多光譜森林防火系統在大青山的設計與應用

郝儀萱

（呼和浩特市林業和草原局新城分局，內蒙古 呼和浩特 010010）

1.設計背景

習近平總書記一直在強調“綠水青山就是金山銀山”的發展理念，由此可見，生態興則文明興，生態衰則文明衰。黨的十八大將生態文明建設放在治國理政的重要戰略位置，我國的社會主義“五位一體”總體布局中也增加了生態文明建設的內容。黨的十九大，重點強調了生態文明建設，并作出了新論斷，提出了新要求，強調必須堅持人與自然和諧共生，統籌山水林田湖草治理，建設美麗中國。

森林，作為一種可貴的自然資源，不僅產生直接的經濟效益，更會帶來不可比擬的生態效益?？墒?，森林火災是目前全球發生范圍最大、危害性最高、救助難度最大的一類自然災害，其不僅會對森林資源帶來毀滅性打擊，還會對國家的生態安全帶來危害，直接威脅著國家森林資源安全和生態文明建設的成果。一旦居民區、森林與農田交叉的地方發生這類自然災害，會對糧食、房屋及畜牧帶來不可估量的影響。一旦出現森林火災，需要大量的消防人員前往消滅火災，避免人力和物力的浪費，影響到正常的生產勞動，還會對居民的生命安全帶來威脅。

2012年，呼和浩特市新城區啟動了大青山前坡生態保護綜合治理工程。經過九年的植樹護綠，全區林草管護面積達80.6萬畝，大青山前坡更在短短幾年內新增林地面積近14萬畝，豐富的森林資源已成為新城區改善生態環境、加快經濟發展和旅游開發的重要組成部分。

大青山林業生產的持續健康發展，在生態建設、農民增收等方面發揮重要作用的同時，也給森林防火工作提出了更高要求，帶來了更艱巨、更繁重的任務。為從根本上消除火災隱患，最大限度地減少森林火災的發生，迫切需要采用新的技術手段為森林火災檢測、預警、撲救、災后評估等決策提供技術支撐和服務，同時也需要兼顧樹木砍伐、野生動物偷獵等常見問題的管控。因此，建設一套先進的火災監測綜合管理系統就顯得尤為重要。

2.設計目標

通過利用多光譜紅外熱成像熱感應技術和煙火智能檢測算法，全面監控新城區大青山前坡數公里范圍內的森林資源，采取智能森林防火預警模式，能夠掌握森林資源的各項情況，利用智能化與自動化設備對大青山前坡森林資源火宅進行監控、報警和定位。在實現森林防火智能化、可視化的同時，促進林業資源管理、護林員巡護及應急調度等多方面業務的融合管理，打造一體化、全方位、全天候的智慧林業。

3.系統設計

在新城區大青山段的山體制高點，建設完成光譜火險預警監測雷達站點和信息指揮中心，選用高清變焦攝像機架設在生態觀測臺上，實現全區生態監測預警全覆蓋。使森林和草原管護區內預警和監控全方位無死角，構建地面管護人員瞭望巡邏、高山高清探測相結合的立體化、全覆蓋的生態監測與環境保護、防火預警與應急管理相結合的森林草原生態保護綜合監控監測體系。對盜砍盜伐、火災隱患、私搭亂建、私開盜采等破壞森林資源的行為實現全面監控。

3.1 多光譜火災預警探測裝置的技術優勢

根據國家林業規范要求和實際火災監測需要，要求用于火災監測的攝像機除了具備高清監控能力外，要求能在遠距離對火點進行識別，具有較高的準確性；同時，攝像機還需能對火點位置進行準確定位，和采集森林草原周邊的氣象信息（風力，風速等）；在性能上要求攝像機具有良好的穩定性，防雷抗風能力等。

多光譜攝像機的工作原理是，分析測量對象與背景或其各個部分之間的輻射信號差異，并將這種信號轉換為電信號，通過放大處理后，獲得視頻圖像。通俗地講多光譜攝像機的作用，將物體發出的不可見紅外能量轉變為人眼可識別的熱圖像。由于不需要借助可見光，通過被動接收物體熱量而形成圖像，因此又稱被動紅外成像。

在火災預警監測方面，采用熱紅外智能煙火檢測技術，實現煙火智能識別，并結合高清一體化可見光云臺攝像機及后端智能可視化綜合監測管理軟件實現煙火智能識別并自動報警，與單一采用可見光檢測方式相比具有更高的準確性；同時，運用重型數字云臺轉動的方位角和俯仰角、長焦鏡頭的焦距及后端GIS管理軟件平臺實現火點自動精確定位，通過攝像機和傳輸鏈路將視頻圖像和控制信號傳輸到指揮中心進行監視、存儲和管理。

3.2 防盜報警子系統的技術特點

森林防火智能監測系統前端基站設備安裝的主要區域都是在密林深處，這些區域一般鮮有人跡、無人值守，所以，需要采用具備智能分析自動防盜報警功能的防盜攝像機，并通過雙向語音對講的方式，對野外森林防火監測基站設備的偷盜者、違法打獵者、密林吸煙燒紙等人員起到警告和威懾作用。

防盜報警系統工作方式為：一旦有人靠近、登上基塔，那么警告系統會開啟，攝像機的錄像信息會傳遞給監控中心；同時，現場會放出警示信號，該信號傳遞給監控中心后，監控中性通過語音對講系統可以實現現場對講。

上級的監控指揮中心則通過對講系統能夠單向的通話，上級單元則可以監聽本地的聲音信號。

利用遠程控制系統能夠對基站的各項單子設備進行控制，還能對攝像機、云臺以及鏡頭等設備進行遠程操控。

前端基站的揚聲器及拾音器，能夠和指揮中心進行對話；一旦外來人員進入到基站，識別出其會威脅到基站的安全，則通過揚聲器自動播放音頻文件進行警告等。

3.3 頻段選擇

相比起專用頻段的無線網絡設備，森林防火智能監控系統有著極高的性價比，并且由于專用頻段的無線網絡設備與智能化監控系統的兼容和匹配度不高，所以，森林防火智能監控系統采用了性價比最高的5.8G無線數字網絡。移動、電信3G網絡的帶寬目前還無法滿足視頻監控實時傳輸的需要，并且還未能全面覆蓋森林區域；而5.8G無線網絡的采用就解決了以上難題，它不僅費用低、傳輸帶寬高，而且通過自建的方式可以覆蓋眾多森林區域。

3.4 火災動態演練

通過以時間順序顯示和移動標繪，動畫模擬火災的蔓延、人員的調動等行為，再現火災現場撲火過程，并提供開始、暫停、停止、重播等操作，幫助總結撲火經驗。或者通過假想火災，根據火災周邊的情況，制定撲火預案，進行撲火演練，幫助撲火指揮人員提高實戰水平。提供動態演練的創建、編輯、存檔功能。

3.5 三維林火定位及最佳路徑的技術優勢

系統可根據前端數字云臺信息及其海拔、塔高、云臺水平角、俯仰角信息結合DEM數據，迅速、準確地鎖定火點位置，同時獲得火點所在的地名，通過智能系統的計算，快速鎖定著火點周圍是否存在危險設施設備，對附近的撲火力量（專業森林撲火隊伍、村鎮應急撲火隊伍等）進行預估，并綜合地理信息系統的網絡分析功能，快速分析計算出每支撲救力量到達火災現場的時間和最佳路徑，進行林火撲救的動態模擬，使撲火指揮人員就近組織撲火隊伍、物資展開有效的撲救。不僅如此，系統結合GPS衛星定位、軌跡顯示等功能，能夠指引消防人員及車輛的通行，系統三維電子沙盤上顯示出的地理信息為指揮中心提供了清晰的路線，以便于消防人員及車輛可以選擇出最佳的救火路徑，并及時的抵達現場。

3.6 林火蔓延動態模擬

森林火災的蔓延過程，是一個多相、多組分可燃物在不同的氣象條件和地形的影響下，進行燃燒和運動的復雜現象。多光譜森林防火系統結合惠更斯原理和國際上成熟的林火行為模型（Rothermel的地表火模型，Van Wagner的樹冠火蔓延模型，McAlpine 的林火加速模型），建立了適合呼和浩特市大青山前坡地形的林火蔓延動態模型，由此開發出相應的動態模擬模塊。

通過對火情位置點當時的天氣狀況（溫度、降水、風向、風速）、地形地貌、周圍可燃物狀況的分析，以及對該區域森林資源的種類、面積、樹齡和防火線、河流、道路、防火林帶等隔離帶信息的分析，根據森林火情的蔓延態勢來模型動態計算后，自動生成該區域林火蔓延的模擬效果，第一時間向決策者提供火情燃燒區域、蔓延速度、火線強度、火場擴展趨勢等重要火災行為信息，使指揮人員在辦公室就可看到未來一段時間內林火發展蔓延的趨勢和情況。

3.7 定制作戰方案

系統根據森林火災撲救指揮的工作流程，實現火災撲救模擬作戰方案的制定，涉及的模塊主要包括：火點自動定位、火險預警、林火蔓延模擬、輔助決策、指揮調度、日常管理、林火標繪。

定制作戰方案的流程如圖1所示：

圖1 定制作戰方案流程

3.8 林火撲救命令的下發

根據火情的不同情況，系統定制作戰方案后，通過服務器向移動端發送林火撲救命令，值班人員、撲防火隊、應急部門等會接收到發送的指令，做出行動。

3.9 根據現場回傳的GPS位置信息、圖像、聲音進行實時指揮作戰前端撲救隊伍、車輛、指揮中心、聯動部門等通過平板電腦、手機、電話等多種移動途徑將現場的GPS位置信息、圖像、聲音回傳到系統，在地圖中顯示出來，用于系統輔助決策功能。

3.10 GPS監控

多光譜森林防火指揮輔助決策系統結合了GPS技術、無線通信技術（GSM/GPRS/CDMA) , 對攜帶了GPS終端的護林人員、撲火隊員和車輛進行定位跟蹤、歷史軌跡回放、安全報警、遠程監控，實時監測其所在位置，決策者可以隨時進行指揮調度。

GPS 監控功能包括GPS跟蹤、GPS定位、撲火路徑分析等基本GIS功能。通過GPRS 將被監控移動設備的GPS (可以擴展到北斗）的地理坐標系統，發送到服務器端；查詢用戶可以通過PC或者其他移動設備，實時查詢被監控對象的位置坐標，并能夠動態的反映在電子地圖上。配備定位終端設備給救護車及撲救人員，可以讓他們實時掌握動態的信息，以實現不間斷地跟蹤；指揮系統與移動目標結合在一起，能夠讓車輛、人員的信息位置直觀地展現出來，并獲得其對應的軌跡信息。系統支持對歷史軌跡進行查詢、回放；系統能夠借助強大的GIS系統支持，幫助撲救人員、車輛進行綜合分析，確定最優路徑和最優滅火方案，引導其快速滅火。

同時，系統還可以通過前端GPS設備回傳的數據，直接在系統中自動形成封閉的過火區域，并自動進行過火面積統計計算。

4.風光互補供電子系統

呼和浩特市新城區森林區域日照充足，風力較大，能為風光互補供電系統提供充足的太陽能、風能資源，保障監控設備的正常運行，為森林防火監控供應電能。

前端監控基站所處位置在野外，除基站附近有市電的情況下可以采用電纜電力輸送，并根據實際情況配置USP后備電源系統。遠距離一般不建議采用市電，因為過長的電源線路導致到達基站時電壓較低，容易造成設備損害，而且成本高，所以，最好的方案就是在日照比較豐富的地方采用太陽能發電系統，在風能比較豐富的地方采用風能和太陽能互補的發電系統。

5.結論和意義

綜合運用多種技術，以林業專題數據庫、基礎空間數據庫和防火數據庫為支撐，通過多光譜森林防火輔助決策支持系統，在呼和浩特市新城區大青山前坡實現三維場景下的“災前、災中、災后”全過程、全方位、一體化的動態管控及決策，以支持森林火災的預測、預警、撲救及災后評估等決策，構建一個智能化防火體系。同時，多光譜森林防火輔助決策支持系統使新城區的森林草原防火實現指揮快速化、決策科學化、調度實時化以及防火信息資源化的目標，及時準確地提供火災初期預警，把火災控制在較小的范圍內，使損失降低到最低程度；同時，幫助森林防火部門更加方便、快捷和系統化的工作，管理方式逐漸從以前粗放式管理向信息化管理過渡，加強了對監控過程的集中管理，保證國家財產安全、降低管理成本，為新城區的森林草原生態和經濟建設發揮積極的作用。