湖北森林防火監(jiān)測預(yù)警云平臺建設(shè)技術(shù)研究

袁傳武 張 維 王崇順 趙 虎 張 鵬 劉先貴

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 武漢 430075；2.湖北泰龍互聯(lián)通信股份有限公司 武漢 430072)

森林火災(zāi)突發(fā)性強、破壞性大、處置撲救較困難。林火在森林內(nèi)自然蔓延和擴展，不僅造成人員傷亡、森林資源和經(jīng)濟損失，而且造成環(huán)境污染和非常不利的社會影響。尤其是當(dāng)前，全球氣候變暖、高溫干旱等極端天氣頻發(fā)，森林火災(zāi)特別是重大火災(zāi)發(fā)生的可能性隨之增大，使森林資源銳減形勢更為嚴(yán)峻。如何控制和預(yù)防森林火災(zāi)，已受到各國政府、專家學(xué)者的高度重視和越來越多的關(guān)注。

傳統(tǒng)的森林火災(zāi)視頻監(jiān)控主要是應(yīng)用視頻、圖形圖像等技術(shù)監(jiān)控火災(zāi)的發(fā)生,并及時發(fā)出警報，這種方式存在著不完善、預(yù)報結(jié)果不準(zhǔn)確等缺點。而通過物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、熱成像視頻監(jiān)控技術(shù)實時感知森林環(huán)境中的真實數(shù)據(jù)讓森林火險預(yù)警更加有效,同時還能實現(xiàn)對重點林區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生的精準(zhǔn)預(yù)警,以及發(fā)生火災(zāi)之后火災(zāi)蔓延預(yù)測和火災(zāi)損失評估。國內(nèi)的一些專家學(xué)者開展了相關(guān)研究，在一定程度上提高了林火科學(xué)管理和撲救的水平，具有一定的可操作性和應(yīng)用價值，但這些平臺部分還存在著占用內(nèi)存資源較高、運行較緩慢和研發(fā)成本較高等問題，有待進一步調(diào)試與改善[1-8]。利用云技術(shù)開發(fā)森林防火平臺目前未見報道。本研究采用物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，建立了一體化綜合森林火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警和應(yīng)急指揮云平臺，實現(xiàn)了森林火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警的信息化和智能化。

1 建設(shè)必要性

湖北位于我國中部，生態(tài)戰(zhàn)略地位十分重要。湖北的森林資源對于湖北乃至長江流域經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善、保護具有極其重要的作用。湖北是我國火災(zāi)危害較嚴(yán)重地區(qū)，森林過火面積年均居全國前十。據(jù)統(tǒng)計，僅2016年上半年，全省共發(fā)生森林火災(zāi)211起，過火面積875.46 hm2，受害森林面積166.66 hm2，受害率為0.072‰。與2015年同期相比，火災(zāi)起數(shù)、過火面積、受害森林面積分別上升220%、203%、465%。

另據(jù)全省森林資源連續(xù)清查第七次復(fù)查結(jié)果顯示，湖北森林資源進入了數(shù)量增長、質(zhì)量提升的穩(wěn)步發(fā)展時期。森林資源總量的持續(xù)增長，特別是神農(nóng)架等重點林區(qū)可燃物載量持續(xù)增加，導(dǎo)致部分地區(qū)可燃物載量每公頃已經(jīng)高達(dá)50～60 t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出國際公認(rèn)的發(fā)生重特大森林火災(zāi)的30 t臨界值，一旦發(fā)生火災(zāi)，極易成災(zāi)。加之森林旅游發(fā)展迅速，進入林區(qū)的人員逐年增多，導(dǎo)致野外火源管理極其困難，火災(zāi)隱患不斷增加，森林防火預(yù)警監(jiān)測難度加大，極易引發(fā)重特大森林火災(zāi)。

當(dāng)前，全省森林防火設(shè)備設(shè)施相對落后、監(jiān)測預(yù)警手段滯后、撲救手段不夠科學(xué)。在這樣的條件下，火災(zāi)的高發(fā)生率不僅帶來了巨大的經(jīng)濟損失，造成森林資源的嚴(yán)重流失，甚至影響了生態(tài)環(huán)境，同時也暴露出我省森林防火及時預(yù)警預(yù)報難、護林巡查職守難、及時組織撲救難、現(xiàn)場指揮調(diào)度難的突出問題。將火災(zāi)的防治和撲救控制在火災(zāi)發(fā)生的初始階段，減少森林火災(zāi)撲救指揮的不確定性和盲目性，減少森林火災(zāi)的損失，提高湖北各級林業(yè)政府部門處置和防控突發(fā)森林火災(zāi)事件的能力，提高森林火災(zāi)撲救效率，成為解決森林防火主要問題的關(guān)鍵。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)正成為推動森林防火科技化、智能化轉(zhuǎn)型升級的新動力。為從根本上提高火災(zāi)預(yù)防和撲救森林火災(zāi)的綜合能力，建立行之有效的省市縣一體化的森林防火監(jiān)控預(yù)警體系，及時防火報警、迅速分析判斷，擴大森林防火的監(jiān)視面，提高滅火人員的反應(yīng)速度和決策指揮能力，成為森林防火預(yù)警技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要方向。

因此，采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和網(wǎng)格化管理技術(shù)等現(xiàn)代化高科技手段，建設(shè)省-市-縣一體化森林火災(zāi)網(wǎng)絡(luò)化預(yù)警云平臺，24小時全天候?qū)α謪^(qū)進行預(yù)警監(jiān)控，通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控圖像及時發(fā)現(xiàn)林區(qū)火災(zāi)險情，能提高森林防火預(yù)警預(yù)報準(zhǔn)確度和及時性，有效推進湖北現(xiàn)代化森林防火工作，提升湖北森林防火綜合化管理水平。

《全國森林防火規(guī)劃(2016～2025 年)》指出，林火監(jiān)測是實現(xiàn)森林火災(zāi)“早發(fā)現(xiàn)”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并要求采用熱紅外成像探測技術(shù)、高清可見光視頻技術(shù)、智能煙火識別技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)森林火情24小時不間斷探測和自動報警，提升和增強新技術(shù)瞭望火情和及時發(fā)現(xiàn)火源的能力。因此，采用物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)進行科學(xué)、合理、經(jīng)濟的森林火災(zāi)預(yù)測預(yù)報研究，建立一體化綜合森林火災(zāi)監(jiān)控預(yù)警和應(yīng)急指揮平臺，實現(xiàn)火災(zāi)監(jiān)控的信息化和智能化，是當(dāng)前森林防火研究的主要發(fā)展方向。

2 技術(shù)路線

本研究主要運用視頻監(jiān)控技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能圖像識別技術(shù)、人臉識別技術(shù)、生物特征識別技術(shù)等，通過安裝在林區(qū)的視頻監(jiān)測站，人臉識別攝像機獲取監(jiān)控林區(qū)的實時紅外、可見光等影像信息和路口行人及護林員的人臉身份信息，利用圖像識別技術(shù)自動分析處理監(jiān)控區(qū)域的火情，并將圖像實時、清晰地傳輸?shù)缴址阑鹬笓]中心。同時在林區(qū)安裝火焰探測器、小氣象監(jiān)控站、可燃因子采集站、生物特征采集站等物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控設(shè)備，網(wǎng)格化監(jiān)控林區(qū)防范火情發(fā)生，并實時獲取林區(qū)的氣象參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，及早、及時、準(zhǔn)確掌握森林火情，結(jié)合GIS相關(guān)模型，實現(xiàn)林火監(jiān)測預(yù)警、火情蔓延趨勢分析、輔助決策、撲救指揮、災(zāi)后評估等功能。

選取雙目熱成像攝像機對森林防火區(qū)域進行監(jiān)控，選取火焰探測器安裝在森林防火重點區(qū)域，采用B/S架構(gòu)來構(gòu)建云平臺開發(fā)，采用原型法來確認(rèn)系統(tǒng)Web和客戶端UI界面，確認(rèn)審批后設(shè)計定稿。采用JAVA語言開發(fā)Web端后臺程序，采用JAVA語言開發(fā)Android移動客戶端。開發(fā)環(huán)境是Windows操作系統(tǒng)，采用Android Studio作為開發(fā)工具。發(fā)布環(huán)境采用云平臺，操作系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。基于監(jiān)控視頻廠家的SDK開發(fā)包和通信協(xié)議，開發(fā)基于Web的視頻查看和云臺操作界面。基于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備提供的通信協(xié)議和開放的接口來開發(fā)Web端設(shè)備監(jiān)控接收器，實現(xiàn)Web端和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)傳輸，并基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成移動客戶端獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)。通過光纖將視頻信號傳輸?shù)奖O(jiān)控中心服務(wù)器，通過無線傳輸技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆品?wù)器。通過顯示器將監(jiān)控視頻展示在監(jiān)控中心。技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

3 總體設(shè)計

3.1 架構(gòu)設(shè)計

云平臺采用三層架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)訪問層、平臺服務(wù)層和應(yīng)用層，具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 架構(gòu)設(shè)計

數(shù)據(jù)訪問層：存儲歷史防火數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)匯集數(shù)據(jù)、森林防火政策法規(guī)數(shù)據(jù)、報表及圖件數(shù)據(jù)、GIS空間數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)訪問中間件對服務(wù)層提供多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的訪問能力，通過高效數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)高效訪問的能力。

平臺服務(wù)層：提供數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù),用于處理森林防火相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)訪問、數(shù)據(jù)分析、報表生成、圖件制作等功能。提供WEB端應(yīng)用和移動端應(yīng)用的構(gòu)建平臺，該構(gòu)建平臺支持插件式、配置式、搭建式和共享式的開發(fā)模式，支撐應(yīng)用層業(yè)務(wù)系統(tǒng)能夠快速搭建完成。

平臺服務(wù)層是應(yīng)用層和數(shù)據(jù)訪問層之間的橋梁，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和傳遞。服務(wù)層將具體的業(yè)務(wù)抽象成服務(wù)，封裝成對應(yīng)的功能接口，供應(yīng)用層使用。服務(wù)接口是系統(tǒng)平臺對外所提供的訪問接口，采用RESTful API對外提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問接口，通過標(biāo)準(zhǔn)的OGC服務(wù)對外提供空間數(shù)據(jù)訪問的能力；支持分布式部署，通過服務(wù)平臺的分布式服務(wù)調(diào)度器實現(xiàn)對這些服務(wù)的分布式調(diào)用，達(dá)到支持高并發(fā)和高效數(shù)據(jù)訪問的目標(biāo)。

應(yīng)用層：通過平臺服務(wù)層提供的數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)以及應(yīng)用構(gòu)建框架，實現(xiàn)森林防火云平臺各端應(yīng)用系統(tǒng)的快速搭建。

3.2 大數(shù)據(jù)平臺設(shè)計

本平臺主要是森林資源大數(shù)據(jù)分析平臺，其模型如圖3所示。

圖3 大數(shù)據(jù)分析平臺

基礎(chǔ)設(shè)施層主要涵蓋計算資源、內(nèi)存與存儲和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，具體表現(xiàn)為計算節(jié)點、集群、機柜和數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)存儲和管理層主要包括文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和類似于YARN的資源管理系統(tǒng)。計算處理層，包括Hadoop MapReduce和Spark，以及在此之上的各種不同計算范式，如批處理、流處理和圖計算等，衍生出編程模型的計算模型如BSP，GAS等。數(shù)據(jù)分析和可視化基于計算處理層，主要包括簡單的森林?jǐn)?shù)據(jù)查詢分析、流分析以及更復(fù)雜的分析(如機器學(xué)習(xí)、圖計算等)。查詢分析基于森林?jǐn)?shù)據(jù)的表結(jié)構(gòu)和關(guān)系函數(shù)，流分析基于森林?jǐn)?shù)據(jù)、預(yù)警事件流以及火險火災(zāi)的簡單統(tǒng)計分析，復(fù)雜分析基于森林防火預(yù)警數(shù)據(jù)的更復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與方法，如圖、矩陣、迭代計算和線性代數(shù)。可視化是對森林防火預(yù)警分析結(jié)果的展示。通過交互式可視化，進行探索性地提問，使分析獲得新的線索，形成迭代的分析和可視化。基于森林防火大規(guī)模數(shù)據(jù)的實時交互可視化分析，以及在這個過程中引入自動化的因素，是當(dāng)前研究的熱點。

3.3 云平臺部署設(shè)計

根據(jù)規(guī)模和結(jié)構(gòu)體需求分為一般部署、私有云部署、公有云環(huán)境部署。本平臺采用Django authentication system安全認(rèn)證方式，同時采用Iptables或阿里云Web應(yīng)用防火墻有效的保證系統(tǒng)安全。

通過原始的機房部署形式，使用機房服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)連接，將PC端、移動端和服務(wù)器通訊連接在一起，需要龐大的網(wǎng)絡(luò)與機房維護資源。如圖4所示。

圖4 平臺本地部署

云端部署：將服務(wù)器放到云端，如阿里云、騰訊云等云服務(wù)器中，PC與移動端直接與云服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)連接，可減少大量的維護與管理資源。如圖5所示。

圖5 云端部署

3.4 存儲架構(gòu)設(shè)計

本平臺采用分布式存儲架構(gòu)，具有很強的伸縮性，其性能和容量能夠同時拓展。

圖6 云平臺分布式存儲架構(gòu)

云平臺分布式存儲架構(gòu)由三個部分組成：數(shù)據(jù)服務(wù)器、元數(shù)據(jù)服務(wù)器和客戶端。由客戶端發(fā)送讀寫的請求，緩存文件數(shù)據(jù)與文件元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)管理元數(shù)據(jù)和處理客戶端的請求，是整個系統(tǒng)的核心組件。數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)存放文件數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的可用性和完整性。分布式存儲分為塊存儲、文件存儲、對象存儲。如圖6所示。

4 功能設(shè)計及實現(xiàn)

采用云服務(wù)構(gòu)建云平臺，采用JAVA語言開發(fā)Web端后臺程序，開發(fā)環(huán)境是Windows操作系統(tǒng)，采用Android Studio作為開發(fā)工具，發(fā)布環(huán)境采用云平臺。云平臺為應(yīng)用開發(fā)提供云端服務(wù)，而不用建造自己的客戶端基礎(chǔ)設(shè)施，為開發(fā)者提供了穩(wěn)定的開發(fā)環(huán)境。B/S架構(gòu)即瀏覽器/服務(wù)器模式，這種模式將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用。在省、市、縣各級指揮中心的電腦上只要安裝一個瀏覽器，即可通過IP地址訪問預(yù)警監(jiān)控信息頁面，并根據(jù)省、市、縣不同角色分配不同的帳號權(quán)限，不同權(quán)限的帳號登錄預(yù)警監(jiān)控頁面將呈現(xiàn)不同的預(yù)警信息內(nèi)容。上級單位可以通過平臺實時查看下級單位的監(jiān)控預(yù)警狀況，而下級單位的帳號只能查看他所在區(qū)域的預(yù)警監(jiān)控信息。通過一個平臺不同權(quán)限帳號的方式，實現(xiàn)了省、市、縣一體化森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警云平臺。如圖7、圖8所示。

圖7 云平臺體系功能架構(gòu)

圖8 云平臺三層應(yīng)用架構(gòu)

云平臺按區(qū)域分為省、市、縣級用戶等，省級用戶平臺分為監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)、統(tǒng)計系統(tǒng)、資源系統(tǒng)；省級用戶擁有最高權(quán)限，可看到全省各地市州的森林防火監(jiān)控預(yù)警狀況 。市級用戶平臺也分為監(jiān)控系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)、統(tǒng)計系統(tǒng)、資源系統(tǒng)；但市級用戶只能看到市所轄區(qū)域的森林防火監(jiān)控預(yù)警狀況。縣級用戶平臺分為預(yù)警系統(tǒng)、指揮系統(tǒng)、追責(zé)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)，縣級用戶是森林防火的一線單位，其平臺功能結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 云平臺用戶功能圖

為滿足湖北森林防火需求設(shè)計構(gòu)造，省級用戶監(jiān)控系統(tǒng)分為視頻監(jiān)控、氣象監(jiān)控、火情監(jiān)控等功能，預(yù)警系統(tǒng)功能包括預(yù)警次數(shù)、預(yù)警位置、預(yù)警級別、天氣級別等功能，統(tǒng)計系統(tǒng)功能包括火情統(tǒng)計、森林面積、森林覆蓋率、瞭望覆蓋率等功能，資源系統(tǒng)功能包括防火物資、預(yù)案管理、系統(tǒng)管理等功能，功能結(jié)構(gòu)如圖10～13所示。

圖10 云平臺省級功能結(jié)構(gòu)圖

圖11 省級預(yù)警功能

圖12 市級預(yù)警功能

圖13 九峰國家森林公園預(yù)警功能

通過在森林區(qū)域安裝氣象監(jiān)測站、可燃因子采集站、生物特征識別采集站等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實時監(jiān)測林區(qū)的氣象條件、可燃因子參數(shù)、植物的生物特征數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳到平臺，通過大數(shù)據(jù)分析出哪些環(huán)境參數(shù)及條件下，容易發(fā)生火災(zāi)，并發(fā)生預(yù)警。此外，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度等氣象數(shù)據(jù)的監(jiān)測，通過大數(shù)據(jù)可以分析出火災(zāi)蔓延的趨勢。如圖14～16所示。

圖14 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能

圖15 歷史氣象曲線圖

圖16 林火蔓延趨勢圖

5 結(jié)論

湖北森林防火網(wǎng)格化監(jiān)測預(yù)警云平臺以計算機網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以森林資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、防火信息為數(shù)據(jù)源，遵照國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及規(guī)范對森林防火相關(guān)數(shù)據(jù)進行科學(xué)地存儲與管理，實現(xiàn)快速的森林?jǐn)?shù)據(jù)采集、校驗、建庫、查詢、檢索、更新、統(tǒng)計、輔助決策以及資源共享等，實現(xiàn)將大規(guī)模的、動態(tài)變化的森林防火基礎(chǔ)資料轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的、可操作的、可共享的信息資源，為森林防火監(jiān)控提供了現(xiàn)勢性、高精度的數(shù)據(jù)，使全省各級部門森林防火信息互聯(lián)互通，形成全省一體化的森林防火云平臺，為森林防火提供決策支持信息，為相關(guān)部門和社會各界提供不涉密的數(shù)據(jù)共享。

(1)本平臺提供日常火災(zāi)監(jiān)控，減少火災(zāi)發(fā)生的可能性，并能在火災(zāi)發(fā)生的第一時間，及時做出警報，為森林防火指揮提供實時、準(zhǔn)確的火災(zāi)現(xiàn)場情況以及防火人力資源、物力資源、交通資源、水資源信息等各種信息；有效縮短撲火時間，及時控制火災(zāi)蔓延，減少火災(zāi)面積，實現(xiàn)有效的保護森林資源和維護生態(tài)環(huán)境，減少因森林火災(zāi)所造成的停工、停產(chǎn)、停業(yè)等社會不良影響。有利于完善我省森林防火預(yù)警監(jiān)測體系，提高火險預(yù)警模型適用性及預(yù)報準(zhǔn)確率。

(2)通過對現(xiàn)有的森林防火信息平臺的整合， 引入新的云平臺模式，運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，創(chuàng)新了表現(xiàn)形式，有效解決了森林火災(zāi)撲救過程中的信息發(fā)布不統(tǒng)一協(xié)調(diào)、監(jiān)測圖像處理不及時、傳輸格式不統(tǒng)一、各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)不兼容、無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息共享和指揮過程滯后的問題。有利于提高我省森林防火信息化、智能化水平和應(yīng)急指揮能力。

(3)通過云平臺的建設(shè)，進一步提高透明度和森林防火部門的社會形象，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)加強各級領(lǐng)導(dǎo)及群眾與森林防火工作的聯(lián)系，加大對同級部門和下級部門共同履行森林防火工作職能的檢查監(jiān)督力度，促使各級政府領(lǐng)導(dǎo)重視支持森林防火工作，使防火工作措施得到進一步落實，進一步提高林業(yè)部門的社會地位與影響力。有利于提升我省林業(yè)部門的社會地位和依法治火水平。