衛(wèi)星林火監(jiān)測在尚志林區(qū)森林防火中的應(yīng)用

王文革，龐麗杰

(黑龍江省尚志國有林場管理局，黑龍江 哈爾濱 150601)

森林火災(zāi)是一種重要的自然災(zāi)害，因其突發(fā)性強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)不及時，對森林資源破壞性非常大，嚴(yán)重?fù)p害森林資源和生態(tài)安全。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界年均發(fā)生森林火災(zāi)20余萬起，過火面積約1000萬hm2；我國年均發(fā)生森林火災(zāi)約幾千起，受害森林面積達(dá)1萬hm2以上；森林火災(zāi)不僅破壞森林生態(tài)系統(tǒng)，還嚴(yán)重威脅林區(qū)人民群眾生命及財產(chǎn)安全。多年實(shí)踐證明，森林火災(zāi)早發(fā)現(xiàn)、早處置、早撲滅，是減少森林火災(zāi)對森林資源的破壞、降低損失的關(guān)鍵。

按照習(xí)近平生態(tài)文明建設(shè)思想要求，為進(jìn)一步加強(qiáng)森林火警監(jiān)測，尚志國有林場管理局在原有地面巡邏、瞭望塔高空瞭望的基礎(chǔ)上，2018年春季開始與中科銳景公司合作，在全局范圍試用該公司推出的衛(wèi)星林火監(jiān)測平臺，積極利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，推動森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測體系建設(shè)，提升森林防火工作科技水平。

1 應(yīng)用區(qū)基本情況

1)尚志國有林場管理局地處長白山脈張廣才嶺西坡，位于黑龍江省尚志市境內(nèi)，隸屬于黑龍江省林業(yè)和草原局，下屬8個國有林場，1個國家級森林公園，1個省級自然保護(hù)區(qū)。

2)經(jīng)營總面積200800hm2，其中國家級公益林109620.2hm2，地方公益林38879.14hm2，商品林50914.35hm2，活立木總蓄積1203萬m3，森林覆蓋率73%。

3)境內(nèi)為低山丘陵地貌，寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。境內(nèi)交通便利，哈牡高鐵、哈綏鐵路東西貫穿，G10高速公路、301國道、省級、縣級公路縱橫交錯，公路網(wǎng)發(fā)達(dá)。

4)該區(qū)域和淺山區(qū)，農(nóng)林鑲嵌嚴(yán)重，農(nóng)田與林地犬牙交錯，受傳統(tǒng)農(nóng)耕思想影響，因燒荒、上墳等引起森林火情時有發(fā)生。

2 衛(wèi)星林火監(jiān)測平臺概述

2.1 基本情況

我國已經(jīng)建立了具有較成熟的森林火情預(yù)警監(jiān)測組織機(jī)構(gòu)，林火監(jiān)測手段比較豐富，常見的有地面巡護(hù)、瞭望塔高空瞭望、林火視頻監(jiān)控以及部分衛(wèi)星林火監(jiān)測等。各種手段各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別在林火預(yù)警上發(fā)揮著不同的作用。但總體上還存在地面人工巡護(hù)密度不夠、觀察視線受限，人工瞭望塔瞭望條件艱苦、數(shù)量不足，林火視頻監(jiān)控有死角、維護(hù)與建設(shè)成本極高，衛(wèi)星林火監(jiān)測漏報率高等問題。隨著衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對林火的監(jiān)測預(yù)警能力近些年大幅提升，中科銳景公司開發(fā)的一款基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的野外火情監(jiān)測系統(tǒng)，全面圍繞“打早、打小”方針原則，采用國內(nèi)外優(yōu)選的多顆極軌和靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，結(jié)合先進(jìn)的軟硬件技術(shù)架構(gòu)，建立的全天時、反應(yīng)迅速、極簡交互，專門服務(wù)于基層的林火監(jiān)測服務(wù)平臺。

2.2 主要功能

2.2.1 優(yōu)化火情預(yù)警服務(wù)

衛(wèi)星過境后，熱點(diǎn)信息30min內(nèi)直達(dá)基層負(fù)責(zé)人手機(jī)，減少原來各級管理機(jī)構(gòu)之間層層報送的時間，為火情打早爭取了寶貴時間；平臺提供了高清的地形地貌衛(wèi)星圖，可以隨時查看火點(diǎn)位置的地面屬性，為熱點(diǎn)預(yù)核查提供便捷工具；衛(wèi)星監(jiān)測技術(shù)目前是無人區(qū)火情最早發(fā)現(xiàn)的技術(shù)手段，這是其他手段目前無法替代的；平臺支持火情核查結(jié)果快速反饋，火場現(xiàn)況圖片隨時上傳，為火情信息在相關(guān)組織內(nèi)及時共享提供了支持工具；平臺還能對境外火及可能過境火及時提醒；平臺為值班人員提供了火情報警聲音提醒功能，讓值班人員能更輕松值班；不同崗位人員可根據(jù)需要配置手機(jī)消息接收參數(shù)，不需要的消息可以不接收，減少打擾信息；平臺還能提供72h內(nèi)的高精度森林火險預(yù)警。

2.2.2 細(xì)化撲火指揮決策支持

平臺提供火場附近地形地貌、路網(wǎng)、居民區(qū)等高清地圖展示，可用于直觀判斷火場周邊地理環(huán)境，進(jìn)行火場標(biāo)繪；提供高精度氣溫、風(fēng)速風(fēng)向、濕度、能見度及降水等氣象觀測信息的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，空間分辨率為一公里格網(wǎng)，數(shù)據(jù)每小時更新一次；提供全國大尺度云圖、水汽柱總量等衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果的實(shí)時查看功能，用于支持人工增雨輔助決策；提供瞭望塔標(biāo)、水源地、航站視頻監(jiān)控頭、自動氣象站、中繼站等指揮決策專題地圖支持；提供火場地表土地利用類型智能判斷能力，自動判斷各種土地利用類型占比；通過其他途徑發(fā)現(xiàn)的熱點(diǎn)可以在平臺上報備，報備后，信息能在相關(guān)人員中共享，后續(xù)衛(wèi)星能對其進(jìn)行持續(xù)追蹤監(jiān)測；當(dāng)火情發(fā)生在和其他行政區(qū)域邊界附近時，能將該火情實(shí)況授權(quán)給友鄰單位，支持共同撲火；火情進(jìn)展報告可以隨時一鍵式生成。

2.2.3 強(qiáng)化火情綜合監(jiān)管

為了向各下級單位提供火情信息，平臺提供火情通知單一鍵生成功能，全轄區(qū)火情實(shí)況自動統(tǒng)計，結(jié)果方便轉(zhuǎn)發(fā)給下級單位；平臺提供多源衛(wèi)星過境軌道預(yù)測與數(shù)據(jù)到達(dá)監(jiān)控能力；位于高風(fēng)險區(qū)及高危區(qū)的火情重點(diǎn)提醒；提供計劃燒除備案及執(zhí)行追蹤能力；提供全轄區(qū)及邊境外實(shí)時火情地圖展示；地圖縮放、距離測量、面積測量等基本操控工具；對于防火專題數(shù)據(jù)(瞭望塔標(biāo)、水源地、航站視頻監(jiān)控頭、自動氣象站、靠前駐防點(diǎn))，可以自行管理維護(hù)；還提供高清衛(wèi)星圖像支持火情的災(zāi)后評估。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢

通過多源衛(wèi)星協(xié)同觀測，高時間與空間分辨率數(shù)據(jù)監(jiān)測有機(jī)結(jié)合，智能合并。該平臺使用6顆極軌衛(wèi)星和1顆靜止衛(wèi)星，日觀測高達(dá)150余次，有效提升小火點(diǎn)探測能力，24h持續(xù)觀測，對大火發(fā)展態(tài)勢進(jìn)行了及時有效的跟蹤(表1)。

表1 系統(tǒng)使用衛(wèi)星參數(shù)Tab.1 Satellite Parameters Used by the System

2.3.1 獨(dú)特算法，降低誤判

考慮我國各地的物候特征、地理環(huán)境、氣象條件等多種因素，結(jié)合生態(tài)狀況信息的農(nóng)火及林火動態(tài)區(qū)分方法、對海拔、地形的靜止衛(wèi)星火點(diǎn)位置偏差精度校正技術(shù)和高分辨率大氣模式調(diào)優(yōu)技術(shù)，研發(fā)的森林及草原火特征的區(qū)域自適應(yīng)動態(tài)閾值火點(diǎn)判識算法，盡量降低林火的誤判率，保障林草區(qū)域火險預(yù)報的準(zhǔn)確度。

2.3.2 構(gòu)建固定火點(diǎn)庫，剔除虛假熱點(diǎn)

研發(fā)適用于我國專有的工業(yè)干擾熱源、太陽耀斑及水面耀斑反射動態(tài)剔除方法，構(gòu)建中國地區(qū)固定火點(diǎn)庫(共26.4w點(diǎn)次)，剔除虛假熱點(diǎn)，提高熱點(diǎn)監(jiān)測精度。

2.3.3 高清地圖

利用高清衛(wèi)星影像，搭載天地圖、谷歌、bing在線地圖，支持三維地形，實(shí)現(xiàn)火情快速預(yù)核驗(yàn)火點(diǎn)所處位置及周邊地表類型，人眼可清晰識別，減少由于林相數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不夠或者更新不及時造成的誤判，減少火情核查工作量。

3 應(yīng)用情況分析

2018年春季開始，全局上下統(tǒng)一使用了該平臺，經(jīng)過近三年的應(yīng)用，森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測及時，效果比較明顯。

3.1 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)設(shè)置

1)整個平臺采取了三級網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)置。第一級為主管領(lǐng)導(dǎo)級，能夠接收全局范圍內(nèi)的預(yù)警信息，查看核查情況；第二級為局防火辦級，能夠接收全局范圍內(nèi)的預(yù)警信息，查看基層核查情況，進(jìn)行核查反饋；第三級為國有林場級，場長、主管場長，管護(hù)站長及1～2名骨干管護(hù)員，能夠接收、核查、反饋本林場范圍內(nèi)的預(yù)警信息。

2)防火辦值班人員通過平臺PC端全天登錄系統(tǒng)，隨時接收預(yù)警信息(自動報警)，及時處理有關(guān)情況(圖1)。

圖1 林火監(jiān)測系PC端Fig.1 PC Side of Forest Fire Monitoring System

3)其他人員通過手機(jī)微信或App，接收預(yù)警信息推送，進(jìn)行現(xiàn)場核查，反饋核查信息(圖2，圖3)。

圖2 移動端模塊界面Fig.2 Mobile Terminal Module Interface

圖3 移動端功能界面Fig.3 Mobile Functional Interface

3.2 火情預(yù)警及處理情況

火情預(yù)警及處理情況通過表格形式記錄并上報(表2，表3，表4，表5)。

表2 2018年4月-2020年6月預(yù)警信息統(tǒng)計表Tab.2 Statistical Table of Early Warning Information from April 2018 to June 2020

續(xù)表2 2018年4月-2020年6月預(yù)警信息統(tǒng)計表Tab.2 Statistical Table of Early Warning Information from April 2018 to June 2020

表3 預(yù)警消息年度和時間段分布Tab.3 Distribution of Warning Messages by Year and Time Period

表4 首次發(fā)現(xiàn)火情衛(wèi)星類型和火情核查情況Tab.4 First Discovery of Fire Satellite Type and fire Verification

表5 信息推送延遲和位置偏差統(tǒng)計Tab.5 Statistics of Information Push Delay and Position Deviation

1)從上述各表中統(tǒng)計可以看出，2018年4月至2020年6月，共接收預(yù)警信息54次，其中：2018年47次，2019年6次，2020年1次；靜止衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)19起，極軌衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)35起；全部為農(nóng)用火；衛(wèi)星首次發(fā)現(xiàn)火情至預(yù)警信息推送時間平均需要33min，極值為最長47min，最短19min。

2)在應(yīng)用過程中，為測試衛(wèi)星監(jiān)測地址的準(zhǔn)確性，林場現(xiàn)場核查人員每次都對推送信息的坐標(biāo)點(diǎn)與實(shí)際火點(diǎn)進(jìn)行估測，位置偏差小于500m的8次，500至1000m的27次，1000m以上的19次。

3.3 應(yīng)用分析及建議

3.3.1 應(yīng)用情況分析

1)年度發(fā)生預(yù)警次數(shù)差異。因黑龍江省從2018年秋季開始實(shí)行秸稈禁燒政策，特別是2019年秋至2020年春，實(shí)行全時段全區(qū)域全面禁燒秸稈，因而出現(xiàn)域內(nèi)火情大幅度減少情況。

2)從起火時間段分布看，符合林火或農(nóng)用火發(fā)生規(guī)律，主要集中在中午至傍晚時間內(nèi)。這一時段內(nèi)，氣溫相對較高，可燃物相對比較干燥，風(fēng)力逐漸增強(qiáng)，利于燃燒，也是農(nóng)民勞作比較集中的時段。

3)預(yù)警信息推送及時。從統(tǒng)計上看，從衛(wèi)星首次發(fā)現(xiàn)火情到預(yù)警信息推送，平均為33min，基本處于初級火情階段，有利于“打早打小”原則。

4)從位置偏差來看，位置偏差相對比較大，大部分位置偏差在1000m左右，但因火場有煙霧警示，便于快速到達(dá)火場開展撲救。

3.3.2 建議

1)完善區(qū)域性森林資源圖的匹配，細(xì)化森林、林地、農(nóng)田的區(qū)劃，提高林火和農(nóng)用火的分析判斷準(zhǔn)確度。

2)完善地理信息資料，結(jié)合地形圖、交通圖、區(qū)劃圖等底層信息，完善撲火指揮輔助信息，對火點(diǎn)地形地貌、周邊撲火力量、行軍路線做深入細(xì)化。

3)完善地球曲率系數(shù)，提高坐標(biāo)點(diǎn)精度，減少誤差。

4)拓展衛(wèi)星數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)24h不間斷捕捉，盡可能減少衛(wèi)星掃描間隔期。

4 結(jié)語

衛(wèi)星林火監(jiān)測系統(tǒng)功能比較完善，同時具有pc端和移動端兩個平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)火情火警快速發(fā)現(xiàn)且火情信息及時推送到終端，熱點(diǎn)推送時間和監(jiān)測精準(zhǔn)度在國內(nèi)處于先進(jìn)水平，能夠?qū)崿F(xiàn)林火早發(fā)現(xiàn)、早處置、早撲滅，減少火災(zāi)蔓延的時間，提高預(yù)警監(jiān)測能力，對有效開展科學(xué)撲救具有積極的作用，對提升森林防火工作綜合管理水平具有重要意義。