廣東省自然保護區森林資源防火智能監測系統設計

李友余 唐遠強 唐遠星 陳斌峰 蘇葉平 林勁松 朱永釗 朱同林

摘要：指出了森林防火的工作重心要放在預防環節。通過運用現代先進的視頻監測儀器、模式識別技術、圖形圖像技術和大數據等技術，構建一個高可靠性、智慧型的省級森林防火監測系統，能夠自動識別林火的火源、判斷火勢走向，并根據火情發生的背景條件，自動計算并生成幾套可行的輔助滅火方案供決策者使用，為森林防火工作增加了一道保險。

關鍵詞：省級自然保護區;森林;火災;監測;設計

中圖分類號：S7

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（ 2019） 24-0172-03

1 引言

森林火災是造成森林資源重大損失和全球性的環境污染的毀滅性災害之一[1]，它具有災害發生隨機性以及對生產、生活破壞性極大的特點。為了避免和減少國家、人民群眾的損失，各級政府職能部門一直高度重視森林防火工作，不惜一切代價，采取各種措施將火患消滅在萌芽狀態[2]。

隨著物聯網技術、計算機技術、互聯網技術、人工智能等現代技術的演進，森林防火的各個部門可以整合起來，滿足新時期林業系統自然保護區森林智能防火信息化建設所遇到的各種需求，構建一個以防為主，行動迅捷、分工明確、協同作戰的森林防火指揮系統。本項目作為森林防火指揮系統的“耳目”，顯得尤為重要。

2 研究背景

2.1 基礎平臺已經搭建好：國家林業信息技術快速發

展，為本項目的實施打下了堅實基礎

2020年是全面實現小康的關鍵年，意味著“十三五”規劃目標成功實現。2019年11月8日，曹福亮院士在中國林學會年會上著重指出，農業人工智能在農業信息化的基礎上，已經邁人了智能時代。同時，他也認為林業也可以運用大數據、AI等技術實現林業信息化的總目標，即智慧林業。

2.2 保護區現實需要：廣東省級自然保護區森林資源

防火形勢嚴峻

省級自然保護區秋冬季節天氣持續晴朗干燥，林內可燃物堆積，容易燃燒，加上大部分林區滅火用水資源不足，故一旦發生火災，撲火困難大大增加。除了氣候等客觀因素，群眾的防火意識薄弱也是造成林火頻繁發生的主要原因。據廣東省森林防火部門的初步統計，每天上午10點至下午6點是火災的易發時間段，這期間，村民在農事活動中進行焚燒雜草的行為較多。

為了做好防火工作，保護區管理處除了加大巡山護林力度，嚴格管制野外火源，做好撲火救災充分準備，隨時進入防火臨戰狀態之外，保護區管理處應在國家衛星林業遙感數據應用平臺基礎上，推進“云計算平臺、高清視頻、北斗示范、生態大數據”等項目標準建設，為全面提升林業信息化水平和能力提供堅實保障，真正做到防火患于未然。因此，在監測系統的設計過程中，應當要貫徹易用、前瞻、兼容、規范、先進和可擴展的六大原則，將系統構建成一個集成、嚴謹的大系統，以便后續監測系統在建設過程中能夠找到相應的技術標準和相關規定。

3 項目實施的技術保障

根據廣東省自然保護區的實際情況，因地制宜，構建符合保護區管理機構自身工作體系的森林防火動態監測信息系統，本系統通過運用智能林火識別軟件和具備精準定位和攝像功能的智能三維系統，實現省、市、縣（保護區管理局）三級的防火部門在防火預防、滅火等環節動態信息的共享和實時管理。減少人工巡防勞動力成本，提升了林火預報的準確率。利用“3S技術”和大型集中監控技術，結合林業領域知識和本系統防火數據，建立林業“空、天、地”三維一體化的防火指揮系統[3-6]。

4 廣東省省級自然保護區林火智能監測系統業務功能、需求分析

4.1 業務功能分析

廣東省省級自然保護區林火智能監控系統作為廣東省森林防火工作的基礎支撐，發揮著舉足輕重的作用。本系統作為國家級（省級）自然保護區管理處林火防御技術，可以分為三種類型的業務：常態業務、非常態業務及介于常態與非常態的業務?；究梢詽M足保護區管理處（局）森林防火全天候監測的業務需要（圖1）。

4.2 系統功能需求

4.2.1關于林火、煙霧、定位系統監控的林區圖像清晰可辯，能夠在第一時間智能識別林火，智能監控系統能夠精確定位火點位置，并能自動報警（圖2）。

本設備具有以下特點：內置可見光攝像機和熱成像機，實現全天候監控;可見光攝像設備配備電動變焦鏡頭，具有連續變焦，自動聚焦功能，利于觀看目標細節;熱成像采用國際先進的微熱焦平面探測器，像素高，實現黑夜環境中發現目標，探測火情。

4.2.2 關于火情推演

能夠根據當前火點的位置、風向、溫度、濕度、地表溫度、植被等信息動態推演火災蔓延的方向、面積、速度及強度[2]，為撲火指揮提供科學的決策依據。

4.2.3 滅火方案的生成

火情經過圖像識別軟件確認后，經過計算機的運算、對照歷年來的滅火數據、方案，結合當前的火情實際情況，產生幾套相對較好的滅火輔助決策方案，供決策者判斷之用。

5 保護區現場背景分析

不同季節、不同的時間段，保護區管轄區域的自然環境經常呈現出迥異的現象，比如，同一天24小時內：上午天空晴朗，午后雷雨交加，晚上由于急流成災造成山體滑坡。在這樣的背景下，對信息采集前端設備來講是一個重大的考驗：一方面要保證設備的供電不能中斷，另一方面要保證信息采集的前端設備不受晝夜溫差、潮濕影響，還能夠有效避免雷擊。事實上，有相當數量保護區的監測設備受雷擊和雨淋的損害而不能正常工作。此外，野外的設備要避免被人為損毀和偷盜，因此每一臺監測設備應附帶有定位等防偷盜功能。

6 討論和結論

6.1 討論

將森林防火的日常工作進行模塊化，并在模塊化的基礎上，利用目前通用的大數據技術、人工智能技術、計算機技術等構件一個效用高、代碼可移植、可擴展的森林防火監測體系。對火苗的判斷準確率務必達到95%以上，能夠持續追蹤火苗的下一步發展態勢，并能夠運用知識庫知識規則來對比和判斷火情，為森林防火的各級決策機構提供科學的滅火方案，為決策者提供現場滅火力量的分配輔助支撐。

為落實《廣東省森林防火規劃（2017 - 2025年）》的責任目標，本森林防火監測預警系統按照層級進行建設，從將基層林場的場部、工區等收集林火信息的觸點、到基層林業局、管理局，再到省林業局，打造成一個融合了“3S”技術、大數據技術、圖形圖像技術、多媒體技術、云端數據庫、模式識別與人工智能技術等多種技術和平臺“金字塔”形的集成系統。

6.2 結論

與通過嘹望臺來觀測和林火衛星監測系統相比，智能林火監測系統觀察效果具有如下優點，如表1所示。

對比上述3種方式，智能林火監測系統的具有識別精準、反饋時間短、不受自然環境影響、極大的降低保護區管理人員的防火作業強度、提升保護區的管理效能等優點。

此外，從表1可以看出，該監測系統能夠覆蓋保護區轄區內的所有區域火情信息采集，且由于采用了“空、天、地”三位一體融合方法，因而，即便是復雜的地形、多變的氣候同樣也能進行監測和信息采集工作。

秋冬季節，天干物燥，廣東省自然保護區由于生態環境優良，故林區人為活動很頻繁，有野炊，也有煙頭亂扔的現象，存在著極大的火患，森林防火任務相當嚴峻。因此設立廣東省級自然保護區林火遠程的智能監測系統的工作十分迫切。

致謝：本文寫作過程中得到了廣東省林業系統各級部門的領導和同事幫助，在此一并致謝。

參考文獻：

[1]舒立福，田曉瑞.國外森林防火工作現狀及展望[J].世界林業研究，1997（2）：29-37.

[2]唐曉燕，孟憲宇，易浩若，林火蔓延模型及蔓延模擬的研究進展[J].北京林業大學學報，2002（1）：87-91.

[3]舒立福，田曉瑞，寇曉軍，林火研究綜述（I）——研究熱點與進展[J].世界林業研究，2003（3）：37-40.

[4]萬魯河，劉萬宇，臧淑英，森林防火輔助決策支持系統的設計與實現[J].管理科學，2003（3）：21—24.

[5]陳斌鋒.林火自動識別報警系統研建[J].森林防火，2015（2）：41-44.

[6]黃冠霖，朱同林.基于聚類方法的植物葉片色彩仿真[J].計算機仿真，2016，33（1）：365～368.

收稿日期：2019-11-21

作者簡介：李友余（1976-）.工程師，主要從事自然保護區資源管理。

通訊作者：唐遠強（1975-），科技咨詢師，博士研究生，研究方向為機器學習、生態污染環境治理、環境系統規劃等。