新型森林火情預警監控系統設計探析

楊燕麗 范 超 李 穎 張 威 張 烈 韓仁江

(成都工業學院，四川 成都 611730)

0 引言

火災是破壞森林最為嚴重的自然災害。森林中出現火災不僅會破壞植被，還會對其他生物造成危害，降低森林的再生能力。一般而言，森林火災范圍廣，撲救難度大。因此，將火勢止于萌芽初期顯得尤為重要。隨著科技水平日益發展，利用信息技術預防森林火災具有重要意義。

1 森林火災現狀

目前，森林火災已經成為生態系統危害較大的自然災害之一。我國因為地形復雜，森林分布較廣，森林火災也頻繁發生。近年來，人為活動導致火災的事情時常發生，人為因素森林起火約占95%。而全世界每年平均火災將近20萬余次，燃燒的森林面積占總數的百分之一以上，而中國森林火災面積約占5%以上。因此，如何防范森林火災是全球面臨的主要問題之一。

2 國內外森林火災預警的主要方式

隨著計算機系統迅速發展，全世界范圍內對森林火災預警系統已經有了越來越多的預警系統。國內外許多研究者就森林火災預警問題，提出了途徑及方法，旨在獲得行之有效的可行性價值。

2.1 國外森林防火技術

國外森林防火技術種類繁多，其中林火預警包含火險天氣預報、林火發生預報以及林火行為預報三種。德國采用FIRE-WATCH自動預警森林火災系統。美國主要采用紅外遙感火災預警飛機巡邏以及護林飛機對森林火災進行預警。利用衛星可在距離地面八百千米的位置，圍繞地球探測森林范圍地面的溫度以及煙霧進行檢測。無人駕駛的林火預警飛機能夠做到24小時適時監測，雖然在森林火災預警方面防范效果較好，但資金耗費也相對較多。利用衛星可通過發射電磁射線對森林地區的溫度進行監測，當檢測到某一地區的溫度上升超過150℃時，紅外線波長就會達到3.7微米，預示著該地區火災險情。

2.2 國內森林防火技術

2.2.1 地面巡護

地面巡護，主要任務是宣傳群眾，控制人為火源，深入瞭望臺觀測的死角進行巡邏。對來往人員及車輛，野外生產和生活用火進行檢查和監督。存在的不足是巡護面積小、視野狹窄、確定著火位置時，常因地形地勢崎嶇、森林茂密而出現較大誤差；在交通不便、人煙稀少的偏遠山區，無法進行地面巡護，需用各種交通工具費用及人員工資費用，只能用視頻監測方法來彌補。

2.2.2 瞭望臺監測

瞭望臺監測是指通過一個方向來監測林火的發生情況，從而確定火災發生的大致位置及火勢范圍，探測范圍較廣，且準確性較高。倘若遇到偏遠的森林地區就不能夠設置瞭望臺，由于該監測設備觀察受到地勢限制，覆蓋面就小，容易出現空白、觀察不到的現象，甚至當火場出現大面積燃燒時仍無法觀察。另外，瞭望臺需要依靠瞭望員的經驗以及專業的方法進行監測，且準確性較低。由于瞭望員觀測時所處位置較高，常常會面臨雷電擊、野生動物攻擊的威脅。

2.2.3 航空巡護

通過飛機對森林火災進行監測。飛機探測范圍較大且機動性強、速度較快，對火場范圍能夠做到實時觀察，并能及時采取相應的撲救措施。但是當遇到夜間、能見度較低的天氣時，由于時間范圍及航線的限制，觀察范圍就會明顯縮小。倘若由于天氣的原因錯過觀察的最佳時機，又恰好火災出現就會釀成大禍。另外飛機飛行成本較高，需要設置定點的視頻來監測，彌補飛機受天氣影響的不足。

3 多層級多樣化的森林火災預警系統

3.1 系統原理

森林火災預警系統主要是通過溫度以及無線網絡模塊運用到檢測系統中。利用信號傳遞，以數據的形式接收溫度以及無線網絡傳送到基站節點的每個子網上面。而每個子網節點上由多個傳感器構成，通過網絡連接的形式，實現通信的目的。首先，系統初始化時，GPS節點首先初始化自身位置信息，再加入網絡系統，從而形成一個完整的無線傳感網絡系統，并處于監測狀態。當一個子節點采集到火情預警數據時，就會經過多跳錄像基站節點傳輸數據。某一節點通過網絡向遠程控制中心發出火警預警信號時，這個過程大大節約了成本，提高了效率，使得預警設施為零的森林上鋪設傳感器監測成為可能，還可以將發現火情的具體位置以及溫度通過多條路傳到相應的基站節點。隨后基站節點再通過基站網絡向遠程控制中心發送火情消息，演成控制中心在接受到信息之后進行數據分析，以確定火災發生的地點，從而為森林防火員提供重要的技術支持，在無需人多干涉的情況下，既能夠節約成本，又能夠提高火情發現的準確性及監控能力，為實現林業跨越式發展，保護生態環境提供有力保障。

3.2 系統特點

本次系統設計的森林防火報警系統主要由總控系統、傳輸以及監測節點系統組成。系統建設具有以下功能：

(1)連續不間斷：一整天不間歇，能夠實時反映檢測區域情況，有問題可及時反饋。

(2)語音偵測系統：有異樣便會通過指示燈進行警示，監察員通過燈色(紅、黃、藍、綠)掌握監測區域火情狀況，并能通過系統語音播報掌握前方狀況。

(3)GIS管理系統：該系統是GPS與地圖的結合，監測員能夠通過GIS管理系統掌握起火地點位置以及火勢，并根據系統狀況組織人員及時擴散，綜合信息做出相應的決策。

(4)林火定位功能：該功能原理是，接借助前端采集數字的云臺對每個指定位置的監控點的信息進行編碼，并將具體位置信息坐標直接綁到相應的電子地圖，這樣指定位置就會向云臺傳送信息，通過數字坐標模型，進行定位及人工定位。

(5)太陽能供電：該供電設計，充分響應了國家綠色、協調的理念，太陽能供電既節約環保，且在系統組建時期能夠大量節約人力、物力、財力的成本；值得一提的是組裝簡單、小巧，且使用期限長，由于是無電纜式，所以不用考慮距離問題。

(6)視頻采集圖像：該視頻界面簡單易懂，美觀清晰且易被人操控。當防火員登錄到某個系統權限時，就會自動分配到相應的模塊，而將菜單去除多余的版面。例如，當森林發生火災時，就會在視頻上演示火災著火的動畫，通過動態的形式把著火的消息傳遞給終端，從而實現實時播報的目的。這種特點能夠在科學上直觀的通過云平臺將圖像傳遞給防火員，并且能夠時時反復播放。

(7)資源管理：該系統能夠整合資源，將撲火車數量、人員以及物資等多個方面數據進行管理。

(8)防雷接地系統：該裝置具備防電防雷功能，即便遇到雷雨天氣也可以起到接地保護作用，使得裝置正常使用。

(9)提供協助信息：該軟件能夠通過以往火情發生情況，根據當地天氣狀況、保護對象以及現有資源為決策者提供輔助信息。

(10)達到緊急指揮服務：通過數據分析判斷當地火情，并根據定位調撥附近區域的人員、車間，從而做好實時監控。

(11)評估火災：在火災發生后，進行火情備案處理，并對火災造成的損失進行評估，評估內容包含：①通過視頻或圖片查看要保護的對象，根據視頻或圖片估算火災造成的各項損失；②火情識別報警：監測區域一旦出現火點，就會通過系統識別判斷，從而提醒觀看視頻的監測員及時掌握火點情況以采取相應措施。

(12)三維電子沙盤功能：包含三維林火標繪、地圖瀏覽、檢索、圖例控制、三維標注控制、三維飛行模擬、維地圖輸出、圖層控制、三維林火定位、三維最佳路徑、三維地圖上矢量信息疊加以及同步顯示等。

(13)其他特點：能夠防震動、抗壓且防塵，不會受到天氣的影響，專門為露天、偏遠地區及高寒地段設計。

3.3 系統任務

3.3.1 物聯網技術

該項目主要是通過GPRS鏈路為無人機站與服務器之間進行網絡連接，傳輸速率較高，但無人機發現火情時，就會通過GPRS系統發到無人機站進行數據分析，隨后將火情信息發送到相關服務器并能在管理人員的手機上面形成畫面。此時管理人員就能夠適時了解到附近發生的著火點，而后臺的管理人員就能夠通過物聯網技術準確掌握整個森林生態系統的運行，從而達到遠程發出控制指令的目的。

3.3.2 無人機自動巡航技術

該項目在借鑒已有森林火災預警的基礎之上，采用攜帶火焰傳感器以及紅外傳感器對所覆蓋的森林區域定時巡航，通過反復不斷地實驗發現無人巡航技術能夠實現自主起飛、降落、規避障礙，從而實現全智能化。

3.3.3 煙霧及火焰信號檢測

煙霧信號監測是指當森林某一區域出現煙霧時，對煙霧進行監測也是一個重要的發展方向。經過反復實驗證明，氣敏傳感器與CCD圖像處理系統相互協同，能夠準確判斷煙霧在無人機站安裝煙霧信號傳感器能夠通過云平臺進行觀察。而火焰信號是指將紫外光譜信號以及紅外熱信號經過實驗反復檢測。該方案的靈敏度較高且抗干擾能力強，能夠準確識別火源達到預期效果。

4 結語

通過了解森林的火災現狀，掌握國內外現有的火災防控技術，突破原有的森林火災檢測、撲救技術，并在此基礎上為其設計合理的火災自動監控報警系統彌補傳統系統不足。驗證了溫度傳感器與無線網絡相結合運用到森林火災預警系統具有可行性。系統將視頻軟件、語音系統、錄像識別系統以及報警系統功能相結合的方式通過無線網絡信號傳遞的形式，形成數據報表發送到防火員所轄的系統平臺上，以提高實用性，從而對森林實現防護作用。