森林火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)及可視化

陶 冶，陶立清

（1.中國(guó)空間技術(shù)研究院杭州中心，浙江 杭州 310024；2.中冶檢測(cè)認(rèn)證（安徽）有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

0 引 言

森林火災(zāi)是對(duì)森林資源、生態(tài)系統(tǒng)造成破壞的最主要因素之一，具有破壞性大、突發(fā)性強(qiáng)、災(zāi)后修復(fù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，被聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織列為世界八大自然災(zāi)害之一[1]。于2019年發(fā)生的澳大利亞火災(zāi)造成了33人死亡，近30億只動(dòng)物死亡或流離失所，給澳大利亞的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境、人們的生命安全帶來(lái)了巨大的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010—2021年9月期間，我國(guó)累計(jì)發(fā)生森林火災(zāi)39 500多起，如圖1所示，盡管森林火險(xiǎn)得到了越來(lái)越多的重視，林火發(fā)生次數(shù)也逐漸呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但近年來(lái)仍然有許多森林火災(zāi)發(fā)生，使得人們的生命、財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重。為此，采取林火監(jiān)測(cè)措施，對(duì)森林火點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)可能發(fā)生的森林火災(zāi)進(jìn)行及時(shí)預(yù)警是十分必要的，從而能夠大幅度減少森林火災(zāi)發(fā)生的數(shù)量、降低森林火災(zāi)破壞性程度，盡量避免大型森林火災(zāi)的發(fā)生。

目前，國(guó)家和地方林業(yè)局通常所采用的林火預(yù)警方式是多種監(jiān)測(cè)方式相結(jié)合的立體林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如人工地面巡護(hù)、航空巡護(hù)、搭建瞭望臺(tái)等，同時(shí)融合衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)（GIS）、無(wú)人機(jī)、全球定位系統(tǒng)（GPS）等技術(shù)[2]。林火監(jiān)測(cè)及快響應(yīng)預(yù)警是森林火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程的第一道防線，及時(shí)和準(zhǔn)確的災(zāi)害預(yù)報(bào)和預(yù)警能夠?yàn)闉?zāi)害目標(biāo)地區(qū)贏得寶貴的應(yīng)急準(zhǔn)備時(shí)間，提前對(duì)各類承災(zāi)體進(jìn)行處置，提高全社會(huì)應(yīng)對(duì)森林火災(zāi)的能力，從而最大限度地節(jié)約應(yīng)急人力、物力和財(cái)力，減少災(zāi)害造成的損失，降低災(zāi)害對(duì)社會(huì)秩序的干擾?，F(xiàn)有的林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要存在下列問(wèn)題：

（1）時(shí)空覆蓋性不足

不論是人工巡視、地面火災(zāi)監(jiān)視系統(tǒng)、航空火災(zāi)監(jiān)視系統(tǒng)，均存在時(shí)間覆蓋性不全、空間覆蓋性不全、巡視周期長(zhǎng)、代價(jià)高昂等缺點(diǎn)，導(dǎo)致不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)的森林火災(zāi)信息，容易錯(cuò)失最佳的撲救時(shí)機(jī)。

（2）分辨率不足

目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)森林火災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)主要以低空間分辨率的衛(wèi)星遙感為主，但空間分辨率過(guò)低導(dǎo)致無(wú)法探測(cè)規(guī)模較小的火災(zāi)及掌握詳細(xì)火場(chǎng)態(tài)勢(shì)。

（3）高分辨率遙感圖像的信息獲取時(shí)效性不足

全球中高空間分辨率森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的主要制約因素是海量衛(wèi)星數(shù)據(jù)的預(yù)處理及火點(diǎn)信息提取的時(shí)效性?？紤]到火災(zāi)周期的短暫性，如不能實(shí)時(shí)獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，則其應(yīng)用意義將大打折扣。采用傳統(tǒng)方式的用戶單景數(shù)據(jù)下載，然后進(jìn)行信息提取無(wú)論是在時(shí)間上還是效率上均無(wú)法滿足需求，迫切需要?jiǎng)?chuàng)新性的手段解決這一問(wèn)題[3]?！巴▽?dǎo)遙一體化”技術(shù)主要打通衛(wèi)星、導(dǎo)航、地球空間要素之間的信息橋梁，利用天地互聯(lián)、統(tǒng)一基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)時(shí)空融合，在軌遙感衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表林火，通過(guò)北斗衛(wèi)星將火點(diǎn)信息下發(fā)給地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)地對(duì)地面林火進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

數(shù)據(jù)可視化作為一門新興學(xué)科，使用統(tǒng)計(jì)圖形、信息圖表和其他工具對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以便在視覺(jué)上傳達(dá)定量信息，使得人們可以直觀觀察數(shù)據(jù)、理解數(shù)據(jù)規(guī)律[4]。目前，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為代表的Web前端技術(shù)，為數(shù)據(jù)可視化提供技術(shù)支持PC端、移動(dòng)端等平臺(tái)。借助Web前端技術(shù)，人們可以在計(jì)算機(jī)、手機(jī)、平板電腦上直觀地顯示和分析數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的可訪問(wèn)性和可理解性。因此，研究數(shù)據(jù)可視化具有很大的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

Web前端系統(tǒng)自成立以來(lái)，在數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。黃智煌等人[5]基于3D GIS和物聯(lián)網(wǎng)建立了一套三維礦山可視化系統(tǒng)，為礦山的運(yùn)營(yíng)及管理提供保障。彭曙光等人[6]利用ECharts對(duì)網(wǎng)絡(luò)疫情數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，以B/S的形式實(shí)現(xiàn)了COVID-19疫情信息可視化系統(tǒng)，使得民眾對(duì)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)信息的感知能力大大提升。石偉等人[7]以內(nèi)蒙古自治區(qū)水利數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立了水土保持可視化系統(tǒng)，并納入智慧水利平臺(tái)，為生態(tài)環(huán)境的改善提供了重要依據(jù)。姜博等人[8]采用HTML5+CSS5+jQUeryMobile軟件技術(shù)對(duì)地震監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)字化管理，大大提高了管理效率。

在林火監(jiān)測(cè)地面系統(tǒng)中，為了解決數(shù)據(jù)量大、讀寫(xiě)速度慢、數(shù)據(jù)可視化效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于HTML5的數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集層收集火情數(shù)據(jù)（包括無(wú)人機(jī)、地理信息、林業(yè)、氣象數(shù)據(jù)、林區(qū)攝像頭、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、用戶終端上傳數(shù)據(jù)），以數(shù)據(jù)接口框架（IOServer）接入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)（MySQL），再通過(guò)HTML5對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示。

1 Web前端架構(gòu)

林火監(jiān)測(cè)流程如圖2所示，首先通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊收集多源火情信息（包括紅外遙感影像、林火攝像頭、北斗短報(bào)文傳遞的火點(diǎn)信息、用戶移動(dòng)終端反饋），將這些數(shù)據(jù)按照類別進(jìn)行分類納入數(shù)據(jù)庫(kù)，然后對(duì)火情數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，篩選出實(shí)際需要的數(shù)據(jù)；經(jīng)過(guò)服務(wù)端算法處理生成火情辨識(shí)結(jié)果，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)模塊向各個(gè)用戶端提供系統(tǒng)服務(wù)。

圖2 林火監(jiān)測(cè)流程

服務(wù)器端軟件架構(gòu)如圖3所示，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)框架、網(wǎng)絡(luò)接口和反向代理服務(wù)器等。本文所采用的數(shù)據(jù)庫(kù)為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù) MySQL。MySQL是一款結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言數(shù)據(jù)庫(kù)引擎開(kāi)源軟件[9-10]，數(shù)據(jù)保存在不同的表中，使用時(shí)按照數(shù)據(jù)保存路徑進(jìn)行檢索；服務(wù)器端使用Node.js Express 框架、Python Flask框架搭建 Web服務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，并將服務(wù)接口封裝成RESTful API，返回JSON至云端；HTML5、CSS、JavaScript使用 Ajax 和 RESTful API 構(gòu)建前端UI界面；用戶通過(guò)域名發(fā)出訪問(wèn)Web服務(wù)器的請(qǐng)求，該域名被DNS服務(wù)器解析為反向代理服務(wù)器的IP地址，當(dāng)客戶端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)請(qǐng)求服務(wù)時(shí)，Nginx反向代理服務(wù)器接收網(wǎng)絡(luò)的連接請(qǐng)求，在本地緩存中查找請(qǐng)求的內(nèi)容，找到后直接把內(nèi)容發(fā)送給用戶；如果本地緩存里沒(méi)有用戶所請(qǐng)求的信息內(nèi)容，反向代理服務(wù)器會(huì)代替用戶向服務(wù)器端請(qǐng)求同樣的信息內(nèi)容，服務(wù)器端進(jìn)行相應(yīng)的算法處理，然后將服務(wù)器端運(yùn)行的成果返回給Internet上請(qǐng)求連接的客戶端，并同步將信息內(nèi)容進(jìn)行緩存。

圖3 軟件架構(gòu)

2 系統(tǒng)架構(gòu)

林火警情信息平臺(tái)軟件研制架構(gòu)形式為B/S架構(gòu)。根據(jù)林火警情信息平臺(tái)功能完善、便于擴(kuò)展和遷移的需求，總體架構(gòu)中從下往上可以劃分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)交換層、數(shù)據(jù)模型層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層：主要負(fù)責(zé)支撐系統(tǒng)平臺(tái)正常運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)、林區(qū)攝像頭、用戶終端上傳火情、地理信息數(shù)據(jù)、林業(yè)數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)交換層：數(shù)據(jù)采集層所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)接口框架單向傳遞到關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，上層框架實(shí)現(xiàn)所需數(shù)據(jù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行雙向交互。

數(shù)據(jù)模型層：數(shù)據(jù)模型層的算法模型實(shí)現(xiàn)依賴數(shù)據(jù)交換層所提供的數(shù)據(jù)。

應(yīng)用層：基于數(shù)據(jù)交換層和數(shù)據(jù)模型層，使用百度地圖引擎，實(shí)現(xiàn)各類二維和三維可視化、林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、火災(zāi)綜合查詢等業(yè)務(wù)應(yīng)用功能。

展現(xiàn)層：主要有服務(wù)器后臺(tái)、桌面端軟件和用戶APP，服務(wù)器后臺(tái)負(fù)責(zé)整套地面系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互以及服務(wù)應(yīng)用維護(hù)，用戶APP和桌面端軟件作為用戶終端向服務(wù)器后臺(tái)申請(qǐng)，從而獲得地面林火警情信息平臺(tái)的服務(wù)。另外用戶APP作為系統(tǒng)終端，可以反饋、上報(bào)火情及上傳巡航路徑至系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)功能

針對(duì)實(shí)際火情事件，設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程如圖5所示。游客可以查看衛(wèi)星熱點(diǎn)信息，開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新與維護(hù)，管理員負(fù)責(zé)用戶管理。平時(shí)未發(fā)生火情時(shí)，值班人員通過(guò)本平臺(tái)對(duì)林區(qū)進(jìn)行火情監(jiān)測(cè)，對(duì)接收到的火情進(jìn)行初步甄別；當(dāng)發(fā)現(xiàn)疑似火點(diǎn)時(shí)，通知終端進(jìn)行確認(rèn)，如無(wú)火情發(fā)生，則繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；若發(fā)生火情，終端發(fā)出火情報(bào)警，系統(tǒng)接收到實(shí)際火情事件，進(jìn)行警情信息分發(fā)，通知消防人員進(jìn)行滅火、指揮中心從全局角度安排指揮滅火，火情結(jié)束后進(jìn)行災(zāi)后評(píng)估，將這次火情事件所有信息納入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5 業(yè)務(wù)流程

圖5所示的業(yè)務(wù)流程涉及如下功能：

（1）警情監(jiān)測(cè)

警情監(jiān)測(cè)綜合利用火情數(shù)據(jù)構(gòu)建“防火一張圖”、火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)模型；使用衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星軌道可視化并對(duì)用戶感興趣區(qū)域做軌道過(guò)境預(yù)報(bào)；采用多種方式對(duì)林區(qū)進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè)；通過(guò)衛(wèi)星與地面站之間構(gòu)建的有效數(shù)據(jù)傳輸通路接收短報(bào)文并實(shí)時(shí)定位判斷火點(diǎn)；火點(diǎn)甄別后，快速將火點(diǎn)信息分發(fā)給各級(jí)消防部門等用戶。

（2）災(zāi)時(shí)動(dòng)態(tài)

災(zāi)時(shí)動(dòng)態(tài)參考?xì)v史天氣狀況和火災(zāi)事件，根據(jù)當(dāng)?shù)睾０?、坡向、可燃物類型、風(fēng)向、風(fēng)速等因素建立火災(zāi)模型，進(jìn)而模擬火勢(shì)蔓延；消防部門通過(guò)電子沙盤、救援路徑分析輔助決策；林區(qū)信號(hào)不好時(shí)，消防人員可利用本警情平臺(tái)進(jìn)行短報(bào)文實(shí)時(shí)通信；通過(guò)林區(qū)攝像頭、無(wú)人機(jī)巡航對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行災(zāi)時(shí)監(jiān)控。

（3）災(zāi)后評(píng)估

災(zāi)后評(píng)估是通過(guò)遙感影像處理得到的過(guò)火面積矢量邊界，疊加林業(yè)小班數(shù)據(jù)，自動(dòng)估算受災(zāi)面積及經(jīng)濟(jì)損失；利用火情信息制作火情專題地圖、自動(dòng)生成火情報(bào)告；用戶終端可向系統(tǒng)上報(bào)火情詳情。

（4）歷史數(shù)據(jù)

火災(zāi)信息管理是對(duì)火災(zāi)數(shù)據(jù)的全面管理，主要是按照火災(zāi)區(qū)域維度和火災(zāi)發(fā)生時(shí)間維度來(lái)進(jìn)行火災(zāi)數(shù)據(jù)的新增、編輯、刪除等。火災(zāi)信息管理需要在頁(yè)面上填寫(xiě)相應(yīng)的火災(zāi)信息，當(dāng)確認(rèn)提交后，對(duì)火災(zāi)的基本信息進(jìn)行保存，從而方便后續(xù)對(duì)全部火災(zāi)信息基于不同維度進(jìn)行統(tǒng)一查詢和分析等。該部分負(fù)責(zé)搜集用戶感興趣區(qū)域的歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)天氣數(shù)據(jù)等信息，建立火災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)并進(jìn)行信息管理。

林火警情信息平臺(tái)軟件分為兩個(gè)模塊，分別為林火監(jiān)測(cè)預(yù)警、系統(tǒng)管理，如圖6所示。林火監(jiān)測(cè)預(yù)警模塊負(fù)責(zé)軟件的應(yīng)用層功能，遙感監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)的林區(qū)火點(diǎn)經(jīng)算法甄別后，與火險(xiǎn)等級(jí)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、防火基礎(chǔ)設(shè)施、森林資源疊加，構(gòu)成“防火一張圖”，將算法甄別出來(lái)的偽熱點(diǎn)納入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，火勢(shì)蔓延模擬的結(jié)果和最適救援路徑都可在電子沙盤展現(xiàn)，為消防員滅火提供輔助決策，四個(gè)功能模塊相互依賴，均存在數(shù)據(jù)交互；系統(tǒng)管理模塊負(fù)責(zé)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的更新、維護(hù)以及用戶權(quán)限管理。

圖6 軟件功能邏輯

4 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

基于上述技術(shù)手段構(gòu)建的林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用界面如圖7、圖8所示，監(jiān)測(cè)界面采用“防火一張圖”的方式展現(xiàn)，由森林防火基礎(chǔ)設(shè)施分布、火險(xiǎn)等級(jí)、林區(qū)火點(diǎn)組成，按照地圖圖層方式顯示林區(qū)內(nèi)防火相關(guān)的資源，主要功能包括火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)、衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)、遙感林火監(jiān)測(cè)、林火信息甄別等；災(zāi)后評(píng)估是對(duì)火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用ECharts、Bootstable生成圖表，增加可視化效果。

圖7 林火監(jiān)測(cè)

圖8 災(zāi)后評(píng)估

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)。經(jīng)實(shí)踐證明，該架構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì) ：（1）架構(gòu)中使用的都是輕量級(jí)解決方案，靈活、可擴(kuò)展，能適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)地圖用戶需求及使用環(huán)境的快速變化；（2）在服務(wù)器端使用異步I/O模型提高了應(yīng)用在高并發(fā)環(huán)境下的吞吐能力，并通過(guò)Nginx反向代理的方式提升了安全性；（3）將應(yīng)急災(zāi)害遙感影像、林火數(shù)據(jù)、偽熱源數(shù)據(jù)、火災(zāi)事件等納入數(shù)據(jù)庫(kù)中統(tǒng)一進(jìn)行管理，極大地提升了檢索效率；（4）整個(gè)架構(gòu)是全開(kāi)源方案，大幅節(jié)省了軟件授權(quán)費(fèi)用。在實(shí)踐中，可根據(jù)具體問(wèn)題調(diào)整其中個(gè)別技術(shù)。當(dāng)然，該架構(gòu)也存在一些不足，如 SPA 模式在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中表現(xiàn)不流暢，移動(dòng)前端的相關(guān)技術(shù)方案還需優(yōu)化，這將是下一步研究的重點(diǎn)。