森林火情監測系統研發及可視化

陶 冶，陶立清

（1.中國空間技術研究院杭州中心，浙江 杭州 310024；2.中冶檢測認證（安徽）有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引 言

森林火災是對森林資源、生態系統造成破壞的最主要因素之一，具有破壞性大、突發性強、災后修復周期長等特點，被聯合國糧農組織列為世界八大自然災害之一[1]。于2019年發生的澳大利亞火災造成了33人死亡，近30億只動物死亡或流離失所，給澳大利亞的經濟、生態環境、人們的生命安全帶來了巨大的威脅。據統計，2010—2021年9月期間，我國累計發生森林火災39 500多起，如圖1所示，盡管森林火險得到了越來越多的重視，林火發生次數也逐漸呈現下降趨勢，但近年來仍然有許多森林火災發生，使得人們的生命、財產損失嚴重。為此，采取林火監測措施，對森林火點進行實時監控，并對可能發生的森林火災進行及時預警是十分必要的，從而能夠大幅度減少森林火災發生的數量、降低森林火災破壞性程度，盡量避免大型森林火災的發生。

目前，國家和地方林業局通常所采用的林火預警方式是多種監測方式相結合的立體林火監測系統，如人工地面巡護、航空巡護、搭建瞭望臺等，同時融合衛星遙感、地理信息系統（GIS）、無人機、全球定位系統（GPS）等技術[2]。林火監測及快響應預警是森林火災應急響應過程的第一道防線，及時和準確的災害預報和預警能夠為災害目標地區贏得寶貴的應急準備時間，提前對各類承災體進行處置，提高全社會應對森林火災的能力，從而最大限度地節約應急人力、物力和財力，減少災害造成的損失，降低災害對社會秩序的干擾?，F有的林火監測系統主要存在下列問題：

（1）時空覆蓋性不足

不論是人工巡視、地面火災監視系統、航空火災監視系統，均存在時間覆蓋性不全、空間覆蓋性不全、巡視周期長、代價高昂等缺點，導致不能及時發現偏遠地區的森林火災信息，容易錯失最佳的撲救時機。

（2）分辨率不足

目前國際和國內森林火災衛星遙感監測主要以低空間分辨率的衛星遙感為主，但空間分辨率過低導致無法探測規模較小的火災及掌握詳細火場態勢。

（3）高分辨率遙感圖像的信息獲取時效性不足

全球中高空間分辨率森林火災監測的主要制約因素是海量衛星數據的預處理及火點信息提取的時效性?？紤]到火災周期的短暫性，如不能實時獲取衛星數據，則其應用意義將大打折扣。采用傳統方式的用戶單景數據下載，然后進行信息提取無論是在時間上還是效率上均無法滿足需求，迫切需要創新性的手段解決這一問題[3]。“通導遙一體化”技術主要打通衛星、導航、地球空間要素之間的信息橋梁，利用天地互聯、統一基準，實現時空融合，在軌遙感衛星實時監測地表林火，通過北斗衛星將火點信息下發給地面監測系統，可以實時地對地面林火進行監測。

數據可視化作為一門新興學科，使用統計圖形、信息圖表和其他工具對數字數據進行編碼，以便在視覺上傳達定量信息，使得人們可以直觀觀察數據、理解數據規律[4]。目前，以互聯網技術為代表的Web前端技術，為數據可視化提供技術支持PC端、移動端等平臺。借助Web前端技術，人們可以在計算機、手機、平板電腦上直觀地顯示和分析數據，提高數據的可訪問性和可理解性。因此，研究數據可視化具有很大的實用價值和現實意義。

Web前端系統自成立以來，在數據可視化領域得到廣泛應用。黃智煌等人[5]基于3D GIS和物聯網建立了一套三維礦山可視化系統，為礦山的運營及管理提供保障。彭曙光等人[6]利用ECharts對網絡疫情數據進行展示，以B/S的形式實現了COVID-19疫情信息可視化系統，使得民眾對社會風險信息的感知能力大大提升。石偉等人[7]以內蒙古自治區水利數據為基礎建立了水土保持可視化系統，并納入智慧水利平臺，為生態環境的改善提供了重要依據。姜博等人[8]采用HTML5+CSS5+jQUeryMobile軟件技術對地震監測設備進行統一的數字化管理，大大提高了管理效率。

在林火監測地面系統中，為了解決數據量大、讀寫速度慢、數據可視化效率低的問題，設計了基于HTML5的數據可視化系統。通過數據采集層收集火情數據（包括無人機、地理信息、林業、氣象數據、林區攝像頭、衛星遙感數據、用戶終端上傳數據），以數據接口框架（IOServer）接入關系數據庫（MySQL），再通過HTML5對這些數據進行可視化展示。

1 Web前端架構

林火監測流程如圖2所示，首先通過數據采集模塊收集多源火情信息（包括紅外遙感影像、林火攝像頭、北斗短報文傳遞的火點信息、用戶移動終端反饋），將這些數據按照類別進行分類納入數據庫，然后對火情數據進行清洗，篩選出實際需要的數據；經過服務端算法處理生成火情辨識結果，最后通過網絡模塊向各個用戶端提供系統服務。

圖2 林火監測流程

服務器端軟件架構如圖3所示，包括數據庫、服務框架、網絡接口和反向代理服務器等。本文所采用的數據庫為關系型數據庫 MySQL。MySQL是一款結構化查詢語言數據庫引擎開源軟件[9-10]，數據保存在不同的表中，使用時按照數據保存路徑進行檢索；服務器端使用Node.js Express 框架、Python Flask框架搭建 Web服務，對數據庫中相關數據進行算法處理，并將服務接口封裝成RESTful API，返回JSON至云端；HTML5、CSS、JavaScript使用 Ajax 和 RESTful API 構建前端UI界面；用戶通過域名發出訪問Web服務器的請求，該域名被DNS服務器解析為反向代理服務器的IP地址，當客戶端通過網絡向系統請求服務時，Nginx反向代理服務器接收網絡的連接請求，在本地緩存中查找請求的內容，找到后直接把內容發送給用戶；如果本地緩存里沒有用戶所請求的信息內容，反向代理服務器會代替用戶向服務器端請求同樣的信息內容，服務器端進行相應的算法處理，然后將服務器端運行的成果返回給Internet上請求連接的客戶端，并同步將信息內容進行緩存。

圖3 軟件架構

2 系統架構

林火警情信息平臺軟件研制架構形式為B/S架構。根據林火警情信息平臺功能完善、便于擴展和遷移的需求，總體架構中從下往上可以劃分為數據采集層、數據交換層、數據模型層、應用層、展現層，如圖4所示。

圖4 系統架構

數據采集層：主要負責支撐系統平臺正常運行所需的數據，包括衛星遙感、無人機、林區攝像頭、用戶終端上傳火情、地理信息數據、林業數據和氣象數據。

數據交換層：數據采集層所采集的數據通過數據接口框架單向傳遞到關系數據庫，上層框架實現所需數據與關系數據庫進行雙向交互。

數據模型層：數據模型層的算法模型實現依賴數據交換層所提供的數據。

應用層：基于數據交換層和數據模型層，使用百度地圖引擎，實現各類二維和三維可視化、林火預測預報、火災綜合查詢等業務應用功能。

展現層：主要有服務器后臺、桌面端軟件和用戶APP，服務器后臺負責整套地面系統的數據交互以及服務應用維護，用戶APP和桌面端軟件作為用戶終端向服務器后臺申請，從而獲得地面林火警情信息平臺的服務。另外用戶APP作為系統終端，可以反饋、上報火情及上傳巡航路徑至系統。

3 系統功能

針對實際火情事件，設計業務流程如圖5所示。游客可以查看衛星熱點信息，開發人員進行后臺數據庫的更新與維護，管理員負責用戶管理。平時未發生火情時，值班人員通過本平臺對林區進行火情監測，對接收到的火情進行初步甄別；當發現疑似火點時，通知終端進行確認，如無火情發生，則繼續進行監測；若發生火情，終端發出火情報警，系統接收到實際火情事件，進行警情信息分發，通知消防人員進行滅火、指揮中心從全局角度安排指揮滅火，火情結束后進行災后評估，將這次火情事件所有信息納入系統數據庫。

圖5 業務流程

圖5所示的業務流程涉及如下功能：

（1）警情監測

警情監測綜合利用火情數據構建“防火一張圖”、火險等級預報模型；使用衛星星歷數據實現衛星軌道可視化并對用戶感興趣區域做軌道過境預報；采用多種方式對林區進行遙感監測；通過衛星與地面站之間構建的有效數據傳輸通路接收短報文并實時定位判斷火點；火點甄別后，快速將火點信息分發給各級消防部門等用戶。

（2）災時動態

災時動態參考歷史天氣狀況和火災事件，根據當地海拔、坡向、可燃物類型、風向、風速等因素建立火災模型，進而模擬火勢蔓延；消防部門通過電子沙盤、救援路徑分析輔助決策；林區信號不好時，消防人員可利用本警情平臺進行短報文實時通信；通過林區攝像頭、無人機巡航對現場進行災時監控。

（3）災后評估

災后評估是通過遙感影像處理得到的過火面積矢量邊界，疊加林業小班數據，自動估算受災面積及經濟損失；利用火情信息制作火情專題地圖、自動生成火情報告；用戶終端可向系統上報火情詳情。

（4）歷史數據

火災信息管理是對火災數據的全面管理，主要是按照火災區域維度和火災發生時間維度來進行火災數據的新增、編輯、刪除等?；馂男畔⒐芾硇枰陧撁嫔咸顚懴鄳幕馂男畔ⅲ敶_認提交后，對火災的基本信息進行保存，從而方便后續對全部火災信息基于不同維度進行統一查詢和分析等。該部分負責搜集用戶感興趣區域的歷史火災數據、實時天氣數據等信息，建立火災數據庫并進行信息管理。

林火警情信息平臺軟件分為兩個模塊，分別為林火監測預警、系統管理，如圖6所示。林火監測預警模塊負責軟件的應用層功能，遙感監測發現的林區火點經算法甄別后，與火險等級、基礎地理數據、防火基礎設施、森林資源疊加，構成“防火一張圖”，將算法甄別出來的偽熱點納入后臺數據庫，火勢蔓延模擬的結果和最適救援路徑都可在電子沙盤展現，為消防員滅火提供輔助決策，四個功能模塊相互依賴，均存在數據交互；系統管理模塊負責后臺數據庫的更新、維護以及用戶權限管理。

圖6 軟件功能邏輯

4 應用實現

基于上述技術手段構建的林火監測系統的應用界面如圖7、圖8所示，監測界面采用“防火一張圖”的方式展現，由森林防火基礎設施分布、火險等級、林區火點組成，按照地圖圖層方式顯示林區內防火相關的資源，主要功能包括火險等級預測、衛星軌道預報、遙感林火監測、林火信息甄別等；災后評估是對火災數據進行分析，利用ECharts、Bootstable生成圖表，增加可視化效果。

圖7 林火監測

圖8 災后評估

5 結 語

本文設計了林火監測系統的技術架構。經實踐證明，該架構具有以下優勢 ：（1）架構中使用的都是輕量級解決方案，靈活、可擴展，能適應互聯網地圖用戶需求及使用環境的快速變化；（2）在服務器端使用異步I/O模型提高了應用在高并發環境下的吞吐能力，并通過Nginx反向代理的方式提升了安全性；（3）將應急災害遙感影像、林火數據、偽熱源數據、火災事件等納入數據庫中統一進行管理，極大地提升了檢索效率；（4）整個架構是全開源方案，大幅節省了軟件授權費用。在實踐中，可根據具體問題調整其中個別技術。當然，該架構也存在一些不足，如 SPA 模式在移動互聯網設備中表現不流暢，移動前端的相關技術方案還需優化，這將是下一步研究的重點。