北斗終端在森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測體系中的應(yīng)用

文｜武紅敢 田曉瑞 付立紅 王學(xué)明

1.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所

2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室

3.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所

4.天津市薊州區(qū)林業(yè)局

5.知曉（北京）通信科技有限公司

一、引言

森林火災(zāi)是當(dāng)前世界面臨的重要自然災(zāi)害和突發(fā)公共安全事件，森林大火會給森林資源、生態(tài)安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重破壞[1]。2010—2019年十年間，我國年均發(fā)生森林火災(zāi)3789次，年均過火面積4.85萬公頃。森林火災(zāi)以一般火災(zāi)和較大火災(zāi)為主，中部和南部地區(qū)較多，但2017年5月內(nèi)蒙古大興安嶺畢拉河森林大火過火面積達(dá)1.15萬公頃。我國每年的撲火經(jīng)費(fèi)和火災(zāi)造成的其他損失超1億元，其中2014年超過5億元。每年都會有超過20人因森林火災(zāi)不幸罹難[2]。保護(hù)森林資源和森林防火一直是國家林草局的重要任務(wù)之一，全國林草系統(tǒng)堅(jiān)持不懈地按照“預(yù)防為主、積極消滅”的原則，壓實(shí)森林防火責(zé)任，重點(diǎn)加強(qiáng)火源管控、消防隊(duì)伍建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，穩(wěn)步提升森林防滅火工作的專業(yè)化、信息化和智能化，扎實(shí)推進(jìn)人防、物防和技防體系建設(shè)，不斷提高森林火災(zāi)綜合防控能力，確保不發(fā)生重特大森林火災(zāi)，維護(hù)生態(tài)安全。

林火監(jiān)測與預(yù)警是防災(zāi)減災(zāi)的首要環(huán)節(jié)。為推進(jìn)森林草原火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測工作高質(zhì)量發(fā)展，我國正在制定全國短期（2023年）、中期（2025年）和長期（2035年）森林草原預(yù)警監(jiān)測體系建設(shè)規(guī)劃，推動新一代信息技術(shù)與森林草原火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測深度融合，優(yōu)化預(yù)警監(jiān)測的組織、業(yè)務(wù)和技術(shù)體系，全面提升預(yù)警監(jiān)測能力，為構(gòu)建森林草原防滅火工作新格局提供有力保障。

2020年7月31日，我國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著北斗系統(tǒng)進(jìn)入到全球服務(wù)新時代，也為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供了重要時空信息保障。森林火災(zāi)的精準(zhǔn)預(yù)防、監(jiān)測和高效撲救都需要高精度的時空動態(tài)數(shù)據(jù)做保障，因此北斗系統(tǒng)在我國林火監(jiān)測與預(yù)警工作中得到廣泛深入應(yīng)用。

二、我國森林草原火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測體系

我國在森林草原火災(zāi)防控方面始終堅(jiān)持統(tǒng)籌規(guī)劃、上下聯(lián)動、協(xié)同推進(jìn)、科技賦能和創(chuàng)新發(fā)展的原則，這種縱橫聯(lián)調(diào)、協(xié)同聯(lián)動的工作機(jī)制和信息共享共用制度推動了各級林火管理部門的能力發(fā)展，加快了新技術(shù)、新設(shè)備、新系統(tǒng)的落地和成果推廣，其專業(yè)化、科學(xué)化、精細(xì)化和智能化水平不斷提升。時空動態(tài)數(shù)據(jù)的及時獲取與傳輸是火險(xiǎn)預(yù)警和火情監(jiān)測的基礎(chǔ)，也是各級防火部門開展林火管理的決策依據(jù)。基于空間位置和時間動態(tài)的林草專題信息感知需要導(dǎo)航定位、授時和短報(bào)文服務(wù)的支撐，北斗亞太區(qū)域的RNSS和RDSS優(yōu)質(zhì)服務(wù)全面提升了我國獲取火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力。

1.森林草原火災(zāi)預(yù)警體系

國家主管部門為地方各級林火管理部門提供平臺、基本預(yù)報(bào)模型、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)及火險(xiǎn)預(yù)測預(yù)報(bào)信息，各省研發(fā)符合本區(qū)域特點(diǎn)的精細(xì)化預(yù)報(bào)模型，市縣級利用相關(guān)感知系統(tǒng)和火險(xiǎn)因子采集設(shè)備開展科學(xué)數(shù)據(jù)收集。

2.森林草原火災(zāi)監(jiān)測體系

國家主管部門匯聚全國各類監(jiān)測的動態(tài)信息，及時發(fā)現(xiàn)和分析火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)區(qū)域的全天候、高時空分辨率的連續(xù)監(jiān)測，實(shí)時掌握火災(zāi)態(tài)勢；各省利用“天-空-地-網(wǎng)”等監(jiān)測手段加強(qiáng)監(jiān)測頻次、提高監(jiān)測粒度和傳輸能力，提升火情監(jiān)測覆蓋度、準(zhǔn)確率和核查反饋率。

三、適用于林火監(jiān)管業(yè)務(wù)的北斗終端（或產(chǎn)品）

狹義地理解，北斗終端就是利用北斗衛(wèi)星公共信號來定位的一種GNSS產(chǎn)品。在行業(yè)應(yīng)用中，它是特指基于國產(chǎn)北斗基礎(chǔ)產(chǎn)品（如基帶/視頻芯片、模塊、天線、板卡、北斗三號民用基礎(chǔ)產(chǎn)品推薦目錄等）研制的具備北斗定位或北斗短報(bào)文收發(fā)通信的終端設(shè)備。

雖然北斗系統(tǒng)和GPS、GLONASS、Galileo等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)都可以為海陸空任意位置的用戶提供全天時、全天候的導(dǎo)航、定位、授時等服務(wù)，但我國的北斗系統(tǒng)還具有短報(bào)文通信的獨(dú)特服務(wù)，為無地面通信環(huán)境下的即時數(shù)據(jù)采集與人員安全保障提供了技術(shù)手段。由于北斗系統(tǒng)采用三種軌道的混合衛(wèi)星星座，因此中國及其周邊區(qū)域可以享用更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)能力。森林草原火災(zāi)的偏遠(yuǎn)性、突發(fā)性和隨機(jī)性特點(diǎn)，決定了森林草原火災(zāi)的高效防控需要高頻次時空數(shù)據(jù)的保障，這也是北斗系統(tǒng)得到深度應(yīng)用的重要緣由。根據(jù)北斗終端在森林草原火災(zāi)防控領(lǐng)域的應(yīng)用狀態(tài)的差異，對北斗林火監(jiān)管產(chǎn)品按動態(tài)和靜態(tài)兩種應(yīng)用場景分別予以介紹。

1.移動載體設(shè)備及其性能

移動載體設(shè)備主要指北斗設(shè)備安裝或配置在飛機(jī)（包括無人機(jī)）、飛艇、人等移動平臺，實(shí)現(xiàn)對這些移動目標(biāo)的實(shí)時定位、導(dǎo)航和數(shù)據(jù)通信。因數(shù)據(jù)采集和使用目標(biāo)差異，產(chǎn)品的實(shí)用性和專業(yè)性不同決定了這些設(shè)備在功能、性能、技術(shù)指標(biāo)和集成度等方面存在顯著差異。

（1）北斗定位器

多為穿戴式便攜裝備，具備支持北斗定位、可預(yù)設(shè)頻度自動上報(bào)位置數(shù)據(jù)、主動發(fā)送當(dāng)前位置、4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、一鍵SOS、提示音播報(bào)、文字消息轉(zhuǎn)語音播報(bào)、離線補(bǔ)點(diǎn)、LED設(shè)備狀態(tài)指示等基本數(shù)據(jù)采集服務(wù)功能（圖1）。這些設(shè)備小型便攜，操作簡單快捷，開機(jī)即自動進(jìn)行位置上報(bào)，可以為后方管理平臺提供作業(yè)人員的實(shí)時位置。基層護(hù)林員、生態(tài)員和網(wǎng)格員配置這些裝備，就可以更好地落實(shí)管護(hù)責(zé)任，完成管護(hù)任務(wù)，還有助于績效考核方面的精細(xì)化和信息化管理。遇到突發(fā)事件時，能一鍵報(bào)警發(fā)送緊急求救信號并上報(bào)衛(wèi)星定位信息，為營救人員提供準(zhǔn)確的地理位置。

圖1 便攜式北斗定位器

（2）北斗通信器

支持北斗+GPS定位，可以一鍵SOS呼救；支持位置信息一鍵標(biāo)記，一鍵發(fā)送；支持軌跡記錄、連續(xù)位置上報(bào)；內(nèi)置語音壓縮模塊，支持短報(bào)文發(fā)送/播放語音消息；內(nèi)置低功耗藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙連接APP實(shí)現(xiàn)文字、圖片消息編輯、查閱、發(fā)送；北斗三號區(qū)域短報(bào)文通信可達(dá)1000個漢字，在無公網(wǎng)信號覆蓋區(qū)域既能讓用戶保持與同行隊(duì)友的溝通協(xié)作，又能與外界保持聯(lián)系。這類設(shè)備多為工業(yè)級三防產(chǎn)品，具有外形小巧便攜、待機(jī)時間長、質(zhì)量輕、應(yīng)用功能豐富等特點(diǎn)，可以滿足野外通信盲區(qū)的即時數(shù)據(jù)采集需求。

（3）北斗對講終端

實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)和公網(wǎng)對講合一，支持其他多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用，包括WiFi、藍(lán)牙、拍照、視頻、NFC等（圖2）。先進(jìn)的降噪技術(shù)和高功率揚(yáng)聲器可讓用戶即使身處嘈雜惡劣的環(huán)境中依然有良好的通話體驗(yàn)。用戶可根據(jù)呼叫需求在群組聯(lián)系人中實(shí)現(xiàn)個呼、組呼，不同級別的話權(quán)設(shè)定對應(yīng)不同的通話優(yōu)先級；同時有緊急報(bào)警鍵可隨時觸發(fā)，按設(shè)定緊急呼叫指定聯(lián)系人并發(fā)送北斗定位信息。該設(shè)備的內(nèi)置BDS模塊和網(wǎng)絡(luò)GNSS實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)功能，同時可根據(jù)后端平臺系統(tǒng)設(shè)定的位置上報(bào)間隔要求定時上傳終端用戶的實(shí)時位置。

圖2 便攜式北斗對講機(jī)

（4）北斗智能終端

北斗智能終端主要指手持智能型終端，它集成國產(chǎn)BDS/GPS雙模定位模塊，支持2G/3G/4G多種移動通信網(wǎng)絡(luò)制式，提供語音通信和數(shù)據(jù)通信功能，支持林草即時數(shù)據(jù)及圖片、影像、文字等采集功能，能裝載各類業(yè)務(wù)應(yīng)用程序[3]。若選配RD短報(bào)文通信功能，就成為手持智能RD終端。該類設(shè)備在我國林草行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)配備10余萬臺。

（5）北斗車載便攜指揮終端

指集成北斗定位、北斗短報(bào)文通信、北斗指揮管理功能和自動位置報(bào)告的綜合服務(wù)設(shè)備，可在高寒、濕熱等氣候環(huán)境及多種地形條件下滿足應(yīng)用需要，輕松應(yīng)對惡劣極端環(huán)境。該類終端裝備具有開機(jī)自檢和工作狀況巡檢功能，并可實(shí)時給出故障告警和工作狀況指示，實(shí)現(xiàn)全天候、全天時的快速定位、連續(xù)導(dǎo)航、測速、指揮等功能。因此，它是目標(biāo)采集、信息傳送、態(tài)勢共享、定位測量應(yīng)用的末端裝備，全面服務(wù)于林區(qū)調(diào)度指揮、減災(zāi)救災(zāi)、森林巡檢等應(yīng)急和日常管理業(yè)務(wù)。

（6）單兵圖傳系統(tǒng)

該系統(tǒng)可集成光電轉(zhuǎn)換、紅外熱成像、可見光、激光補(bǔ)光、激光測距、電子羅盤和北斗定位于一體。采用多光譜技術(shù)，被動與主動相結(jié)合進(jìn)行全天候偵察，具有遠(yuǎn)距離鎖定抓拍/錄像、實(shí)時WiFi/4G回傳、目標(biāo)測距、北斗定位、定向功能，還具有透霧、透墨鏡、透車膜、人臉抓拍等特殊實(shí)用功能，結(jié)合后端平臺軟件可實(shí)現(xiàn)黑白名單布控、實(shí)時AI識別、目標(biāo)鎖定、跟蹤抓拍等功能。這類裝備可臨時布控用于定點(diǎn)監(jiān)測，也可用于移動監(jiān)測，如火場臨時布點(diǎn)、隱蔽監(jiān)視任務(wù)等，高效服務(wù)于林草行業(yè)火場監(jiān)控及全天候人員隱蔽蹲守監(jiān)視等工作場景。

（7）北斗飛控系統(tǒng)

近年來許多企業(yè)將無人機(jī)技術(shù)與北斗衛(wèi)星技術(shù)高度融合，自主研制了飛控系統(tǒng)和高精度GNSS定位導(dǎo)航模塊等核心技術(shù)，極大提升了我國的航空遙感監(jiān)測領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力。采用北斗導(dǎo)航的無人機(jī)已被廣泛用于林火監(jiān)測和撲救領(lǐng)域。

2.固定載體設(shè)備及其性能

由于載體位置固定，北斗的導(dǎo)航定位功能相對弱化，主要利用其授時和短報(bào)文通信功能。

（1）環(huán)境因子北斗感知模塊

目前廣泛采用物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備采集野外的氣溫、相對濕度和風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，這些自動獲取的氣象和可燃物信息為預(yù)測森林火險(xiǎn)和了解火場環(huán)境提供了必要信息。北斗系統(tǒng)的短報(bào)文通信鏈路保障了這些數(shù)據(jù)在偏遠(yuǎn)野外環(huán)境的實(shí)時遠(yuǎn)程傳輸，為森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)和科學(xué)撲救提供及時的基礎(chǔ)信息。

（2）北斗森林防火智能卡口系統(tǒng)

在林區(qū)重要路口、路段、重點(diǎn)防范區(qū)域用于野外宣傳語音、警示和安全提醒，以文字和語音方式提醒進(jìn)入林區(qū)的車輛及路人，提高防火意識，減少人為火源（圖3）。車輛及路人經(jīng)過系統(tǒng)前端的紅外/雷達(dá)自動感應(yīng)設(shè)備即可觸發(fā)語音播報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)就會以文字和語音信息對路人進(jìn)行告知與宣傳，并聯(lián)動攝像機(jī)抓拍圖片并上傳到軟件平臺留存；當(dāng)現(xiàn)場發(fā)生破壞設(shè)備、野外用火、亂砍亂伐等現(xiàn)象時，可通過北斗短報(bào)文等功能進(jìn)行遠(yuǎn)程喊話宣傳和威懾；設(shè)備丟失時也可通過內(nèi)置北斗定位模塊快速尋回。

圖3 智能卡口終端產(chǎn)品

（3）林火視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)

主要指在瞭望塔（或鐵塔）上安置的可見光、紅外熱成像智能識別熱點(diǎn)的系統(tǒng)，能對可視區(qū)域內(nèi)的火情自動掃描、識別、報(bào)警和定位，實(shí)現(xiàn)全天時、全天候的林火高效智能識別預(yù)警，并可向后端監(jiān)控中心發(fā)送報(bào)警信號，為決策指揮人員提供相關(guān)視頻信息，系統(tǒng)中北斗定位模塊可以提供位置和時間校準(zhǔn)同步服務(wù)，已經(jīng)成為各個林區(qū)不可或缺的林火監(jiān)控手段。隨著北斗三號系統(tǒng)通信能力的顯著提升，使視頻監(jiān)測系統(tǒng)在無公網(wǎng)林區(qū)部署成為可能。

（4）北斗中心式指揮機(jī)

中心式指揮機(jī)通常部署在后方指揮中心，支持北斗RD短報(bào)文通信功能，支持有線網(wǎng)絡(luò)接入功能，可組網(wǎng)管理具備RD短報(bào)文功能的其他北斗終端的設(shè)備。這類設(shè)備在林火撲救中發(fā)揮著重要的通信指揮作用。

四、北斗系統(tǒng)在縣（區(qū)）級森林火災(zāi)精準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)體系中的應(yīng)用

2015年天津市薊州區(qū)林業(yè)局建成了國內(nèi)第一套基于北斗技術(shù)的森林火災(zāi)撲救指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)在基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫和森林防火專業(yè)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，獲得實(shí)時火場前線多源動態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)了森林防火指揮部門及時、高效調(diào)度和對人員、車輛、飛機(jī)的監(jiān)控[4]。隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展，各地林火管理部門也在實(shí)踐中不斷完善林火預(yù)警技術(shù)和深化北斗技術(shù)的融合應(yīng)用。目前很多縣（區(qū)）已經(jīng)初步建成了“天—空—地”一體化的森林火災(zāi)精準(zhǔn)預(yù)警監(jiān)測技術(shù)體系（或平臺），其中北斗系統(tǒng)是不可或缺的支撐技術(shù)。該體系整合了遙感監(jiān)測、北斗巡護(hù)和森林防火指揮等子系統(tǒng)，關(guān)鍵信息采用北斗系統(tǒng)進(jìn)行采集和傳輸，保障了火場的快速定位和及時的火場環(huán)境信息獲取，為制定科學(xué)撲火方案奠定了基礎(chǔ)。撲救調(diào)度指揮子系統(tǒng)還可以迅速完成撲火力量的最優(yōu)配置，縮短撲火反應(yīng)時間，提高撲火效率和初始撲救成功率。其信息流程見圖4所示，雖然各類終端的布設(shè)數(shù)量與地形條件、投資力度、基礎(chǔ)保障條件等息息相關(guān)，但都在為重點(diǎn)區(qū)域的全覆蓋監(jiān)測，縱向到底、橫向到邊的預(yù)警監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)匯聚與高效共享，實(shí)現(xiàn)火情預(yù)警、決策、處置響應(yīng)時間從小時級縮短到分鐘級提供著堅(jiān)實(shí)保障。

圖4 基于北斗系統(tǒng)的縣（區(qū)）級林火防控技術(shù)體系信息流程圖

總之，天-空-地-物等協(xié)同監(jiān)管手段中的北斗模塊支撐了獲取數(shù)據(jù)的位置信息和時間同步，傳感器保障了周期性獲取時序數(shù)據(jù)，并可通過指揮中心平臺轉(zhuǎn)發(fā)到各層級管理人員，準(zhǔn)實(shí)時開展地面核實(shí)與驗(yàn)證反饋。目前實(shí)施常規(guī)地面即時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集或接收上級下派核查任務(wù)的各層級管理人員，從巡護(hù)員（通風(fēng)報(bào)信）、技術(shù)員（業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集）、監(jiān)督員（小隊(duì)長）到專業(yè)人員（中隊(duì)長）都逐步配備了適合崗位需求的終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)時數(shù)據(jù)的快速采集和傳輸。

五、結(jié)語

森林火災(zāi)的發(fā)生與蔓延主要受可燃物、天氣、地形和火源等因素的影響，對于可燃物濕度、天氣因子和火源的監(jiān)測是森林火災(zāi)預(yù)防的重要內(nèi)容。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，越來越多的傳感器用于探測野外可燃物濕度和天氣變化，這些數(shù)據(jù)的及時傳輸是開展森林火險(xiǎn)天氣專題分析的基礎(chǔ)。北斗三號系統(tǒng)在導(dǎo)航、定位、授時和短報(bào)文通信服務(wù)能力上的大幅提升，將會成為我國森林草原火災(zāi)綜合防控能力提升的重要驅(qū)動因素。北斗系統(tǒng)在林火管理領(lǐng)域的深度應(yīng)用，將提高群眾、半專業(yè)、專業(yè)巡護(hù)人員的管護(hù)效率，讓防火巡護(hù)、火源管理、宣傳教育、監(jiān)測預(yù)警和火情處置等工作如虎添翼。