我國森林火災(zāi)監(jiān)測體系現(xiàn)狀及展望

閆德民，李慶閣

（南京森林警察學院，江蘇 南京 210023）

我國森林火災(zāi)監(jiān)測體系現(xiàn)狀及展望

閆德民，李慶閣

（南京森林警察學院，江蘇 南京 210023）

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強、危害性大的自然災(zāi)害，監(jiān)測是預(yù)防森林火災(zāi)發(fā)生和控制林火蔓延的有效手段。對森林火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)體系進行了全面分析和總結(jié)，包括近地監(jiān)測、航空監(jiān)測、衛(wèi)星監(jiān)測、雷達監(jiān)測及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。未來我國森林火災(zāi)監(jiān)測體系應(yīng)將各種監(jiān)測措施有效集成，結(jié)合最新技術(shù)，逐步建成預(yù)測精準、防控有效的森林火災(zāi)監(jiān)控體系。

森林火災(zāi)；監(jiān)測體系；衛(wèi)星監(jiān)測；航空監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

林火作為一種自然現(xiàn)象，是森林生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因素之一，全球每年約有1%的森林經(jīng)歷火的干擾，林火直接影響和改變區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的過程和格局[1]。林火突發(fā)性強，一旦超出人為控制后在森林中延伸擴展，就會給人類生命財產(chǎn)造成嚴重損失，給生態(tài)環(huán)境帶來嚴重危害而成為森林火災(zāi)，是一種危害性極大的自然災(zāi)害。我國是一個森林火災(zāi)多發(fā)的國家，2000-2014年期間，我國森林火災(zāi)的次數(shù)平均為7945次/年，火場總面積平均為2.4×105hm2/年，受害森林面積平均為1.0×105hm2/年，直接經(jīng)濟損失平均為1.5億元/年[2]。我國實施天然林保護和退耕還林還草工程以來，天然林和人工林林內(nèi)可燃物載荷增加；同時全球氣候變暖造成了森林高火險天氣數(shù)量增加，我國未來森林防火形勢嚴峻。

森林火災(zāi)監(jiān)測是運用各種監(jiān)測技術(shù)，及時發(fā)現(xiàn)火情并準確定位起火點，確定火的大小及動態(tài)，監(jiān)視林火發(fā)生、發(fā)展的整個過程。森林火災(zāi)監(jiān)測作為發(fā)現(xiàn)林火和傳遞林火信息的措施和手段，是控制和撲滅森林火災(zāi)的基礎(chǔ)。森林火災(zāi)監(jiān)測中對林火及時的發(fā)現(xiàn)和精確的定位，是實現(xiàn)森林火災(zāi)早發(fā)現(xiàn)、早撲救的關(guān)鍵措施，能夠有效地減少森林火災(zāi)損失。為有效實現(xiàn)“打早、打小、打了”的森林火災(zāi)預(yù)防撲救方針，應(yīng)集成各種傳統(tǒng)監(jiān)測手段，結(jié)合最新的監(jiān)測技術(shù)，逐步形成預(yù)測精準、防控有效的天-地-空一體化的森林火災(zāi)監(jiān)測體系。

1 我國森林火災(zāi)監(jiān)測體系框架

1.1 近地監(jiān)測

近地監(jiān)測主要指人工地面巡護、瞭望塔人工監(jiān)測和視頻監(jiān)測。其中人工地面巡護指通過護林人員在林內(nèi)進行地面巡護，或借助于巡護摩托、越野汽車及全地形地面林火巡護撲救車開展地面巡護。地面巡護可裝配衛(wèi)星定位系統(tǒng)和遠程管理系統(tǒng)進行精確采集和回傳著火點、林火蔓延等重要信息，將精確的火災(zāi)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳遞給防火指揮平臺。瞭望塔作為林區(qū)固定觀測設(shè)施，在設(shè)計規(guī)劃時要充分考慮觀測的區(qū)域范圍、瞭望塔的位置及個數(shù)配置，以保證較高的監(jiān)測覆蓋率。視頻監(jiān)控技術(shù)是在計算機技術(shù)、視頻圖像處理技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術(shù)基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來的一種森林火災(zāi)監(jiān)控措施，通過整合可見光和熱紅外儀器，對攝像機獲取的圖像系列進行自動分析，對熱點目標進行識別、監(jiān)測和跟蹤，目前該技術(shù)已具備了全天候遠程視頻監(jiān)控能力。

1.2 航空監(jiān)測

航空監(jiān)測分為航空護林飛機和無人駕駛飛機兩種中低空巡護類型，航空監(jiān)測是林火監(jiān)測措施中的有效途徑，是構(gòu)成天-地-空立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。航空護林飛機巡護主要有直升機載人巡護和固定翼飛機巡護。航空巡護時通過人工觀測或借助望遠鏡輔助觀測火情、識別著火點，也可以完成人員及物質(zhì)運輸，實現(xiàn)吊桶滅火。目前，我國林區(qū)使用的直升機機型主要有M-26、K-32、M-171，直升機主要用于航空直接滅火，固定翼飛機機型主要是Y-12，主要用于巡護和火場觀測。

無人駕駛飛機（UAV）簡稱無人機，無人機飛控和圖傳技術(shù)目前已日趨成熟，攝像機和傳感器更加小型輕質(zhì)化，使得無人機具有機動快速、使用及維護成本低、操作簡便等特點，在自然災(zāi)害監(jiān)測、交通監(jiān)測、石油管道監(jiān)測等民用領(lǐng)域得到了較大拓展。無人機作為一種中低空實時快速獲取火場信息的系統(tǒng)，可對人和車輛無法到達的監(jiān)測范圍進行有效監(jiān)測。張增等通過對無人機獲取的高清可見光圖像，利用RGB和HSV顏色空間監(jiān)測和分割，發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)的檢測率為87.7%，識別率為89.2%。監(jiān)測小型無人機分為固定翼和旋翼無人機。低空飛行時能夠自動獲取高分辨率的圖像，并能夠及時將圖像和數(shù)據(jù)發(fā)送到地面基站或指揮中心[3]。

1.3 衛(wèi)星監(jiān)測

衛(wèi)星監(jiān)測是林火監(jiān)測技術(shù)發(fā)展的前沿領(lǐng)域，利用衛(wèi)星搭載遙感裝置監(jiān)測記錄地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的各類信息，根據(jù)森林燃燒時溫度高于背景地表溫度完成森林熱點的識別監(jiān)測。衛(wèi)星遙感技術(shù)在林火識別監(jiān)測中可以實現(xiàn)著火點地理位置的精確判定、火線的范圍制圖、火場變化趨勢判定及火燒跡地植被恢復(fù)過程的監(jiān)測與評價[4]。我國近年來用于森林火災(zāi)監(jiān)測的衛(wèi)星多為極軌衛(wèi)星，利用包括NOAA、MODIS、FY系列等中低分辨率的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，也包括利用環(huán)境減災(zāi)小衛(wèi)星、中巴資源衛(wèi)星等高分辨率的國產(chǎn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展林火監(jiān)測[5]。衛(wèi)星監(jiān)測是目前全國森林火災(zāi)宏觀監(jiān)測的主要措施，為撲救指揮提供可靠的數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

1.4 雷達監(jiān)測

雷達用于森林火災(zāi)的監(jiān)測是基于森林燃燒引起的回波和氣象回波存在較大差異，具有水平尺度小、頂高度低和強度強的特征。黃克慧等提出用“火災(zāi)雜波過濾法”及“降水回波過濾法”進行森林火災(zāi)回波的自動識別，并研制出了多普勒雷達CINRAD/SA的火情自動識別系統(tǒng)[6]。另外，多普勒激光雷達也可用于森林大火蔓延過程中煙霧及其流場的連續(xù)監(jiān)測，具有一定的靈敏性和可靠性[7]。

1.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）作為信息科學的一個新領(lǐng)域，為森林火災(zāi)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)構(gòu)建一種系統(tǒng)框架，通過森林火災(zāi)預(yù)測預(yù)報模型、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點部署及拓撲形成機制、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與火險精確定位方法及無線通信等技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)森林火災(zāi)的監(jiān)測預(yù)警。該技術(shù)目前尚處于起步階段，適用于無人值守的環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害撲救等特殊領(lǐng)域。至今諸如美國、加拿大、德國及英國等國家利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測中已經(jīng)進行了一系列應(yīng)用研究，我國目前也針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議、節(jié)點定位算法、智能信息處理和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點體系結(jié)構(gòu)等方面開展了深入研究[8，9]。

2 我國森林火災(zāi)主要監(jiān)測體系中存在的問題

2.1 近地監(jiān)測

利用人工巡護進行森林火災(zāi)監(jiān)測需要花費較大的人力和時間，即便借助于地面巡護車輛，監(jiān)測巡護的森林范圍較為有限，巡護過程中很難阻止所有人進入林區(qū)。巡護人員的責任心易受到經(jīng)濟利益的驅(qū)使，使得地面人工巡護很難滿足我國林火信息的及時全面監(jiān)測和撲救的需求。瞭望塔和視頻監(jiān)控等近地面監(jiān)測措施能夠及時地發(fā)現(xiàn)林火，但監(jiān)測易受到地形和地勢的影響。森林防火遠程視頻監(jiān)控在理論上有效監(jiān)測的半徑約為10～15 km，建造價格較高，難以得到較大范圍的應(yīng)用。在未來的實際應(yīng)用過程中，將人工巡護、瞭望塔人工監(jiān)測和視頻監(jiān)測等方式集合成相互補充、緊密聯(lián)系的有機整體，實現(xiàn)中小尺度規(guī)模上森林火災(zāi)完善和細致的觀測。

2.2 航空監(jiān)測

利用航空護林飛機進行林火監(jiān)測具有反應(yīng)速度快、效率高等特點，且能夠搭載消防隊員和滅火設(shè)備，巡護過程中發(fā)現(xiàn)火情能迅速實施滅火撲救。飛機利用搭載設(shè)備進行火場信息提取，探測火場溫度、濕度、風速、風向等氣象指數(shù)，回傳給防火指揮部。在森林航空監(jiān)測中，通過可視航拍遙控器可以增大觀測視角、擴大監(jiān)測范圍。

與航空護林飛機相比，無人機風險較小、采購和使用成本較低，能夠自動監(jiān)測和探測林火狀況，并能夠?qū)崟r地傳遞圖像和信息數(shù)據(jù)給地面控制中心；同時無人機的低空飛行能力使其能夠獲取高分辨率的圖像，能夠及時更新火場信息。但目前小型無人機普遍存在的問題是：有效飛行時間短，不能夠?qū)崿F(xiàn)長距離的飛行；載荷較小，飛行過程中易受到環(huán)境或火場的影響；缺乏有效的火點自動識別系統(tǒng)。

2.3 衛(wèi)星監(jiān)測

利用衛(wèi)星進行林火監(jiān)測具有監(jiān)測范圍廣、多時相、可靠穩(wěn)定等特點，能有效彌補近地面監(jiān)測和航空監(jiān)測的不足，是目前林火監(jiān)測重要的信息來源。利用如NOAA、MODIS、FY等衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行火災(zāi)監(jiān)測，最主要的特點在于時間分辨率高、圖像覆蓋范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)每天對我國林區(qū)森林火情的監(jiān)測[10]。

但衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在空間分辨率較低，利用熱紅外通道數(shù)據(jù)進行林火監(jiān)測時易受到強反射面和高溫飽和等因素的干擾，不利于對森林大火火燒強度空間格局全面監(jiān)測；NOAA、MODIS、FY等極軌衛(wèi)星時間分辨率高，其嚴格的運行周期和軌道路徑對同一林區(qū)每天2次掃描的時間間隔約12 h，但每次監(jiān)測時間較短，無法對森林火災(zāi)形成連續(xù)觀測，無法記錄火災(zāi)排放氣溶膠和溫室氣體的完整排放過程[10]；另外，氣象衛(wèi)星監(jiān)測易受到云、霧的影響，即便較薄云霧也會影響森林火災(zāi)監(jiān)測的精度。遙感監(jiān)測對于實際著火面積和林火發(fā)生的次數(shù)等指標的確定存在較大誤差。

2.4 雷達監(jiān)測

多普勒天氣雷達火情自動監(jiān)測系統(tǒng)（DRARFS）在其有效監(jiān)測范圍（110 km）內(nèi)能夠?qū)ι只鹎檫M行自動識別、定位和報警，其連續(xù)跟蹤監(jiān)測的時間間隔為6 min，且能夠24 h連續(xù)工作，能夠為森林火災(zāi)的監(jiān)測預(yù)警提供更及時準確的林火動態(tài)。該火情自動識別系統(tǒng)在浙江進行了為期1年的試驗運行，其火情預(yù)警命中率、誤警率和臨界成功指數(shù)分別達到79%、4%和76%。

多普勒雷達火情自動監(jiān)測系統(tǒng)雖然有比較高的火情預(yù)警命中率和較低誤警率，但實踐中仍存在大量火情沒有得到有效監(jiān)測和報警，原因諸如：林火規(guī)?；驈姸容^小，致使雷達無法探測或是無法達到系統(tǒng)報警閾值；環(huán)境因素諸如較大的風力，使得火燒煙塵在擴散過程中濃度過低，無法引起雷達回波或是達到系統(tǒng)報警閾值；另外，降雨等因素也會影響雷達回波導(dǎo)致判別失誤[6，7]。

2.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）能夠靈敏地感應(yīng)溫度、濕度、光亮度等參數(shù)的快速變化，具有實時性和精度高的特征，非常匹配森林火災(zāi)的監(jiān)測需求，特別是森林重點監(jiān)控區(qū)。與衛(wèi)星、攝像頭拍攝的圖像相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)更為精準，能直接反映監(jiān)控現(xiàn)場各種環(huán)境因子的變化，時效性好，能有效解決3S技術(shù)中的諸如實時性、精度低及漏判誤判等瓶頸問題。WSN系統(tǒng)能夠快速地將森林火災(zāi)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過無線通信傳遞至基站，各個節(jié)點均靠電池供電，供電能力直接影響節(jié)點的能量和數(shù)據(jù)處理能力。森林環(huán)境復(fù)雜性、異質(zhì)性及其對設(shè)備的敏感性，要求盡可能減少傳感器節(jié)點的體積。為了盡可能多地獲取森林環(huán)境參數(shù)，傳感器節(jié)點需要裝備多種高精度且使用周期長的傳感器。因此無線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)控的優(yōu)勢體現(xiàn)，對于網(wǎng)絡(luò)的錯容能力、強健性和出現(xiàn)故障時的重構(gòu)糾錯能力提出了新的要求[11，12]。

3 我國森林火災(zāi)監(jiān)測體系發(fā)展對策

3.1 不同空間層次監(jiān)測平臺的技術(shù)革新

在衛(wèi)星遙感技術(shù)方面，無線傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、凝視技術(shù)等空間信息獲取技術(shù)不斷更新，云計算、網(wǎng)格技術(shù)和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等信息和圖像處理技術(shù)取得重大突破，同時，新型民用高分衛(wèi)星傳感器分辨率也有了跨越式的提升，空間分辨率可達米級、時間分辨率可達分鐘級、高光譜分辨率可達納米級。衛(wèi)星遙感技術(shù)革新更加注重提高設(shè)備的監(jiān)測精度，包括著火點及時發(fā)現(xiàn)和精準定位、林火蔓延過程的精確監(jiān)測等。

近年來航空監(jiān)測也取得較大的技術(shù)突破。特別是小型無人機日趨成熟的飛行控制技術(shù)、長距離的數(shù)字圖像傳輸技術(shù)、高性能電池技術(shù)。這些新技術(shù)能有效提高小型無人機的飛行時間、增加有效載荷，搭載多種小型傳感器，使小型無人機具備了自動監(jiān)測林火和探測火情的能力，同時將圖像和數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛婊净蛑笓]中心。此外，關(guān)于激光雷達、多普勒天氣雷達、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)在森林防火領(lǐng)域的應(yīng)用，近期，人們也展開了大量研究，為林火的精準定位提供了新的監(jiān)測技術(shù)。

3.2 多種監(jiān)測平臺的系統(tǒng)集成和監(jiān)測體系的分層規(guī)劃

我國森林火災(zāi)監(jiān)測系已初步形成了衛(wèi)星、飛機、雷達、瞭望臺等立體空間監(jiān)測體系，但目前遠未形成一個集成高效、全面靈活的監(jiān)控體系。首先，目前我國各級防火機構(gòu)所構(gòu)建的林火監(jiān)控信息系統(tǒng)，與衛(wèi)星監(jiān)測信息結(jié)合的較多，而與瞭望臺、飛機巡護所獲取的信息結(jié)合的較少，造成各信息源之間融合程度較差，各類信息在空間和時間尺度上匹配度不高，指揮中心也難以依據(jù)這些信息做出全面正確的反應(yīng)。除了傳統(tǒng)監(jiān)測平臺之間的系統(tǒng)集成，新技術(shù)之間結(jié)合也為林火監(jiān)測提供了新的途徑，如：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN與“3S”技術(shù)的結(jié)合建立的低成本、實用性強的森林火災(zāi)遠程監(jiān)測系統(tǒng)[13，14]。其次，森林火災(zāi)監(jiān)控撲救過程的片段化，各級行政區(qū)劃和森林自然分布區(qū)域不完全一致，使得不同區(qū)域森林在火災(zāi)發(fā)生前、林火蔓延過程中和火災(zāi)后的監(jiān)測完整性差，沒有形成完整的綜合監(jiān)控體系。在未來的森林火災(zāi)監(jiān)測體系建設(shè)中，要運用新型信息技術(shù)，依托公共網(wǎng)絡(luò)資源，支持高速寬帶傳輸，進一步加強通信和傳輸網(wǎng)絡(luò)，科學地整合各種森林防火資源及監(jiān)測措施，建立優(yōu)化模型，逐步形成災(zāi)前預(yù)警、災(zāi)中監(jiān)測、災(zāi)后評估的全周期綜合監(jiān)測體系。不同的監(jiān)測平臺所監(jiān)測的時空尺度不同，需要在國家和不同區(qū)域尺度上分層次地構(gòu)建森林火災(zāi)監(jiān)測體系，以保證各級防火設(shè)施建設(shè)的整體性和針對性。比如：以多來源和多時相的衛(wèi)星監(jiān)測數(shù)據(jù)完成國家層面的全覆蓋監(jiān)測；對于省級區(qū)域性森林火災(zāi)的監(jiān)測，以航空監(jiān)測和衛(wèi)星監(jiān)測相結(jié)合，重點林區(qū)在防火期內(nèi)以航空護林飛機和無人機監(jiān)測為主；對于國家自然保護區(qū)或國家森林公園等重點森林防火監(jiān)控區(qū)域，應(yīng)以近地面監(jiān)測技術(shù)為主，以小型無人機監(jiān)測為輔。最后不同區(qū)域尺度的監(jiān)測技術(shù)整合到統(tǒng)一的國家森林火災(zāi)監(jiān)測體系中來，用衛(wèi)星通信技術(shù)將衛(wèi)星、航空及地面等獲取信息進行有機整合，逐步構(gòu)建服務(wù)于我國陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和森林資源高效管理的天-地-空一體化的森林火災(zāi)監(jiān)測體系。

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（責任編輯：陳小華）

S762.3

A

2016-12-20

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