廣東省自然保護區(qū)森林資源防火智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)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(yù)防環(huán)節(jié)。通過運用現(xiàn)代先進的視頻監(jiān)測儀器、模式識別技術(shù)、圖形圖像技術(shù)和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，構(gòu)建一個高可靠性、智慧型的省級森林防火監(jiān)測系統(tǒng)，能夠自動識別林火的火源、判斷火勢走向，并根據(jù)火情發(fā)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(guān)鍵詞：省級自然保護區(qū);森林;火災(zāi);監(jiān)測;設(shè)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(zāi)是造成森林資源重大損失和全球性的環(huán)境污染的毀滅性災(zāi)害之一[1]，它具有災(zāi)害發(fā)生隨機性以及對生產(chǎn)、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(tài)[2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)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(yè)系統(tǒng)自然保護區(qū)森林智能防火信息化建設(shè)所遇到的各種需求，構(gòu)建一個以防為主，行動迅捷、分工明確、協(xié)同作戰(zhàn)的森林防火指揮系統(tǒng)。本項目作為森林防火指揮系統(tǒng)的“耳目”，顯得尤為重要。

2 研究背景

2.1 基礎(chǔ)平臺已經(jīng)搭建好：國家林業(yè)信息技術(shù)快速發(fā)

展，為本項目的實施打下了堅實基礎(chǔ)

2020年是全面實現(xiàn)小康的關(guān)鍵年，意味著“十三五”規(guī)劃目標成功實現(xiàn)。2019年11月8日，曹福亮院士在中國林學(xué)會年會上著重指出，農(nóng)業(yè)人工智能在農(nóng)業(yè)信息化的基礎(chǔ)上，已經(jīng)邁人了智能時代。同時，他也認為林業(yè)也可以運用大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)實現(xiàn)林業(yè)信息化的總目標，即智慧林業(yè)。

2.2 保護區(qū)現(xiàn)實需要：廣東省級自然保護區(qū)森林資源

防火形勢嚴峻

省級自然保護區(qū)秋冬季節(jié)天氣持續(xù)晴朗干燥，林內(nèi)可燃物堆積，容易燃燒，加上大部分林區(qū)滅火用水資源不足，故一旦發(fā)生火災(zāi)，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(fā)生的主要原因。據(jù)廣東省森林防火部門的初步統(tǒng)計，每天上午10點至下午6點是火災(zāi)的易發(fā)時間段，這期間，村民在農(nóng)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(qū)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(zāi)充分準備，隨時進入防火臨戰(zhàn)狀態(tài)之外，保護區(qū)管理處應(yīng)在國家衛(wèi)星林業(yè)遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺基礎(chǔ)上，推進“云計算平臺、高清視頻、北斗示范、生態(tài)大數(shù)據(jù)”等項目標準建設(shè)，為全面提升林業(yè)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(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計過程中，應(yīng)當要貫徹易用、前瞻、兼容、規(guī)范、先進和可擴展的六大原則，將系統(tǒng)構(gòu)建成一個集成、嚴謹?shù)拇笙到y(tǒng)，以便后續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)在建設(shè)過程中能夠找到相應(yīng)的技術(shù)標準和相關(guān)規(guī)定。

3 項目實施的技術(shù)保障

根據(jù)廣東省自然保護區(qū)的實際情況，因地制宜，構(gòu)建符合保護區(qū)管理機構(gòu)自身工作體系的森林防火動態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)，本系統(tǒng)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(tǒng)，實現(xiàn)省、市、縣（保護區(qū)管理局）三級的防火部門在防火預(yù)防、滅火等環(huán)節(jié)動態(tài)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(yù)報的準確率。利用“3S技術(shù)”和大型集中監(jiān)控技術(shù)，結(jié)合林業(yè)領(lǐng)域知識和本系統(tǒng)防火數(shù)據(jù)，建立林業(yè)“空、天、地”三維一體化的防火指揮系統(tǒng)[3-6]。

4 廣東省省級自然保護區(qū)林火智能監(jiān)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能、需求分析

4.1 業(yè)務(wù)功能分析

廣東省省級自然保護區(qū)林火智能監(jiān)控系統(tǒng)作為廣東省森林防火工作的基礎(chǔ)支撐，發(fā)揮著舉足輕重的作用。本系統(tǒng)作為國家級（省級）自然保護區(qū)管理處林火防御技術(shù)，可以分為三種類型的業(yè)務(wù)：常態(tài)業(yè)務(wù)、非常態(tài)業(yè)務(wù)及介于常態(tài)與非常態(tài)的業(yè)務(wù)。基本可以滿足保護區(qū)管理處（局）森林防火全天候監(jiān)測的業(yè)務(wù)需要（圖1）。

4.2 系統(tǒng)功能需求

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

本設(shè)備具有以下特點：內(nèi)置可見光攝像機和熱成像機，實現(xiàn)全天候監(jiān)控;可見光攝像設(shè)備配備電動變焦鏡頭，具有連續(xù)變焦，自動聚焦功能，利于觀看目標細節(jié);熱成像采用國際先進的微熱焦平面探測器，像素高，實現(xiàn)黑夜環(huán)境中發(fā)現(xiàn)目標，探測火情。

4.2.2 關(guān)于火情推演

能夠根據(jù)當前火點的位置、風(fēng)向、溫度、濕度、地表溫度、植被等信息動態(tài)推演火災(zāi)蔓延的方向、面積、速度及強度[2]，為撲火指揮提供科學(xué)的決策依據(jù)。

4.2.3 滅火方案的生成

火情經(jīng)過圖像識別軟件確認后，經(jīng)過計算機的運算、對照歷年來的滅火數(shù)據(jù)、方案，結(jié)合當前的火情實際情況，產(chǎn)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(qū)現(xiàn)場背景分析

不同季節(jié)、不同的時間段，保護區(qū)管轄區(qū)域的自然環(huán)境經(jīng)常呈現(xiàn)出迥異的現(xiàn)象，比如，同一天24小時內(nèi)：上午天空晴朗，午后雷雨交加，晚上由于急流成災(zāi)造成山體滑坡。在這樣的背景下，對信息采集前端設(shè)備來講是一個重大的考驗：一方面要保證設(shè)備的供電不能中斷，另一方面要保證信息采集的前端設(shè)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(shù)量保護區(qū)的監(jiān)測設(shè)備受雷擊和雨淋的損害而不能正常工作。此外，野外的設(shè)備要避免被人為損毀和偷盜，因此每一臺監(jiān)測設(shè)備應(yīng)附帶有定位等防偷盜功能。

6 討論和結(jié)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(chǔ)上，利用目前通用的大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、計算機技術(shù)等構(gòu)件一個效用高、代碼可移植、可擴展的森林防火監(jiān)測體系。對火苗的判斷準確率務(wù)必達到95%以上，能夠持續(xù)追蹤火苗的下一步發(fā)展態(tài)勢，并能夠運用知識庫知識規(guī)則來對比和判斷火情，為森林防火的各級決策機構(gòu)提供科學(xué)的滅火方案，為決策者提供現(xiàn)場滅火力量的分配輔助支撐。

為落實《廣東省森林防火規(guī)劃（2017 - 2025年）》的責(zé)任目標，本森林防火監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)按照層級進行建設(shè)，從將基層林場的場部、工區(qū)等收集林火信息的觸點、到基層林業(yè)局、管理局，再到省林業(yè)局，打造成一個融合了“3S”技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、圖形圖像技術(shù)、多媒體技術(shù)、云端數(shù)據(jù)庫、模式識別與人工智能技術(shù)等多種技術(shù)和平臺“金字塔”形的集成系統(tǒng)。

6.2 結(jié)論

與通過嘹望臺來觀測和林火衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)相比，智能林火監(jiān)測系統(tǒng)觀察效果具有如下優(yōu)點，如表1所示。

對比上述3種方式，智能林火監(jiān)測系統(tǒng)的具有識別精準、反饋時間短、不受自然環(huán)境影響、極大的降低保護區(qū)管理人員的防火作業(yè)強度、提升保護區(qū)的管理效能等優(yōu)點。

此外，從表1可以看出，該監(jiān)測系統(tǒng)能夠覆蓋保護區(qū)轄區(qū)內(nèi)的所有區(qū)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(fù)雜的地形、多變的氣候同樣也能進行監(jiān)測和信息采集工作。

秋冬季節(jié)，天干物燥，廣東省自然保護區(qū)由于生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，故林區(qū)人為活動很頻繁，有野炊，也有煙頭亂扔的現(xiàn)象，存在著極大的火患，森林防火任務(wù)相當嚴峻。因此設(shè)立廣東省級自然保護區(qū)林火遠程的智能監(jiān)測系統(tǒng)的工作十分迫切。

致謝：本文寫作過程中得到了廣東省林業(yè)系統(tǒng)各級部門的領(lǐng)導(dǎo)和同事幫助，在此一并致謝。

參考文獻：

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[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(qū)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(xué)習(xí)、生態(tài)污染環(huán)境治理、環(huán)境系統(tǒng)規(guī)劃等。