淺談森林火災(zāi)的現(xiàn)代監(jiān)測技術(shù)

林發(fā)維

摘要：森林資源的珍貴性、森林火災(zāi)巨大的破壞性和危害性以及我國森林資源相當(dāng)稀缺的現(xiàn)狀決定了在我國積極開展森林防火工作的緊迫性和重要性。首先需要面對和解決的問題就是如何有效地預(yù)防和監(jiān)測森林火災(zāi)。因此，利用現(xiàn)有的高效技術(shù)和方法實(shí)現(xiàn)對森林火災(zāi)的監(jiān)測和預(yù)警，加強(qiáng)對森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的研究具有極為重要的意義。

關(guān)鍵詞：森林火災(zāi)；監(jiān)測；現(xiàn)代技術(shù)

一、研究背景

森林是人類的寶貴財(cái)富，是我們生存和社會(huì)發(fā)展不可或缺的資源之一。然而，由于人類活動(dòng)的廣泛性和自然環(huán)境的多變等因素，森林火災(zāi)具有突發(fā)性。這就需要具備對森林火災(zāi)的快速反應(yīng)能力，力爭把林火撲滅在萌芽階段。森林防火系統(tǒng)的反應(yīng)速度快，動(dòng)作準(zhǔn)確，高效率就顯得尤為重要，使我們可以極大地提高森林火災(zāi)的組織效率。森林防火是一個(gè)艱巨的任務(wù)。一方面和消防設(shè)施，技術(shù)力量，人員素質(zhì)，以及裝備等因素有關(guān)，另一方面，各種復(fù)雜、多變的地理因素和天氣因素也會(huì)影響森林地區(qū)的地形、水系、道路和植被。

通過建設(shè)森林防火預(yù)警系統(tǒng)，利用森林的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、林火科研成果和林木、氣象等相關(guān)環(huán)境和人類經(jīng)營活動(dòng)信息，對林火的各種信息進(jìn)行自動(dòng)提取、統(tǒng)計(jì)分析、輔助決策等。概括來講，就是掌握林火的真實(shí)情況，提高對林火的管理水平，制定森林火災(zāi)預(yù)防和撲救輔助決策。

二、森林火災(zāi)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

氣象科學(xué)、遙感技術(shù)、計(jì)算機(jī)、激光、通訊和航空航天技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為森林防火提供了先進(jìn)的技術(shù)。地理信息系統(tǒng)、集成數(shù)學(xué)模型、遙感、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)一起構(gòu)成的信息系統(tǒng)已得到大家的重視。

1.基于MODIS數(shù)據(jù)的遙感監(jiān)測方法

MODIS（中等分辨率成像光譜儀）是美國國家航天航空局對地觀測計(jì)劃（EOS）中用于觀測全球生物和物理過程的傳感器，分別搭載Terra和Aqua衛(wèi)星之上。MODIS數(shù)據(jù)波段范圍廣，包括了36個(gè)波段，數(shù)據(jù)空間分辨率包括了250m、500m和1000m三個(gè)尺度。衛(wèi)星遙感具有較高的空間分辨率、時(shí)間分辨率及大面積的監(jiān)測范圍，不僅可以連續(xù)跟蹤、監(jiān)測火災(zāi)發(fā)展的動(dòng)態(tài)過程，還能提供詳細(xì)的火區(qū)位置、面積、溫度變化等信息。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測的這些特點(diǎn)，可以大大提高對森林災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警能力，在空間和時(shí)間上都避免了常規(guī)手段如地面航測等所存在的不足。

遙感監(jiān)測火點(diǎn)原理與流程：地表的草地、水體、森林、建筑等物體自身溫度的不同，具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，它們不同的性質(zhì)可以對應(yīng)在不同的狀態(tài)下具有不同的波譜特征，可以輻射不同波長的電磁波。森林在沒有發(fā)生火災(zāi)時(shí)的輻射稱為背景輻射，當(dāng)森林發(fā)生火災(zāi)時(shí)的主要輻射源是具有較高溫度的碳化物甚至是火焰。它們有自己的輻射帶。利用背景輻射和火災(zāi)時(shí)輻射值的差異，我們就能從遙感信息中及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，并監(jiān)視火情動(dòng)態(tài)。森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，熱力作用使得火場上空和周圍的空氣溫度上升。可以根據(jù)需要將地面的輻射溫度與空氣溫度相互轉(zhuǎn)化。識別火點(diǎn)的過程比較復(fù)雜，高溫點(diǎn)并不完全是火點(diǎn)。存在一定其他的干擾因素，需要我們有針對性地進(jìn)行判斷。

2.基于GIS的監(jiān)測系統(tǒng)

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種特定的而又十分重要的空間信息系統(tǒng)。它是以采集，儲(chǔ)存，管理，分析和描述地球表面和地理分布的空間地理相關(guān)的空間信息系統(tǒng)，被廣泛用于環(huán)境管理、宏觀經(jīng)濟(jì)決策、資源清查、森林防火管理、災(zāi)害監(jiān)測、城市規(guī)劃等。

基于Web GIS的森林防火系統(tǒng)：網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（Web GIS）是指基于互聯(lián)網(wǎng)的信息傳播，數(shù)據(jù)共享，交流和合作的平臺，客戶端應(yīng)用軟件使用的萬維網(wǎng)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)地理信息在線查詢和業(yè)務(wù)處理的功能。在互聯(lián)網(wǎng)上運(yùn)行的GIS系統(tǒng)是一個(gè)利用先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)來輔助和完善的新型技術(shù)，其核心是嵌入在HTTP和TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)的地理信息應(yīng)用系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)空間信息的管理。

整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是采用網(wǎng)絡(luò)模式進(jìn)行搭建，防火指揮信息既可以在局域網(wǎng)內(nèi)發(fā)布，對于有些信息也可以接入互聯(lián)網(wǎng)，進(jìn)行公網(wǎng)信息發(fā)布。體系結(jié)構(gòu)主要包括GIS服務(wù)器、WEB服務(wù)器、GIS圖形工作站、GPS服務(wù)器、GPS監(jiān)控工作站、管理工作站及路由器等。

基于嵌入式GIS森林防火導(dǎo)航系統(tǒng)：嵌入式GIS是在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行的高度濃縮和高度精簡的GIS軟件系統(tǒng)，與一般的GIS不同，它是運(yùn)行在硬件資源緊缺的嵌入式設(shè)備上。嵌入式GIS和GPS的結(jié)合，為獲取最新GIS數(shù)據(jù)提供了有效的手段。尤其是在測繪工作較難開展的森林、山地等地區(qū)，若能結(jié)合GIS與GPS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)森林管理和防火導(dǎo)航，將帶來重大的實(shí)用價(jià)值。

3.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)

針對森林火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)和方式存在的成本過高、易受天氣影響、實(shí)時(shí)性差等問題，還可以考慮一種基于Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)方案。Zigbee技術(shù)是一種新興的低功耗、低成本、低速率且具有自組網(wǎng)特性的短距離無線通信技術(shù)。

基于Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)由Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心三部分組成。采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測林區(qū)的森林環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至鄰近路由節(jié)點(diǎn)或者直接發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；路由節(jié)點(diǎn)的功能是對采集節(jié)點(diǎn)和其他路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)以及自身采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)融合后，然后轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在匯聚處理之后，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳至Internet，然后以無線的方式發(fā)送至遠(yuǎn)端監(jiān)測中心。監(jiān)測中心可以實(shí)時(shí)顯示整個(gè)系統(tǒng)中的森林環(huán)境數(shù)據(jù)信息。

三、森林火災(zāi)指揮

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，森林火災(zāi)現(xiàn)場指揮的科技含量也不斷增加。森林火災(zāi)現(xiàn)場指揮硬件平臺是實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)現(xiàn)場指揮的必要條件。森林火災(zāi)現(xiàn)場指揮硬件平臺的組成主要包括單兵終端模塊和車載終端模塊，其中單兵終端配備在現(xiàn)場撲救人員身上和無人機(jī)上，車載終端裝備在現(xiàn)場移動(dòng)應(yīng)急指揮車上。

單兵終端主要集成處理器、全球定位設(shè)備、無線通信設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備（無線傳感器、視頻攝像頭等）等硬件設(shè)備。智能車載終端要進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的匯集、對人力資源的調(diào)配以及導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解析等許許多多的計(jì)算工作，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，森林火災(zāi)現(xiàn)場指揮中心通過接收從火災(zāi)現(xiàn)場傳遞過來的火場的地貌、地形、火勢大小的具體信息和森林資源數(shù)據(jù)，應(yīng)用GIS對林火行為進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測，確定現(xiàn)場指揮撲救相關(guān)決策。并把指揮中心的決策內(nèi)容傳送到火災(zāi)現(xiàn)場，進(jìn)行及時(shí)的指揮。甚至可以建立3D沙盤推演。3D沙盤能讓指揮人員對火場地形有更直觀的認(rèn)識，合理開辟隔離帶、防火溝等滅火措施。森林火災(zāi)現(xiàn)場指揮需要的信息是火災(zāi)現(xiàn)場發(fā)回的視頻圖像信息、林火預(yù)測模型處理的數(shù)據(jù)信息、車載GPS定位信息、以及指揮中心與現(xiàn)場指揮撲救人員之間的對講通信信息、撲火隊(duì)員手持GPS定位信息、撲救人員的分布信息等。

四、展望

為了盡可能地減少森林火災(zāi)造成的各種損失，世界各國每年都增加在森林火災(zāi)預(yù)防方面的資金和人力投入，一直都致力于森林火災(zāi)監(jiān)測新技術(shù)和新方式的研究和開發(fā)。森林火災(zāi)研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及的知識多、領(lǐng)域廣，諸多問題還需要在實(shí)踐中繼續(xù)發(fā)現(xiàn)和補(bǔ)充。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展、定位技術(shù)的提高、衛(wèi)星監(jiān)控的民用化，林業(yè)防火系統(tǒng)的開發(fā)與使用成本將會(huì)越來越低，發(fā)展也會(huì)越來越快，在林業(yè)領(lǐng)域提供更好的服務(wù)。