基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)構(gòu)建森林火災(zāi)預(yù)警體系思考

張明玥，蔡特金,趙 航

(1.南京林業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京郵電大學(xué) 管理學(xué)院，江蘇 南京 210023)

1 引言

數(shù)據(jù)顯示，2019年我國(guó)共發(fā)生森林火災(zāi)2345起，受災(zāi)森林面積約13505 hm2。森林防火工作已經(jīng)引起了政府和社會(huì)各界的高度重視，成為中國(guó)防災(zāi)減災(zāi)的重點(diǎn)工作之一。但作為突發(fā)性強(qiáng)的自然災(zāi)害，森林火災(zāi)瞬息萬(wàn)變，撲滅工作危險(xiǎn)重重，如何準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對(duì)森林情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立完備、有效的森林火災(zāi)預(yù)警體系，落實(shí)“打早、打小、打了”的林火預(yù)防撲救方針，已成為我國(guó)亟需解決的問題。

2 森林火災(zāi)預(yù)警體系現(xiàn)狀

2013年第八次全國(guó)森林資源清查結(jié)果顯示，雖然我國(guó)的森林總面積已達(dá)2.08億 hm2，森林覆蓋率提高到21.63%，但仍是一個(gè)缺林少綠、生態(tài)脆弱的國(guó)家。森林覆蓋率只有全球水平的31%，人均森林面積也只有世界人均水平的20%，要想從根本上改變我國(guó)森林資源總量相對(duì)不足、質(zhì)量不高、分布不均的現(xiàn)狀，一方面，要大力發(fā)展生態(tài)林業(yè)民生林業(yè)，保證森林蓄積、森林面積雙增長(zhǎng)；另一方面，要重視現(xiàn)有森林資源的保護(hù)。我國(guó)從20世紀(jì)中葉開始重視森林火災(zāi)防控和預(yù)警領(lǐng)域的研究，借鑒了其他國(guó)家的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，不斷完善森林火災(zāi)預(yù)警體系。目前我國(guó)的森林火災(zāi)預(yù)警主要有以下幾種方式。

2.1 地面巡邏

地面巡邏是人類應(yīng)對(duì)預(yù)防森林火災(zāi)最早采取的方式之一，主要通過地面人員在一定范圍的森林區(qū)域內(nèi)實(shí)地巡邏，來(lái)達(dá)到預(yù)防火災(zāi)、發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的目的。我國(guó)各地均有嚴(yán)格的野外巡查制度，在森林防火的重點(diǎn)時(shí)段和重要部位約有30萬(wàn)人的護(hù)林員隊(duì)伍巡查巡護(hù)。

2.2 瞭望塔監(jiān)測(cè)

與地面巡邏相比，護(hù)林人員只需站在瞭望塔就可以觀測(cè)到一定范圍的森林區(qū)域，節(jié)省人力投入的同時(shí)，擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)面積。國(guó)家林業(yè)局的數(shù)據(jù)顯示，截至2016年8月，我國(guó)已累計(jì)建成了9312座人工瞭望塔，提升了森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)效率。

2.3 航空巡視

相比人工和瞭望塔2種巡視方式，配置相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備的飛機(jī)和無(wú)人機(jī)可以監(jiān)測(cè)更大面積的森林區(qū)域，也可以在發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，從高空實(shí)現(xiàn)對(duì)火情走勢(shì)的靈活監(jiān)視。我國(guó)現(xiàn)有1.68億 hm2的森林可以實(shí)現(xiàn)飛機(jī)巡航護(hù)林，森林航空消防覆蓋率超過50%。

2.4 衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)

我國(guó)已在北京、哈爾濱等4地建成了衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)中心。衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠不受地形等因素的影響，全天候、全時(shí)段對(duì)森林實(shí)施監(jiān)測(cè)，通過衛(wèi)星上搭載的光學(xué)攝影機(jī)和光譜分析設(shè)備，識(shí)別異常，并傳送到地面接收站，達(dá)到森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測(cè)的目的。

3 存在的問題

近年來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展，我國(guó)開始將無(wú)人機(jī)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)、無(wú)線傳感器等新技術(shù)應(yīng)用于森林火災(zāi)預(yù)警體系中，已經(jīng)形成了地面巡護(hù)、高山瞭望、飛機(jī)巡航和衛(wèi)星遙感有機(jī)結(jié)合的立體森林火災(zāi)預(yù)警體系，火情瞭望覆蓋率達(dá)到68.1%，初步實(shí)現(xiàn)火情“早發(fā)現(xiàn)”。但與加拿大等森林資源總量同樣豐富的國(guó)家相比，我國(guó)的森林火災(zāi)預(yù)警體系仍不夠完善，存在一些問題。

3.1 森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展未成體系

我國(guó)南北氣候、植被差異性較大，林火預(yù)警系統(tǒng)往往由各地區(qū)的林業(yè)局等機(jī)構(gòu)各自搭建，缺乏統(tǒng)一的森林火險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)建設(shè)。已有的火險(xiǎn)預(yù)報(bào)模型不能針對(duì)各地特殊的地形地貌和氣象環(huán)境特征，適用性較差。且我國(guó)現(xiàn)在使用的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要通過圖形圖像比對(duì)等方法，發(fā)現(xiàn)火災(zāi)并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，但我國(guó)的衛(wèi)星遙感空間精度不足，預(yù)報(bào)結(jié)果誤差較大，識(shí)別能力有待提高。

3.2 林火監(jiān)測(cè)信息化水平低

我國(guó)森林面積廣大，當(dāng)前全國(guó)林區(qū)的防火通訊覆蓋率僅有70%，許多區(qū)域尚未覆蓋通訊信號(hào)，護(hù)林人員的機(jī)動(dòng)通訊得不到應(yīng)有的保障。此外，一些森林防火指揮中心設(shè)備老舊，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)滯后，指揮中心、檢查站、瞭望塔和護(hù)林人員難以實(shí)現(xiàn)信息的互聯(lián)互通，大大降低了林火預(yù)警的工作效率。

3.3 森林航空消防供需矛盾突出

航空消防是森林防火預(yù)警體系中的新生力量，航空巡視能夠覆蓋復(fù)雜地理?xiàng)l件下的森林區(qū)域，有助于早發(fā)現(xiàn)、早撲滅森林火災(zāi)。近年來(lái)，我國(guó)森林航空消防能力顯著提升。目前已建成了北方、南方兩大航空護(hù)林總站，年租用飛機(jī)80架。但同樣森林覆蓋面積廣大的加拿大，有超過1000架滅火飛機(jī)為該國(guó)3.1 hm2的森林保駕護(hù)航?？梢姡覈?guó)的森林航空消防飛機(jī)總量不足，缺口巨大，尤其缺少能夠適應(yīng)高海拔地區(qū)作業(yè)的大中型滅火飛機(jī)，阻礙了森林航空消防發(fā)揮其在森林火災(zāi)預(yù)警體系內(nèi)應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。

4 構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的森林火災(zāi)預(yù)警體系

4.1 完善現(xiàn)有森林火災(zāi)預(yù)警體系

森林火災(zāi)預(yù)警是森林火災(zāi)“早發(fā)現(xiàn)”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，我國(guó)主要通過護(hù)林員地面和瞭望塔巡視、航空巡視和衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)4種主要方法預(yù)防森林火災(zāi)。但由于人工巡視范圍有限、瞭望塔布局存在盲區(qū)、衛(wèi)星遙感精度不佳等問題，導(dǎo)致我國(guó)的森林火災(zāi)預(yù)警體系綜合應(yīng)用能力不足，制約了預(yù)警體系的實(shí)際運(yùn)用。因而必須完善現(xiàn)有的森林火災(zāi)預(yù)警體系，充分發(fā)揮護(hù)林員、瞭望塔、航空飛機(jī)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)各自的優(yōu)勢(shì)，協(xié)同配合，提升我國(guó)的森林火險(xiǎn)預(yù)警能力。

(1)需要在國(guó)內(nèi)已有森林火險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分了解森林火災(zāi)預(yù)警的需求，由政府牽頭，與具有實(shí)力軟件公司合作，開發(fā)基于多源信息融合的森林火險(xiǎn)預(yù)警模型及與之配套系統(tǒng)軟件，建設(shè)全國(guó)性的森林火災(zāi)預(yù)警平臺(tái)。各省市可以在同一平臺(tái)的基礎(chǔ)上，根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的改建，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)落地，并直接負(fù)責(zé)轄區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的運(yùn)行維護(hù)和管理工作。

(2)對(duì)現(xiàn)有的瞭望塔進(jìn)行升級(jí)改造，配備必要的生活設(shè)施、瞭望監(jiān)測(cè)及語(yǔ)音通信設(shè)備，適當(dāng)新建瞭望塔，在林火預(yù)警一線形成護(hù)林員人工地面巡視和瞭望塔高處瞭望相輔相成的預(yù)警體系。護(hù)林員發(fā)現(xiàn)火情時(shí)可以第一時(shí)間聯(lián)系附近的瞭望塔傳遞信息并獲取支援，瞭望塔在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)也能及時(shí)與護(hù)林人員聯(lián)系實(shí)地排除隱患。我國(guó)目前采用的衛(wèi)星火情監(jiān)測(cè)主要采用人工判讀的方式，由值班人員對(duì)衛(wèi)星傳回的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判讀和火情發(fā)布，當(dāng)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的熱點(diǎn)達(dá)3個(gè)像素時(shí)，林火往往已經(jīng)蔓延開來(lái)。隨著我國(guó)目前使用的在軌衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加，這種人工判讀方式能夠處理數(shù)據(jù)量已經(jīng)不適合應(yīng)對(duì)龐大的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。因此，我國(guó)衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的當(dāng)務(wù)之急就是利用人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，搭建森林防火衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集分析處理的云平臺(tái)，提高數(shù)據(jù)的應(yīng)用效率和森林防火的信息化、智能化水平。

4.2 建設(shè)森林防火通信和信息指揮系統(tǒng)

我國(guó)現(xiàn)有森林防火通訊網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋全部森林區(qū)域，森林防火信息化程度不高、人員和各單位間的信息共享能力較差，未來(lái)應(yīng)依托5G通信、北斗衛(wèi)星體系，建設(shè)森林防火通信和信息指揮系統(tǒng)，全面提高森林防火預(yù)警體系的綜合保障能力。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的成功建成，讓中國(guó)成為繼美國(guó)和俄羅斯之后世界上第3個(gè)擁有成熟衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家，中國(guó)從此有了自主研發(fā)、具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋了中國(guó)及亞太大部分地區(qū)，具有定位準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)和無(wú)通信盲區(qū)等特點(diǎn)，并且開放了民用通信功能和短報(bào)文功能。我國(guó)未來(lái)應(yīng)依托北斗衛(wèi)星構(gòu)建林火衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)衛(wèi)星通信和已有的森林防火有線網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)的深度融合，確保發(fā)現(xiàn)森林火情的第一時(shí)間，各消防單位就能及時(shí)啟動(dòng)滅火方案，爭(zhēng)取將林火撲滅在萌芽階段。除日常通信系統(tǒng)，還應(yīng)建設(shè)機(jī)動(dòng)通信系統(tǒng)。此外，在發(fā)生森林火災(zāi)或?qū)ι值闹匾舾袇^(qū)進(jìn)行巡查時(shí)，還可以使用綜合通信車作為機(jī)動(dòng)通訊手段，保障一線和指揮部的信息暢通。依托森林防火通信系統(tǒng)的構(gòu)建，我國(guó)可以建設(shè)覆蓋全國(guó)范圍的林火預(yù)警綜合智慧調(diào)度平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)林火預(yù)警信息在國(guó)家、省、市、縣各級(jí)的自由流通，提升信息共享和資源整合能力，也有利于火情發(fā)生時(shí)最大限度調(diào)動(dòng)各方資源，及時(shí)排除隱患、撲滅林火。

4.3 加強(qiáng)森林火災(zāi)預(yù)警先進(jìn)技術(shù)的研究與應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)被看作是科學(xué)技術(shù)和人類生活發(fā)展的一次重大變革，可以用來(lái)解決人們生產(chǎn)生活中實(shí)際問題，我國(guó)也應(yīng)將物聯(lián)網(wǎng)的先進(jìn)技術(shù)運(yùn)用到森林火災(zāi)預(yù)警體系中。目前，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)一般分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要是通過各類傳感器感受和采集周邊環(huán)境信息，如溫度、濕度等，并將信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞出去。網(wǎng)絡(luò)層是通過通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，將感知層獲取的數(shù)據(jù)傳遞到不同的終端設(shè)備，供人們使用或分析。應(yīng)用層顧名思義，就是對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行利用，尤其是在有了人工智能之后，計(jì)算機(jī)算法能夠幫助人類快速有效地處理更加龐大的數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)分析造福更多人。我國(guó)目前較多使用拋物線法、橢圓方程法等林火蔓延模型，但是這些模型往往不能將可燃物、坡度等空間地理信息因素納入分析中，導(dǎo)致在實(shí)際使用時(shí)不能很好地預(yù)判火勢(shì)走向，甚至導(dǎo)致林火蔓延和較大的人員犧牲。人工智能可以處理更多的數(shù)據(jù)，選取最適合森林火災(zāi)發(fā)生地的模型進(jìn)行推演，協(xié)助指揮中心統(tǒng)籌全局，防止森林火災(zāi)蔓延。

當(dāng)搭建的物聯(lián)網(wǎng)林火預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先會(huì)通過分布在森林地面的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括溫度、濕度、光照度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)會(huì)通過預(yù)設(shè)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)，匯總至當(dāng)?shù)亓只痤A(yù)警指揮部門，并結(jié)合瞭望塔和衛(wèi)星遙感拍攝的森林實(shí)景照片，及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林中的溫度過高區(qū)域或小型火點(diǎn)，進(jìn)行滅火作業(yè)。除了通過無(wú)線傳感器獲取森林?jǐn)?shù)據(jù)，也應(yīng)深化和各地氣象部門的合作，實(shí)現(xiàn)氣象部門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通和共享，避免重復(fù)建設(shè)森林內(nèi)部傳感器，浪費(fèi)國(guó)家資源。同時(shí)，氣象部門對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析的工作已有數(shù)十年的歷史，可以通過氣象部門的數(shù)據(jù)庫(kù)擴(kuò)展森林防火的氣候信息數(shù)據(jù)庫(kù)，幫助算法模型更準(zhǔn)確地對(duì)森林火險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警。

4.4 構(gòu)建空地一體的森林火災(zāi)預(yù)警體系

(1)應(yīng)增加森林航空消防的飛機(jī)數(shù)量，填補(bǔ)我國(guó)航空消防飛機(jī)總量和需求間的巨大缺口。為了保證消防飛機(jī)的使用效率最大化，可以采用中央財(cái)政補(bǔ)助飛行費(fèi)的方式，鼓勵(lì)航空公司購(gòu)置森林航空消防的專用飛機(jī)。政府在需要，通過向航空公司購(gòu)買服務(wù)的方式使用森林航空消防飛機(jī)，確保有限數(shù)量的航空消防飛機(jī)能夠在不同省市范圍的快速調(diào)動(dòng)，降低消防飛機(jī)的閑置率。政府也需在航空企業(yè)購(gòu)置消防飛機(jī)時(shí)，通過政策進(jìn)行引導(dǎo)，針對(duì)使用場(chǎng)景的不同，采購(gòu)不同類型的消防飛機(jī)，滿足各地林場(chǎng)的多樣化需求。

(2)除了需要在數(shù)量上進(jìn)行增加，我國(guó)還需提高森林航空消防預(yù)警的科技含量。無(wú)人機(jī)小巧輕便，其在低空飛行不受地形條件的限制，可以用于林場(chǎng)巡視，及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林中的異常情況。無(wú)人機(jī)還可以進(jìn)行精準(zhǔn)的小范圍滅火，搭載滅火彈的多旋翼無(wú)人機(jī)可以迅速趕到著火點(diǎn)，在消防員就位前先行控制火勢(shì)，有效避免森林火災(zāi)擴(kuò)大帶來(lái)更大的損失。森林消防飛機(jī)則可以搭載空中水炮、新型吊籃、水囊等空中滅火先進(jìn)設(shè)備，用環(huán)保高效水系滅火劑取代傳統(tǒng)的以水滅火，及時(shí)控制森林火災(zāi)的火勢(shì)并進(jìn)行撲滅。

(3)在完善升級(jí)現(xiàn)有森林航站的基礎(chǔ)上，合理布建新航站和無(wú)人機(jī)起落站，提高我國(guó)的森林航空消防覆蓋率。可以利用人工智能技術(shù)進(jìn)行林火模擬，確定合適的無(wú)人機(jī)智能起落站位置。當(dāng)無(wú)人機(jī)電量過低或氣候條件惡劣時(shí)，會(huì)自動(dòng)停落在合適的智能起落站進(jìn)行充電和修整，待情況允許時(shí)再進(jìn)行巡邏或滅火作業(yè)。實(shí)現(xiàn)安全有序高效的無(wú)人機(jī)管理，構(gòu)建空地一體化的森林航空消防模式，可以充分發(fā)揮航空預(yù)警的優(yōu)勢(shì)。