用短波红外（SWIR）探测，而阴燃阶段最适合用热红外（TIR）和长波红外（LWIR）探测。主要挑战在于探测阴燃阶段，该阶段难以识别，但在排放方面最为重要。为此，该研究强调高时间分辨率数据（如VIIRS），并建议将热带泥炭地燃烧算法指数（ToPeCAI）与亚像元方法集成，以便在局地尺度上逐日实现火灾类型的准确监测与分类。

研究背景：热带泥炭地（tropical peatland）是重要陆地碳库，仅覆盖全球泥炭地面积约11%，却储存约15%–19%的全球泥炭碳；同时为当地社区提供生计。采伐、土地利用变化、排水和农林业转换导致泥炭退化，微生物分解加快并释放CO₂，增加火险。热带泥炭地火灾在东南亚等地每年发生，燃烧深层泥炭会影响古老土壤碳，对碳循环和气候反馈具有重要意义。泥炭火分为明燃（flaming combustion）和阴燃（smouldering combustion）：明燃发生在地表植被，阴燃发生在地表下泥炭层；阴燃由扩散控制，可持续数周至数年，并可由明燃触发，在特定环境条件下可转为明燃。阴燃温度低、难探测，却贡献大部分碳和颗粒物排放；燃烧相态认识不足限制排放估算。现有问题包括：火灾探测机制多来自野外或实验室研究，尚未系统综述以支撑遥感解释；遥感区分两相的能力未充分总结；阴燃探测受低温、土壤或植被覆盖限制等挑战未系统探索。因此，研究人员开展系统综述，连接燃烧物理化学机制与光学遥感能力，为遥感早期预警、排放估算和空气质量制图提供科学依据。

方法概括：研究人员遵循PRISMA 2020方案，在Scopus和Web of Science（WoS）数据库用5组检索串检索，截至2026年6月5日识别408条记录；排除26条非文章和185条重复记录，对197篇进行全文评估，最终纳入23篇。研究依据Osaki & Tsuji和Page et al.的工作映射热带泥炭地分布，围绕三个问题归纳证据：明燃与阴燃探测机制、遥感方法与能力、探测挑战。文献样本来源于Scopus与WoS。

研究结果：
3.1 明燃与阴燃探测机制。通过纳入文献综合，热带泥炭火是多层燃烧事件，包含吸热预热、热解和放热氧化、火产生；明燃与阴燃由不同氧化路径区分。
3.1.1 火灾阶段：从干燥到燃烧。文献综合表明，泥炭火循环包括点火、蔓延、排放释放和抑制；燃料可用性、水文和气象控制点火，干旱和排水增加燃料可用性；燃烧包括吸热热解和放热氧化，热解挥发气体氧化形成明燃，固体燃料表面残余炭异相氧化形成阴燃。阴燃排放显著高于明燃，燃烧效率（CE）明燃约0.9或更高，改良燃烧效率（MCE）阴燃低于0.9；阴燃常由地表明燃触发，湿度增加降低转换概率，含水量超过110%传播可停止；残余热释放可作为是否完全熄灭指标。
3.1.2 热变量作为燃烧相态识别的关键。通过Landsat数据与红外视频测温等研究，未燃烧区约290–360 K，阴燃约360–500 K，明燃约700–1000 K；Elvidge et al.将相态分为背景、次级发射体（预热和热解）和初级发射体（放热与燃烧），阴燃723–973 K，预热323–453 K，热解453–673 K；Palamba et al.在Ogan Komering Ilir和Papua记录阴燃856 K和884 K；各温度范围重叠，温度不能作为互斥相态标签，需考虑混合像元。
3.2 探测热带泥炭地明燃与阴燃的遥感能力。文献综合表明，探测依赖光谱传感器捕获特定波长燃烧过程。
3.2.1 明燃与阴燃探测的传感器与数据集。文献汇总显示，Landsat-8 OLI/TIRS因SWIR（B6–7）、TIR（B10）和气溶胶波段最常用于相态区分；Sentinel-2 MSI有SWIR/NIR、10 m和约5天重访，但无TIR，限制阴燃探测；Himawari-8 AHI 10分钟重访但约2 km，低温柔阴燃可能漏检并低估火灾辐射功率（FRP）；MODIS 1 km不能区分相态；VIIRS M13（4 μm）可探两相，日夜间波段（DNB）用于夜间可见光，日覆盖适合日监测。波段功能上，近紫外/气溶胶用于棕碳（BrC）和气溶胶/烟霾；SWIR用于高辐射明燃；中红外（MIR）用于两相和FRP；TIR/LWIR用于低温阴燃；800 K火焰峰值约3.62 μm，400 K阴燃峰值约7.24 μm但水汽吸收，故阴燃最好在8–12 μm LWIR窗口观测。仅Landsat-8和VIIRS足以研究明燃与阴燃现象。
3.2.2 燃烧相态探测与分类方法的发展。文献综合表明，几乎所有方法利用温度差探测明燃与阴燃。
3.2.3 热带泥炭地燃烧算法（ToPeCAI）。Sofan et al.等研究显示，ToPeCAI于2018年提出，采用规则阈值，联合SWIR-1/SWIR-2反射率、TIR-1亮温和气溶胶波段分类明燃、阴燃或混合；明燃具高SWIR-2反射率（晴空第一四分位数0.68）和较高TIR-1亮温307 K，阴燃最低亮温297 K且SWIR-2反射率0.09–0.31；总体探测精度82%，掩膜城市后93%，明燃概率（POD）100%，阴燃73%；用于Sentinel-2时因无TIR，明燃精度≥95%–97%但阴燃探测受限。
3.2.4 像元减法。Elvidge et al.等研究基于明燃与阴燃约400 K温差，用Planck曲线拟合计算LWIR中明燃分量，残差归为阴燃；Landsat-8阴燃探测限约40–90 m²，相当于单像元面积4%–10%；VIIRS四波段（NIR、SWIR、MWIR、LWIR）可分解背景、次级发射体和初级发射体，捕获预热320–450 K和慢热解650–750 K，表明常规热点算法低估较冷、较大面积热分量。
3.2.5 可见能量分数（VEF）。Wang et al.研究表明，VEF为可见光功率（VLP）与FRP之比，利用VIIRS DNB探测夜间>600 K明燃，M13全相态但不能区分；VEF归一化0–1，相对独立于火大小，可区分小而强明燃与大而主要阴燃，但厚烟条件下低估。
3.3 利用遥感探测明燃与阴燃的挑战。文献综合表明：混合像元使最热分量主导信号，小明燃可掩盖大面积阴燃；高分辨率Sentinel-2缺热波段时阴燃精度降至35%–56%，明燃仍>95%；地下阴燃温度低于FRP方法650 K阈值且云覆盖限制观测；传感器时空分辨率存在权衡；排放估算可能低估；建议发展更高分辨率MIR/TIR波段并利用气溶胶光学厚度（AOD）或一氧化碳（CO）等大气代理间接验证阴燃。

讨论部分总结：该综述按三个问题讨论。探测机制上，热带泥炭火为多阶段热化学过程，包括脱水、热解和氧化；明燃氧化热解挥发气体，阴燃氧化固体燃料表面残余炭；阴燃虽蔓延慢但单位燃料消耗的碳和颗粒物排放更高，且地表热信号消退后仍可活动，构成探测难点。遥感能力上，区分两相根本依赖温度，按Planck定律高温火焰在短波（SWIR）易探测，低温阴燃在长波（TIR/LWIR）易观测；方法可分两类：关注放热过程（ToPeCAI、VRP等）和整体物理化学过程（亚像元减法）；ToPeCAI阴燃精度73%，亚像元可探测预热和热解，VEF和FRP将相态判别扩展到夜间和地球静止观测。挑战上，阴燃探测依赖热信息，混合像元、Sentinel缺热波段、云覆盖和时空分辨率权衡限制明显；建议用VIIRS日数据并集成ToPeCAI与亚像元减法；研究集中东南亚尤其印度尼西亚，非洲和美洲热带泥炭地应用不足，是未来方向。

研究结论部分翻译：该研究结论指出，该系统性综述通过将燃烧物理化学机制与卫星观测能力和局限相联系，考察了遥感探测和区分热带泥炭地明燃与阴燃的应用。就探测机制而言，明燃和阴燃由不同氧化反应产生，具有明显对比的热辐射发射特征，约400 K温差为遥感区分两类燃烧提供物理基础。遥感能力依赖红外与气溶胶区域：SWIR-1和SWIR-2用于区分燃烧与非燃烧区并探测高温明燃，TIR和LWIR用于探测低温燃烧，MWIR4捕获两相并为估算FRP提供基础，气溶胶波段区分晴空与烟霾，可见光DNB利用夜间明燃发光进行探测。Landsat-8 OLI/TIRS因兼具SWIR和TIR且30 m分辨率，是最常用于相态区分的产品；VIIRS（Suomi NPP）通过DNB和M波段支持夜间和亚像元尺度相态分析并提供日覆盖；Himawari-8 AHI提供高频FRP观测。基于物理化学过程，探测方法分为关注放热过程的方法（ToPeCAI和VEF）与处理整体燃烧的方法（亚像元减法）；ToPeCAI联合SWIR燃烧指数、SWIR反射率、TIR亮温和气溶胶阈值分类明燃、阴燃或混合，VEF以可见光功率与总FRP之比表征相态，亚像元减法基于Planck曲线拟合分离初级发射源与次级源。探测挑战在于热波段可用性，热波段对阴燃探测关键；Sentinel-2 MSI空间分辨率更高、重访更频繁，但缺热波段限制阴燃探测。研究意义在于提出将ToPeCAI等算法的相态区分能力与亚像元减法集成的未来研究方向，并指出现有研究几乎集中于东南亚，未来应将现有数据集、方法和算法应用于东南亚以外热带泥炭地。