北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

何　誠，劉柯珍，李艷云，寇曉軍

（1.南京森林警察學(xué)院，江蘇　南京　210023；2.中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京　100091；3.河北省遷安市林業(yè)局，河北　遷安　064400；4.北京師范大學(xué)，北京　100088）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

何誠1，劉柯珍2，李艷云3，寇曉軍4

（1.南京森林警察學(xué)院，江蘇南京210023；2.中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京100091；3.河北省遷安市林業(yè)局，河北遷安064400；4.北京師范大學(xué)，北京100088）

隨著社會科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，政府等社會各界對森林保護(hù)的工作越來越重視。森林防火自動化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化是不可避免的發(fā)展趨勢。北斗定位系統(tǒng)的橫空出世打破了精準(zhǔn)定位依靠國外衛(wèi)星的枷鎖，北斗精準(zhǔn)定位技術(shù)為林火監(jiān)測、林火撲救指揮提供了新的技術(shù)，同時為無人機(jī)等新型技術(shù)在林火點定位研究提供了支持，為森林防火及撲火的精準(zhǔn)化調(diào)度提供了保障。

森林火災(zāi)；北斗衛(wèi)星；定位系統(tǒng)；撲救指揮

森林火災(zāi)是損害森林生態(tài)環(huán)境最大的災(zāi)害，我國每年都會發(fā)生多起大面積的火災(zāi)，嚴(yán)重破壞人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境。一場森林火災(zāi)不光損壞人們的建筑財產(chǎn)，甚至傷害人們的生命安全。森林火災(zāi)具有復(fù)雜性，不光受氣候天氣等自然因素的影響，還受人為活動的影響。全球平均每年由于森林火災(zāi)毀壞的面積高達(dá)1000萬hm2，約占森林總面積的0.1%；且其中90%以上的森林火災(zāi)都與人為活動有關(guān)。目前包括美國、德國、加拿大等歐洲發(fā)達(dá)國家均缺乏對大規(guī)模的森林火災(zāi)的控制能力［1，2］。

從1949年新中國成立到1987年年均發(fā)生大小森林火災(zāi)1.5萬起，受災(zāi)森林面積高達(dá)15萬hm2，死傷人數(shù)達(dá)150人左右。1987年“5·6”大興安嶺火災(zāi)過后，人們意識到森林火災(zāi)的嚴(yán)重危害，我國政府加強(qiáng)了對森林防火的組織和管理，隨著森林防火在我國的重視及科技產(chǎn)品的投入，這個數(shù)據(jù)在下降［2］，年均森林火災(zāi)發(fā)生次數(shù)降為八千起左右，受災(zāi)森林面積10萬hm2，死傷人數(shù)在80人左右。

隨著科技的發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無人機(jī)技術(shù)及視頻監(jiān)控技術(shù)的成熟給林火監(jiān)測的發(fā)展注入了巨大的活力。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研制的全球衛(wèi)星定位及通信系統(tǒng)，它由空間端、地面端和用戶端3部分組成。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)免費向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，且其民用定位精度可達(dá)10m，完全滿足林火定位精度的需求［3，4］。

1　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)簡介

目前定位衛(wèi)星包括靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星兩類。靜止衛(wèi)星有北斗一代；極軌衛(wèi)星有GPS衛(wèi)星網(wǎng)、伽利略衛(wèi)星網(wǎng)，北斗二代衛(wèi)星網(wǎng)。

1.1北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)測量與經(jīng)典測量方法的對比

傳統(tǒng)經(jīng)典測量技術(shù)為使用電子經(jīng)緯儀、皮尺、水準(zhǔn)儀或全站儀等測量設(shè)備對目標(biāo)點進(jìn)行定位或測量的方法。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem）是20世紀(jì)80年代由中國決策建設(shè)獨立自主研發(fā)、發(fā)射且投入運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)測量與經(jīng)典測量方法對比具有以下優(yōu)點：不需要相互通視，觀測作業(yè)不受天氣條件的影響，能達(dá)到大地測量所需要的精度水平，白天和夜間均可作業(yè)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。所以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)無論作大面積控制和局部測量都是理想的工具，從價格上說，它具有更強(qiáng)的市場競爭能力，任何條件下都有充分把握提供足夠的精度［4-6］。

1.2北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)與GPS的聯(lián)系與區(qū)別

GPS是全球最通用的定位系統(tǒng)之一，是美國軍方研制的第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有以下幾種特點：（1）全球通用；（2）24小時可以定位，測速和授時；（3）用戶設(shè)備成本低；（4）確保美國軍事安全，服務(wù)于全球戰(zhàn)略；（5）導(dǎo)航精度可達(dá)10～20m，但其使用權(quán)及主導(dǎo)權(quán)還是歸美國所有。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem）是20世紀(jì)80年代由中國決策建設(shè)獨立自主研發(fā)、發(fā)射且投入運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2003年，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)建成，并在多個領(lǐng)域進(jìn)行了很好的應(yīng)用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括空間站、地面站及用戶站3部分?？臻g站由5顆靜止軌道衛(wèi)星及30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，地面站由主控站、注入站及監(jiān)測站組成，用戶部分包括北斗用戶終端以及其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容部分。北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)為免費開放服務(wù)；其特征包括如下：定位精度10m，授時精度20ns，測速精度0.2m/s。

北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有以下原則。

1）開放性：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將為用戶免費提供高質(zhì)量的開放服務(wù)，并且歡迎全世界的用戶使用北斗系統(tǒng)。中國將與其他國家就衛(wèi)星導(dǎo)航有關(guān)問題進(jìn)行廣泛深入的交流，以推動全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS系統(tǒng)）及其相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2）自主性：中國將獨立自主地發(fā)展和運行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)能夠獨立為全球用戶提供服務(wù)，尤其是將為亞太地區(qū)提供更高質(zhì)量的服務(wù)。

3）兼容性：北斗系統(tǒng)將致力于實現(xiàn)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的兼容和互操作。

4）漸進(jìn)性：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將依據(jù)中國的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展實際，遵循循序漸進(jìn)的建設(shè)模式。北斗系統(tǒng)將通過改進(jìn)系統(tǒng)性能，確保系統(tǒng)建設(shè)階段平穩(wěn)過渡，為用戶提供長期連續(xù)的服務(wù)。作為重要的GNSS系統(tǒng)之一，北斗系統(tǒng)與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)積極開展合作，共同促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［5，6］。

2　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在森林防火中應(yīng)用

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，是繼美國全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后的第3個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。作為導(dǎo)航應(yīng)用的核心，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)由基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、運營服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)播發(fā)系統(tǒng)和用戶終端5部分組成?；鶞?zhǔn)站接受衛(wèi)星導(dǎo)航信號后，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)形成相應(yīng)信息，經(jīng)由衛(wèi)星、廣播、移動通信等手段實時播發(fā)給應(yīng)用終端，實現(xiàn)定位服務(wù)。根據(jù)規(guī)劃，北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)將構(gòu)建一個全國網(wǎng)，實現(xiàn)部門間、地區(qū)間、軍民用戶間資源統(tǒng)籌，數(shù)據(jù)共享。在2015年底前投入運行框架網(wǎng)和部分區(qū)域加密網(wǎng)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)，2018年底前建成全國范圍區(qū)域加密網(wǎng)基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)，提供米級、分米級、厘米級和后處理毫米級的高精度位置服務(wù)。

森林火災(zāi)位居破壞森林的3大自然災(zāi)害（火災(zāi)、病害、蟲害）之首，它突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大，不僅破壞生態(tài)環(huán)境、損害建筑財產(chǎn)，而且會給人們的生命安全構(gòu)成威脅。利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)可以第一時間發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，精準(zhǔn)定位森林火災(zāi)位置，實現(xiàn)“打早、打小、打了”的目的。另外災(zāi)后調(diào)查，核查受災(zāi)面積等工作都迫切需要精準(zhǔn)定位系統(tǒng)，前些年中國使用的定位裝置及技術(shù)都是國外提供的，北斗定位系統(tǒng)的橫空出世打破了精準(zhǔn)定位依靠國外衛(wèi)星的枷鎖。圖1展示了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在森林防火領(lǐng)域應(yīng)用的原理示意：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)針對林火視頻監(jiān)控設(shè)備及相關(guān)目標(biāo)物體進(jìn)行定位，將其坐標(biāo)傳輸?shù)缴址阑鹂刂浦行?，與地理信息系統(tǒng)配合，可以實現(xiàn)林地信息的實時監(jiān)測、精確定點及智能化識別，從而為建立火情預(yù)測預(yù)報、實時監(jiān)測火災(zāi)及火災(zāi)精確定位系統(tǒng)提供了平臺。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在森林火災(zāi)的監(jiān)測應(yīng)用需與地理信息系統(tǒng)配合，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供精準(zhǔn)的位置信息，地理信息系統(tǒng)具有驚人的數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計能力、空間分析處理能力及其圖形可視化能力，可以實現(xiàn)人機(jī)交互的目的。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與地理信息系統(tǒng)相互配合可以實現(xiàn)林地信息的實時監(jiān)測、精確定點及智能化識別，從而為建立火情預(yù)測預(yù)報、實時監(jiān)測火災(zāi)及火災(zāi)精確定位系統(tǒng)提供了平臺，進(jìn)而提高了森林火災(zāi)預(yù)測預(yù)報、撲火指揮的決策能力和調(diào)度效率，為森林防火指揮部們提供技術(shù)支持。

森林航空消防中飛行器也離不開北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的支持，在飛機(jī)巡護(hù)監(jiān)測期，利用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)對著火點精準(zhǔn)定位，及時將坐標(biāo)發(fā)送給航空護(hù)林基地、防火辦及相關(guān)部門，迅速組織力量對火災(zāi)精準(zhǔn)撲救，可以減少森林火災(zāi)發(fā)生。在火災(zāi)蔓延期，利用飛行器搭載北斗導(dǎo)航系統(tǒng)快速勾繪出火災(zāi)蔓延邊界，估算火災(zāi)面積，可以為更合理地制定撲火策略及方案提供數(shù)據(jù)支持。

圖1　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在森林防火領(lǐng)域應(yīng)用的原理示意

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)定位終端可以裝載在飛機(jī)、汽車、防火員、指揮員等載體上，且可以實時將定位坐標(biāo)發(fā)送到指揮系統(tǒng)中，在電子屏幕上掌握被定位物體的實時坐標(biāo)信息。可以使防火指揮部門第一時間掌握防火人員及火災(zāi)現(xiàn)場的情況，以便對其進(jìn)行調(diào)度，進(jìn)而及時做出決斷。并且可以將該數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)，為災(zāi)后統(tǒng)計、分析、講解提供寶貴數(shù)據(jù)。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的升級及定位終端的不斷改進(jìn)，北斗導(dǎo)航定位技術(shù)將會為森林防火事業(yè)做出重要的支撐［7］。

［1］何誠，袁進(jìn)軍，王佳，鞏垠熙，董志海.高光譜遙感技術(shù)在生物多樣性保護(hù)中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2012，06（32）：1628-1632.

［2］舒立福，周汝良.森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警和撲救指揮數(shù)字化技術(shù)［M］，昆明：云南科技出版社，2012.

［3］劉良明，鄢俊潔.MODIS數(shù)據(jù)在火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（信息科學(xué)版），2004，29（1）：55-58.

［4］彭光雄，李京，陳云浩，NorizanAbdulPatah.結(jié)合遙感和氣象數(shù)據(jù)的森林火險監(jiān)測研究——以馬來半島為例［J］.地球信息科學(xué)，2007，9（5）：99-104.

［5］劉金娥，宋慶國.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測定位系統(tǒng)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，（7）：50-52.

［6］蔣岳新.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用前景展望［J］.衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)，2008，12（79）：42-45.

（責(zé)任編輯：韓煥金）

S762.3

A

2016-03-14

林業(yè)生態(tài)站監(jiān)測項目；國家林業(yè)局軟科學(xué)研究項目（2015-R09）