林火監測技術分析與綜合應用

● 文 |天津航天中為數據系統科技有限公司 伍小潔 陳利明 張潔 燕正亮

林火監測技術分析與綜合應用

● 文 |天津航天中為數據系統科技有限公司 伍小潔 陳利明 張潔 燕正亮

林火具有隨機發生、擴展迅速、難以受控的特點，易造成林業資源損失慘重，進而影響生態更替和氣候變化。伴隨著全球氣候變暖及人類活動的加劇，與林火發生頻次成正相關趨勢，全球林業資源受到林火威脅的形勢越來越嚴峻。提高監測水平，有助于盡早探測起火點坐標，明確林火態勢，實現全程監視林火從發生、發展到熄滅的整個過程，把林火引起的災難降到最低。按照林火監測手段所處的空間位置可以分為衛星監測、航空監測、近地面監測和地面巡護四種方式，這四種方式交叉貫徹在林火監測的各個時間階段。

一、林火監測技術及特點

1. 衛星監測技術及特點

衛星基于先進的成像設備，通過對3S（遙感系統、地理信息系統、全球定位系統）技術的綜合應用，實現了衛星對地的監測。物體的溫度高低與其發出的紅外波長有密切的關系，而當林火發生時，其高溫輻射的波長（3.7μm左右）與周圍植被具有明顯的差異。運用遙感衛星進行掃描，通過衛星地球站接收掃描信息，利用計算機技術識別出紅外熱點，結合地理信息系統對熱點進行定位，從而實現對森林火災的衛星監控。

衛星監測的周期由多顆衛星對地的重訪周期共同決定。當前用于林火監測的衛星有我國的環境系列、風云系列衛星，美國NOAA系列、EOS/ MODIS地球觀測衛星。風云系列衛星與NOAA衛星同屬于近極軌太陽同步衛星，其監測周期為6h；EOS衛星1天內對同一地點掃描2次，其監測周期為12h；通過接收和處理我國風云系列、美國NOAA系列和EOS系列等衛星數據，對全國森林火災進行多時段、全方位監測，大部分地區一天監測覆蓋達到8～10次，時間覆蓋率平均一次2～3h。

衛星監測星下點分辨率與衛星本身有很大關系。NOAA系列衛星星下點分辨率約1.1km，每條軌道的平均掃描寬度約2700km，適合林區森林火災的宏觀監測。EOS系列衛星在軌運行的有TERRA和AQUA，掃描寬度2330km，其分辨率有250m、500m和1000m。我國于2008年發射了環境減災一號衛星（HJ）A、B星，其中HJ-1B衛星搭載的可見/紅外遙感儀對地空間分辨率為150m，第3通道T3對地表高溫具有較高的敏感性，與T4結合用于火點監測，可發揮較好的監測效果。隨著我國高分辨率衛星的發射，衛星的星下點分辨率會大大提升。

衛星運行軌道高，環境適應性強。其不受所探測區域地形、自然條件、晝夜因素和風的影響。但用于林火監測衛星的傳感器所選波段為可見光和紅外波段，該波段不具備穿透較厚云層進行云下高溫熱輻射能力，因此容易受到云霧的遮擋，不適合陰、霧、霾、雨、雪的天氣環境。

利用衛星進行林火監測時，林區多采用購買衛星影像的形式進行。對于林火監測的衛星屬于低分辨率衛星，一般按景收費，價位在千元左右。林區多進行長期購買數據，因此長期而言運行成本較高。

2. 航空監測技術及特點

航空監測是基于航空平臺的機載能力搭載林火探測設備，如可見光傳感器、紅外傳感器和激光測距儀等實現對地動態有序觀測成像。航空平臺分為有人機平臺和無人機平臺。有人機平臺主要是指有人直升機和固定翼飛機，有人直升機的定點懸停和起降場地要求較低的優勢，使其成為航空監測的主力。現役無人機平臺則種類多樣，有多旋翼無人機、固定翼無人機和無人直升機等多種型號。2013年6月，在內蒙古大興安嶺林區根河航空護林站，天津航天中為數據系統科技有限公司利用我國自主研發的Z5大型無人直升機搭載光電吊艙，進行了林火監測的首次飛行，標志著我國無人機系統首次應用林業。

航空監測的周期與林區監測計劃及天氣狀況有關。航空監測手段反應迅速，在符合條件情況下有人機和無人機都可實現定期監測和應急實施監測。進行定期監測時，航空手段一般以天為單位。

航空監測手段所采集影像的分辨率與平臺飛行高度和傳感器自身屬性有關。有人飛機載荷能力比無人機優越，能夠搭載的高性能可見光、紅外和多光譜等吊艙，搭載的傳感器差別導致對地分辨率有所側重。飛行平臺作業高度在千米左右，可見光分辨率在分米級，紅外分辨率優于1m，但隨著傳感器性能的提升，級集成小型化，分辨率會越來越高。

航空監測手段具有機動靈活、可選平臺多樣、載荷可快速換裝和升級、定位準確、監測范圍和飛行高度可按需實施等優點。飛行平臺進行任務作業時，對林區地形、自然條件和天氣狀況有一定的要求；飛行平臺不能在超過本身抗風、抗雨雪能力的環境中作業；同時飛行平臺的夜間飛行能力有限，并且受制于載荷的夜間成像能力；無人機可避免人員傷亡，可安排在危險區域進行作業，同時起降場地要求依據平臺的類型的不同而差別巨大，如中大型固定翼無人機起降跑道要求較高，而中大型無人機直升機則相對較低，小型旋翼無人機無特別的起降場地要求。

航空監測平臺及配套系統既可以通過租賃也可以通過購買的方式進行實施。有人機的價格和保養都比較昂貴，操作復雜，對安全技術要求高，造成了使用成本很高。無人機平臺多樣化，價位從數千元到百萬元之間，有較多的選擇空間。無人機整體采購費用相對較低、操控簡單、后期維護費用少、但可靠性和勤務性有待繼續提高。從整機使用壽命、頻次和人力成本而言，無人機使用成本比衛星和有人機低很多。隨著多旋翼無人機產品載荷能力、飛行性能及飛控半徑的增加，低成本及機動靈活的特點逐漸在森林監測中得到應用。

3. 近地面監測技術及特點

近地面觀測主要有瞭望觀察和遠程視頻監控兩種形式。瞭望觀察是瞭望員在塔臺上通過肉眼或望遠鏡進行環繞查看，用定位儀確定方位，在地形圖上定位火場地理坐標、森林資源分布以及林相情況。遠程視頻監控基于互聯網技術、視頻監控技術及GIS技術的日臻成熟，利用可見光和紅外傳感器對特定區域進行視頻采集。

近地面監測的周期受觀測主體本身的主觀性影響。瞭望觀察者主要在白天活動，在瞭望臺上通過望遠鏡在可視范圍內對林地進行不間斷瞭望，一般為小時級巡視監控；遠程視頻監控可以進行24小時不間斷的數據采集和監控，并且支持視頻存儲和回放，也需要人進行干預。

近地面監測的分辨率與監測手段的觀測距離相關。瞭望臺主要采用巡檢員手持望遠鏡，進行約7km半徑內的監測；遠程視頻監控采用可見光和紅外傳感器，在無人值守的環境監測、災害撲救等特殊領域，其有效監控半徑約10km。二者分辨率隨觀測距離的增加而降低，在近處1km處的分辨率達到分米級，在邊界7km處的分辨率在米級。

近地面監測手段依賴于基礎設施建設，因此會受到地形地勢、自然條件的影響，偏遠、陡峭和危險地帶很少進行基礎設施建設，在氣候條件惡劣的高溫、高寒、雨雪霧霾等天氣不易進行監測。瞭望臺和遠程視頻監控需要建立一定高度的塔臺，但地形地物的遮擋還可能延誤最佳探火和滅火時機。

近地面監測要求點多面廣，需要基礎設施建設。瞭望臺需要每隔一定距離進行布設，瞭望臺的建設對選址、建設高度和通信設施有較高的要求，單個瞭望臺成本達到數萬元。遠程視頻監控的硬件投入與通信投入占據較大成本，末端的監控中心建設也需要一定量的投入，信息傳輸體系建設成本高、維護難度大。

4. 地面巡護及特點

地面巡護是由護林員利用各種交通工具在分管的責任區內進行巡邏，發現火情及時報告，同時還要檢查監督來往行人和車輛遵守防火制度，檢查生產用火和生活用火的火源情況等，防止引起火災。

地面巡護用在防火期或火災敏感區域，減少人為引起的森林火災，并可及時發現火情和撲滅火源，其監測周期通常與人類在森林中的活動相匹配，故監測周期隨機性強，不具備定期觀測能力。

地面巡護工作量較大，人員處于森林底層，視線遮擋嚴重，觀察范圍有限。其觀測分辨率為肉眼分辨能力，一般在分米到米級水平。

地面巡護環境適應性差，僅適合特定區域特定路線下的巡視，在確定火災位置上常因地形地勢崎嶇、森林茂密而出現較大位置偏差，并且地域偏遠、交通不便的林區無法開展地面巡邏工作。

此外，地面巡護需花費大量人力資源，且人身安全不能保證，成本較高，現已成為輔助手段。

二、多平臺林火監測

為彌補現有單一監測技術的不足，發揮各自優勢，已開展了多平臺林火監測和基于物聯網的智能林火監測技術的研究。

1. 多平臺林火監測

多平臺林火監測系統的建設思想是將每一種林火監測技術都看成是一個智能體，每種林火監測平臺都可以獨立完成自己的監測任務，采用集中式結構實現多平臺林火監測協同應用，具體實現方式如圖1所示。

（1）每種林火監測平臺都作為一個智能體，有其獨立處理事務的能力，可感知森林火場環境，彼此數據保存于各個獨立的監測平臺系統中，只能在林火管理中心調用。

（2）上述數據和命令都通過網絡通信來實現傳輸。

（3）地理信息系統和專家系統綜合起來構建一個林火管理中心，負責接收不同平臺傳輸來的數據，依據情況對各個林火監測平臺發送監測命令。

（4）由于各種監測平臺各有其特點，監測數據也各不相同，各種數據互為補充，便于林火管理中心綜合考慮、按需調用。

此系統在廣東省韶關市仁化縣紅山鎮進行林火現場點燒試驗。試驗中氣象衛星監測平臺負責在宏觀方面識別出森林火災熱點；無人機監測平臺利用機載數碼攝像機從空中連續拍攝火場燃燒狀況，以便了解火場位置和發展態勢；無線射頻傳感器通過各節點實時采集紅外線強度、溫度和相對濕度數據，以便了解火場內部燃燒狀況；自動氣象站則設置于火場邊緣地區，每分鐘采集記錄一次火場溫度、相對濕度、風速、風向，從而獲取火場周遭的氣象環境狀況。

結果表明，多平臺林火監測系統實現對火場多方位的描述和監測技術間的技術互補，為林火現場實時監測提供了新的思路和辦法。

2. 智能林火監測

基于物聯網的智能林火監測系統集成多種林火監測平臺，每種監測平臺是具有獨立處理事務的智能體，每種監測平臺依據自身平臺的特點獲取和處理相關的林火信息及數據，這些信息和數據以服務的方式提供給指揮中心管理平臺，管理平臺再根據用戶的需要對各個監測平臺進行操作。智能林火監測的物聯網構建如圖2所示。

（1）感知層是物聯網的基礎，負責探測和搜集森林火災及林火相關因子的狀況。

（2）網絡層是物聯網的橋梁，負責各類監測系統及上層平臺之間的交互聯系。

（3）應用層是物聯網的終端，負責為用戶提供具體的林火監測應用服務。

將物聯網技術應用于林火監測，結合地面感知傳感器、遠程視頻監控和無人機監測進行結合，解決林火監測方式之間相互獨立、數據難以共享的問題，實現了智能林火監測。所建系統通過遠程視頻監控前端發現火情并報警后，將啟動無人機到達火點上方盤旋，將火點現場的圖像資料傳回指揮中心的客戶端，周圍的無線傳感器網絡則時刻收集當前的各種氣象及林火因子數據，這些數據將作為現場火情狀態監視及火災撲救的重要參考依據。該物聯網智能林火監測平臺已經在廣東和山東等地投入使用。

三、結論

多平臺林火監測和智能林火監測都有效利用多平臺的優勢，然而多平臺林火監測并未達到不同監測手段間的數據共享。未來的林火監測應充分利用物聯網技術，實現天空地技術上的互聯互通，實現數據共享，提高林火監測能力，建設智慧林火監測體系。

利用衛星監測面廣的優勢，結合氣象衛星進行林區火險預報；利用航空監測手段的機動性強、分辨率高和準確性高的特點，進行火場探測、火場識別、火點定位以及火場態勢；利用航空平臺結合通信衛星進行遠距離通信，用無人機進行危險區域監測，有人機進行滅火工作；基于近地面監測手段，進行態勢感知，瞭望臺可進行現場指揮和通信，遠程視頻則進行遠程監測和指揮；地面巡視人員則根據火險預報等級進行關鍵時期的防火工作；利用物聯網技術對林火監測技術之間進行數據共享和融合，實現全方位的林火監測。

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