新技術在森林防火中的應用

翟進龍

(青海省互助縣南門峽林場，青海 互助 810500)

1 紅外成像技術在防火中的應用

在絕對零度以上，任何物體都會產生紅外輻射，而且隨著溫度的升高，物體的分子或者原子的運動也會隨之變得激烈，分子或原子活動越激烈，紅外輻射的能量也就越大。由于不同物體之間存在著溫度差異，這也使得不同物質具有不同的紅外輻射能量。紅外成像技術就是通過探測不同物質的紅外輻射差來預防森林火災發生的。一般而言，人眼能看到的波長范圍在400～700 nm之間，而紅外輻射的波長要長于紅光，在760～1000 nm之間，人們要想探測到波段，需要借助紅外探測系統才能完成。紅外成像預警控制系統一般由紅外熱像儀、可見光高清相機和前端設備等多個部分組成。

由于紅外熱像儀是通過紅外輻射來成像，成像過程不需要借助光線，因此，利用紅外熱像儀，無論什么樣的氣候條件，都能進行全天候的拍攝。除了紅外輻射成像功能之外，紅外熱像儀還包括了測溫、數字圖像增強和偽彩色三大功能。通過這三項功能，工作人員能夠實時了解觀測點內溫度過高的區域、提高細節分辨能力、增強圖像對比度來提高工作人員對高溫區域的監控能力，以減少森林火災的發生。

可見光高清相機主要的功能是為工作人員提供清晰的可見光圖像，是進一步提高森林防火效果的設備。而可見光高清相機的成像質量受天氣影響大，且作用距離相對較短是限制其探測能力的主要因素。通過透霧算法的后臺運行，可以大幅度提高可見光高清相機在霧霾天氣下的成像效果，因此，在紅外成像預警控制系統中，可見光高清相機一般都是作為紅外熱成像儀的輔助設備，與紅外熱成像儀配合使用，使兩者的優勢形成互補，最大程度地發揮二者的作用。

前端設備采用一體化雙光譜設計，同時具有可見光和夜視監控功能，可在區域內進行全天候的監控工作。設備通過特殊的加工工藝及采用特定的材料，使其能夠完全滿足室外架設條件，在監控過程中，如遇森林區域內高溫，可及時向后臺發送高溫目標的溫度和報警信息。另外此前段設備的兼容性高，可與現有的控制設備結合，通過無線網絡傳輸拍攝的視頻等信息。

地下火和隱性火是引起森林火災的主要因素之一，然而由于發生隱蔽，初始火苗小，通過普通的監控設備及技術很難探測到其存在。利用紅外成像技術，可以迅速察覺地下火、隱性火的發生，可將森林火災遏制在萌芽階段，最大程度上避免森林火災的發生，降低森林防火成本。

2 GPS導航技術在防火中的應用

GPS是全球定位系統的縮寫，由空間、地面和用戶接收部分三大主要部分組成。空間部分位于距地面2.02萬km的上空，包括了21個工作衛星和3個備份衛星，以4顆衛星分布在同一軌道，形成6個軌道的分布布局。這種衛星的分布方式能夠使工作人員在地球上的任何位置和任何時間都能至少觀測到4顆以上的衛星，并接收到4顆以上衛星所發送的信號。衛星每718 min繞地球旋轉1周，每1 s能像地球連續發送信號1000次，工作人員通過對4個或4個以上的衛星信號傳播時間及距離的計算，來最終精確確定目標位置所在。GPS的地面部分主要由主控站、地面天線、監控站和通訊系統組成。主控站是GPS地面部分的大腦，主要負責調控所有地面控制系統的工作。在主控站的調控下，地面天線就會向地上部分的衛星注入尋電文，由衛星發送回來的數據被監測站自動收集，最終通過通訊系統進行傳輸工作。用戶接收部分由GPS接收器和衛星天線組成，用于工作人員接收需要的數據。

由于森林環境較為復雜，一般都使用體積較小、行動靈敏、抗隱蔽能力強且操作簡單的GPS進行定位工作。通過GPS的精確定位和導航功能，工作人員能夠精確地指揮滅火車以最短的時間到達起火點，從而減少森林火災所帶來的損失。而且以人為本是森林防火工作中的重中之重，森林氣候多變，地形錯綜復雜，一旦火勢逼近，工作人員的生命就會受到威脅。利用手持GPS，工作人員可以通過事先在GPS設置的安全點坐標，找到距離最近的安全點，如果遇到緊急情況，以最快的速度找到安全點進行躲避，保證了工作人員的工作安全。在森林防火中，GPS系統主要應用于起火點定位、火場調查、飛機和滅火隊員的導航等方面工作。 由于森林的特殊組成，遇到火源，如得不到及時控制，就會造成大范圍的火災，火勢蔓延后就很難撲滅。利用GPS定位系統，飛機可以在最短的時間內定位到火頭和火線，并且通過GPS的精準導航，滅火車、飛機等滅火交通工具能夠在錯綜復雜的森林環境中找到最優的行進路線，避免了迷失方向，為盡快到達火場進行滅火爭取時間。另外，GPS還可以用于火場面積的統計調查，利用飛機搭載GPS，在火場邊緣飛行數次，即可準確地得到火場燃燒的范圍，以便于準確地計算與統計燃燒面積。

在火災發生時，盡管通過GPS導航系統，工作人員也能找到火點，但是由于GPS的探測范圍有限，找到火點存在著延遲性，不能在第一時間完成火點的探測，因此，在森林防火中，往往將GPS、RS、與GIS三者結合使用，以便快速準確地找到火點，減少火災的蔓延，以在最大程度上減少火災所帶來的損失。

3 RS技術在防火中的應用

RS技術即為遙感技術，是一種利用不同波段的探測儀器，在遠距離處，通過掃描、信息感應等手段來識別地面物體狀態的一種現代技術。RS主要由空間信息采集系統、地面接收和預處理系統、地面情況調查系統和信息分析應用系統4個主要部分組成。空間信息采集系統包括遙感平臺和遙感器兩部分，遙感器分為主動發射電磁波的主動遙感器和被動收集電磁波的被動遙感器兩種類型，以遙感平臺為載體，進行信息的采集工作。由于受到大氣條件、太陽位置等條件的影響，被采集的信息可能會出現失真，為了消除失真，就需通過地面接收和預處理系統中的輻射矯正和幾何矯正來消除和矯正由輻射亮度造成的圖像失真和不同像元位置坐標與地圖坐標目標地物坐標的差異。地面情況調查系統主要是通過收集環境、氣象等信息數據，來檢驗上述遙感數據與地面實際信息的一項工作，地面調查的時間與環境需與遙感觀測的時間及環境保持一致。待收集到準確信息之后，再經過信息分析應用系統，將信息以數據的形式輸入進去并以數字的形式進行輸出。

由于RS技術具有探測范圍廣、獲取信息速度快、信息量大、受地面環境因素限制小等優點，因此RS技術常用于確定火災的范圍，來對火災的災情作出評價。工作人員通過對規定區域范圍進行探測，以生成地表亮度圖像、火災圖像等方式，讓工作人員快速準確地了解火情信息及受災面積，不但為火災的預防作出決策依據，而且還為救援及后期的災后重建提供了很大的幫助。盡管RS技術在森林防火的應用中具有諸多優勢，但是在精確定位方面扔存在著些許不足，通常情況下，一般將RS技術與GPS技術結合使用，來彌補RS技術對定位精確度的不足。

4 GIS技術在防火中的應用

GIS是地理信息系統的縮寫，它是以地理空間數據庫為基礎，配合計算機軟件及硬件設備，對具有空間內涵的地理數據進行管理與分析，為管理及決策提供支持的一類信息系統。GIS由空間數據、軟件和硬件三部分組成， 空間數據作為GIS的操作對象，具有幾何、屬性和時間數據的特征，具有矢量結構和柵格結構兩種組織，是構成系統應用的基礎。軟件部分包括了GIS應用軟件、GIS基礎軟件平臺、系統軟件、系統庫和操作系統等部分，起到數據采集、加工等作用。硬件部分包括了掃描儀、數字化儀、解析和數字攝影測量儀、遙感與遙感圖像處理系統等各種物質基礎設備，為GIS提供物質載體。

由于GIS具有強大的空間分析能力，因此可用于森林火點的定位。通過GIS對各種空間信息的運算，了解在火點周圍距離最近的水系和可利用資源的情況，有助于管理人員在最短的時間內，做出準確的控制火情及撲救決策，在最大程度上減少火災帶來的損失。除了強大的空間分析能力之外，GIS還具有對信息的快速反應能力，可用于森林火情的分析。通過其快速反應能力，結合GPS的精確定位能力和RS的大范圍探測能力，對森林火災的發生和蔓延情況進行全程的實時監測，可以有效準確地幫助工作人員作出救火計劃，規劃處最安全的救火路線。另外，GIS同時具有管理專業屬性與圖形兩種信息，既可以生成電子地圖、多媒體等數字化產品，又能生成文字的分析報告等產品。在森林發生火災時，管理人員可運用GIS生成的三維地圖來將火災現場周圍的資源呈現出來，結合收集到的風向、風力、可燃物類型等信息，管理人員可對火勢的蔓延作出提前預測，對可能受到火災危害的居民提前作出預警，幫助他們逃離危險區域，并準確制定撲救計劃，為減少火災損失及人員傷亡提供有力的支持。在火災過后，還可利用GIS進行現場還原，用于火災損失的評估，為后期的森林修復決策提供依據。