多光譜森林防火系統(tǒng)在大青山的設(shè)計與應(yīng)用

郝儀萱

（呼和浩特市林業(yè)和草原局新城分局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

1.設(shè)計背景

習(xí)近平總書記一直在強調(diào)“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，由此可見，生態(tài)興則文明興，生態(tài)衰則文明衰。黨的十八大將生態(tài)文明建設(shè)放在治國理政的重要戰(zhàn)略位置，我國的社會主義“五位一體”總體布局中也增加了生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)容。黨的十九大，重點強調(diào)了生態(tài)文明建設(shè)，并作出了新論斷，提出了新要求，強調(diào)必須堅持人與自然和諧共生，統(tǒng)籌山水林田湖草治理，建設(shè)美麗中國。

森林，作為一種可貴的自然資源，不僅產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益，更會帶來不可比擬的生態(tài)效益?？墒?，森林火災(zāi)是目前全球發(fā)生范圍最大、危害性最高、救助難度最大的一類自然災(zāi)害，其不僅會對森林資源帶來毀滅性打擊，還會對國家的生態(tài)安全帶來危害，直接威脅著國家森林資源安全和生態(tài)文明建設(shè)的成果。一旦居民區(qū)、森林與農(nóng)田交叉的地方發(fā)生這類自然災(zāi)害，會對糧食、房屋及畜牧帶來不可估量的影響。一旦出現(xiàn)森林火災(zāi)，需要大量的消防人員前往消滅火災(zāi)，避免人力和物力的浪費，影響到正常的生產(chǎn)勞動，還會對居民的生命安全帶來威脅。

2012年，呼和浩特市新城區(qū)啟動了大青山前坡生態(tài)保護綜合治理工程。經(jīng)過九年的植樹護綠，全區(qū)林草管護面積達80.6萬畝，大青山前坡更在短短幾年內(nèi)新增林地面積近14萬畝，豐富的森林資源已成為新城區(qū)改善生態(tài)環(huán)境、加快經(jīng)濟發(fā)展和旅游開發(fā)的重要組成部分。

大青山林業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)健康發(fā)展，在生態(tài)建設(shè)、農(nóng)民增收等方面發(fā)揮重要作用的同時，也給森林防火工作提出了更高要求，帶來了更艱巨、更繁重的任務(wù)。為從根本上消除火災(zāi)隱患，最大限度地減少森林火災(zāi)的發(fā)生，迫切需要采用新的技術(shù)手段為森林火災(zāi)檢測、預(yù)警、撲救、災(zāi)后評估等決策提供技術(shù)支撐和服務(wù)，同時也需要兼顧樹木砍伐、野生動物偷獵等常見問題的管控。因此，建設(shè)一套先進的火災(zāi)監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。

2.設(shè)計目標

通過利用多光譜紅外熱成像熱感應(yīng)技術(shù)和煙火智能檢測算法，全面監(jiān)控新城區(qū)大青山前坡數(shù)公里范圍內(nèi)的森林資源，采取智能森林防火預(yù)警模式，能夠掌握森林資源的各項情況，利用智能化與自動化設(shè)備對大青山前坡森林資源火宅進行監(jiān)控、報警和定位。在實現(xiàn)森林防火智能化、可視化的同時，促進林業(yè)資源管理、護林員巡護及應(yīng)急調(diào)度等多方面業(yè)務(wù)的融合管理，打造一體化、全方位、全天候的智慧林業(yè)。

3.系統(tǒng)設(shè)計

在新城區(qū)大青山段的山體制高點，建設(shè)完成光譜火險預(yù)警監(jiān)測雷達站點和信息指揮中心，選用高清變焦攝像機架設(shè)在生態(tài)觀測臺上，實現(xiàn)全區(qū)生態(tài)監(jiān)測預(yù)警全覆蓋。使森林和草原管護區(qū)內(nèi)預(yù)警和監(jiān)控全方位無死角，構(gòu)建地面管護人員瞭望巡邏、高山高清探測相結(jié)合的立體化、全覆蓋的生態(tài)監(jiān)測與環(huán)境保護、防火預(yù)警與應(yīng)急管理相結(jié)合的森林草原生態(tài)保護綜合監(jiān)控監(jiān)測體系。對盜砍盜伐、火災(zāi)隱患、私搭亂建、私開盜采等破壞森林資源的行為實現(xiàn)全面監(jiān)控。

3.1 多光譜火災(zāi)預(yù)警探測裝置的技術(shù)優(yōu)勢

根據(jù)國家林業(yè)規(guī)范要求和實際火災(zāi)監(jiān)測需要，要求用于火災(zāi)監(jiān)測的攝像機除了具備高清監(jiān)控能力外，要求能在遠距離對火點進行識別，具有較高的準確性；同時，攝像機還需能對火點位置進行準確定位，和采集森林草原周邊的氣象信息（風(fēng)力，風(fēng)速等）；在性能上要求攝像機具有良好的穩(wěn)定性，防雷抗風(fēng)能力等。

多光譜攝像機的工作原理是，分析測量對象與背景或其各個部分之間的輻射信號差異，并將這種信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大處理后，獲得視頻圖像。通俗地講多光譜攝像機的作用，將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭勺R別的熱圖像。由于不需要借助可見光，通過被動接收物體熱量而形成圖像，因此又稱被動紅外成像。

在火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測方面，采用熱紅外智能煙火檢測技術(shù)，實現(xiàn)煙火智能識別，并結(jié)合高清一體化可見光云臺攝像機及后端智能可視化綜合監(jiān)測管理軟件實現(xiàn)煙火智能識別并自動報警，與單一采用可見光檢測方式相比具有更高的準確性；同時，運用重型數(shù)字云臺轉(zhuǎn)動的方位角和俯仰角、長焦鏡頭的焦距及后端GIS管理軟件平臺實現(xiàn)火點自動精確定位，通過攝像機和傳輸鏈路將視頻圖像和控制信號傳輸?shù)街笓]中心進行監(jiān)視、存儲和管理。

3.2 防盜報警子系統(tǒng)的技術(shù)特點

森林防火智能監(jiān)測系統(tǒng)前端基站設(shè)備安裝的主要區(qū)域都是在密林深處，這些區(qū)域一般鮮有人跡、無人值守，所以，需要采用具備智能分析自動防盜報警功能的防盜攝像機，并通過雙向語音對講的方式，對野外森林防火監(jiān)測基站設(shè)備的偷盜者、違法打獵者、密林吸煙燒紙等人員起到警告和威懾作用。

防盜報警系統(tǒng)工作方式為：一旦有人靠近、登上基塔，那么警告系統(tǒng)會開啟，攝像機的錄像信息會傳遞給監(jiān)控中心；同時，現(xiàn)場會放出警示信號，該信號傳遞給監(jiān)控中心后，監(jiān)控中性通過語音對講系統(tǒng)可以實現(xiàn)現(xiàn)場對講。

上級的監(jiān)控指揮中心則通過對講系統(tǒng)能夠單向的通話，上級單元則可以監(jiān)聽本地的聲音信號。

利用遠程控制系統(tǒng)能夠?qū)镜母黜梿巫釉O(shè)備進行控制，還能對攝像機、云臺以及鏡頭等設(shè)備進行遠程操控。

前端基站的揚聲器及拾音器，能夠和指揮中心進行對話；一旦外來人員進入到基站，識別出其會威脅到基站的安全，則通過揚聲器自動播放音頻文件進行警告等。

3.3 頻段選擇

相比起專用頻段的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，森林防火智能監(jiān)控系統(tǒng)有著極高的性價比，并且由于專用頻段的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與智能化監(jiān)控系統(tǒng)的兼容和匹配度不高，所以，森林防火智能監(jiān)控系統(tǒng)采用了性價比最高的5.8G無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。移動、電信3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬目前還無法滿足視頻監(jiān)控實時傳輸?shù)男枰⑶疫€未能全面覆蓋森林區(qū)域；而5.8G無線網(wǎng)絡(luò)的采用就解決了以上難題，它不僅費用低、傳輸帶寬高，而且通過自建的方式可以覆蓋眾多森林區(qū)域。

3.4 火災(zāi)動態(tài)演練

通過以時間順序顯示和移動標繪，動畫模擬火災(zāi)的蔓延、人員的調(diào)動等行為，再現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場撲火過程，并提供開始、暫停、停止、重播等操作，幫助總結(jié)撲火經(jīng)驗?；蛘咄ㄟ^假想火災(zāi)，根據(jù)火災(zāi)周邊的情況，制定撲火預(yù)案，進行撲火演練，幫助撲火指揮人員提高實戰(zhàn)水平。提供動態(tài)演練的創(chuàng)建、編輯、存檔功能。

3.5 三維林火定位及最佳路徑的技術(shù)優(yōu)勢

系統(tǒng)可根據(jù)前端數(shù)字云臺信息及其海拔、塔高、云臺水平角、俯仰角信息結(jié)合DEM數(shù)據(jù)，迅速、準確地鎖定火點位置，同時獲得火點所在的地名，通過智能系統(tǒng)的計算，快速鎖定著火點周圍是否存在危險設(shè)施設(shè)備，對附近的撲火力量（專業(yè)森林撲火隊伍、村鎮(zhèn)應(yīng)急撲火隊伍等）進行預(yù)估，并綜合地理信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析功能，快速分析計算出每支撲救力量到達火災(zāi)現(xiàn)場的時間和最佳路徑，進行林火撲救的動態(tài)模擬，使撲火指揮人員就近組織撲火隊伍、物資展開有效的撲救。不僅如此，系統(tǒng)結(jié)合GPS衛(wèi)星定位、軌跡顯示等功能，能夠指引消防人員及車輛的通行，系統(tǒng)三維電子沙盤上顯示出的地理信息為指揮中心提供了清晰的路線，以便于消防人員及車輛可以選擇出最佳的救火路徑，并及時的抵達現(xiàn)場。

3.6 林火蔓延動態(tài)模擬

森林火災(zāi)的蔓延過程，是一個多相、多組分可燃物在不同的氣象條件和地形的影響下，進行燃燒和運動的復(fù)雜現(xiàn)象。多光譜森林防火系統(tǒng)結(jié)合惠更斯原理和國際上成熟的林火行為模型（Rothermel的地表火模型，Van Wagner的樹冠火蔓延模型，McAlpine 的林火加速模型），建立了適合呼和浩特市大青山前坡地形的林火蔓延動態(tài)模型，由此開發(fā)出相應(yīng)的動態(tài)模擬模塊。

通過對火情位置點當(dāng)時的天氣狀況（溫度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速）、地形地貌、周圍可燃物狀況的分析，以及對該區(qū)域森林資源的種類、面積、樹齡和防火線、河流、道路、防火林帶等隔離帶信息的分析，根據(jù)森林火情的蔓延態(tài)勢來模型動態(tài)計算后，自動生成該區(qū)域林火蔓延的模擬效果，第一時間向決策者提供火情燃燒區(qū)域、蔓延速度、火線強度、火場擴展趨勢等重要火災(zāi)行為信息，使指揮人員在辦公室就可看到未來一段時間內(nèi)林火發(fā)展蔓延的趨勢和情況。

3.7 定制作戰(zhàn)方案

系統(tǒng)根據(jù)森林火災(zāi)撲救指揮的工作流程，實現(xiàn)火災(zāi)撲救模擬作戰(zhàn)方案的制定，涉及的模塊主要包括：火點自動定位、火險預(yù)警、林火蔓延模擬、輔助決策、指揮調(diào)度、日常管理、林火標繪。

定制作戰(zhàn)方案的流程如圖1所示：

圖1 定制作戰(zhàn)方案流程

3.8 林火撲救命令的下發(fā)

根據(jù)火情的不同情況，系統(tǒng)定制作戰(zhàn)方案后，通過服務(wù)器向移動端發(fā)送林火撲救命令，值班人員、撲防火隊、應(yīng)急部門等會接收到發(fā)送的指令，做出行動。

3.9 根據(jù)現(xiàn)場回傳的GPS位置信息、圖像、聲音進行實時指揮作戰(zhàn)前端撲救隊伍、車輛、指揮中心、聯(lián)動部門等通過平板電腦、手機、電話等多種移動途徑將現(xiàn)場的GPS位置信息、圖像、聲音回傳到系統(tǒng)，在地圖中顯示出來，用于系統(tǒng)輔助決策功能。

3.10 GPS監(jiān)控

多光譜森林防火指揮輔助決策系統(tǒng)結(jié)合了GPS技術(shù)、無線通信技術(shù)（GSM/GPRS/CDMA) , 對攜帶了GPS終端的護林人員、撲火隊員和車輛進行定位跟蹤、歷史軌跡回放、安全報警、遠程監(jiān)控，實時監(jiān)測其所在位置，決策者可以隨時進行指揮調(diào)度。

GPS 監(jiān)控功能包括GPS跟蹤、GPS定位、撲火路徑分析等基本GIS功能。通過GPRS 將被監(jiān)控移動設(shè)備的GPS (可以擴展到北斗）的地理坐標系統(tǒng)，發(fā)送到服務(wù)器端；查詢用戶可以通過PC或者其他移動設(shè)備，實時查詢被監(jiān)控對象的位置坐標，并能夠動態(tài)的反映在電子地圖上。配備定位終端設(shè)備給救護車及撲救人員，可以讓他們實時掌握動態(tài)的信息，以實現(xiàn)不間斷地跟蹤；指揮系統(tǒng)與移動目標結(jié)合在一起，能夠讓車輛、人員的信息位置直觀地展現(xiàn)出來，并獲得其對應(yīng)的軌跡信息。系統(tǒng)支持對歷史軌跡進行查詢、回放；系統(tǒng)能夠借助強大的GIS系統(tǒng)支持，幫助撲救人員、車輛進行綜合分析，確定最優(yōu)路徑和最優(yōu)滅火方案，引導(dǎo)其快速滅火。

同時，系統(tǒng)還可以通過前端GPS設(shè)備回傳的數(shù)據(jù)，直接在系統(tǒng)中自動形成封閉的過火區(qū)域，并自動進行過火面積統(tǒng)計計算。

4.風(fēng)光互補供電子系統(tǒng)

呼和浩特市新城區(qū)森林區(qū)域日照充足，風(fēng)力較大，能為風(fēng)光互補供電系統(tǒng)提供充足的太陽能、風(fēng)能資源，保障監(jiān)控設(shè)備的正常運行，為森林防火監(jiān)控供應(yīng)電能。

前端監(jiān)控基站所處位置在野外，除基站附近有市電的情況下可以采用電纜電力輸送，并根據(jù)實際情況配置USP后備電源系統(tǒng)。遠距離一般不建議采用市電，因為過長的電源線路導(dǎo)致到達基站時電壓較低，容易造成設(shè)備損害，而且成本高，所以，最好的方案就是在日照比較豐富的地方采用太陽能發(fā)電系統(tǒng)，在風(fēng)能比較豐富的地方采用風(fēng)能和太陽能互補的發(fā)電系統(tǒng)。

5.結(jié)論和意義

綜合運用多種技術(shù)，以林業(yè)專題數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫和防火數(shù)據(jù)庫為支撐，通過多光譜森林防火輔助決策支持系統(tǒng)，在呼和浩特市新城區(qū)大青山前坡實現(xiàn)三維場景下的“災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后”全過程、全方位、一體化的動態(tài)管控及決策，以支持森林火災(zāi)的預(yù)測、預(yù)警、撲救及災(zāi)后評估等決策，構(gòu)建一個智能化防火體系。同時，多光譜森林防火輔助決策支持系統(tǒng)使新城區(qū)的森林草原防火實現(xiàn)指揮快速化、決策科學(xué)化、調(diào)度實時化以及防火信息資源化的目標，及時準確地提供火災(zāi)初期預(yù)警，把火災(zāi)控制在較小的范圍內(nèi)，使損失降低到最低程度；同時，幫助森林防火部門更加方便、快捷和系統(tǒng)化的工作，管理方式逐漸從以前粗放式管理向信息化管理過渡，加強了對監(jiān)控過程的集中管理，保證國家財產(chǎn)安全、降低管理成本，為新城區(qū)的森林草原生態(tài)和經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮積極的作用。