浅谈森林火灾的现代监测技术

林发维

摘要：森林资源的珍贵性、森林火灾巨大的破坏性和危害性以及我国森林资源相当稀缺的现状决定了在我国积极开展森林防火工作的紧迫性和重要性。首先需要面对和解决的问题就是如何有效地预防和监测森林火灾。因此，利用现有的高效技术和方法实现对森林火灾的监测和预警，加强对森林火灾监测系统的研究具有极为重要的意义。

关键词：森林火灾；监测；现代技术

一、研究背景

森林是人类的宝贵财富，是我们生存和社会发展不可或缺的资源之一。然而，由于人类活动的广泛性和自然环境的多变等因素，森林火灾具有突发性。这就需要具备对森林火灾的快速反应能力，力争把林火扑灭在萌芽阶段。森林防火系统的反应速度快，动作准确，高效率就显得尤为重要，使我们可以极大地提高森林火灾的组织效率。森林防火是一个艰巨的任务。一方面和消防设施，技术力量，人员素质，以及装备等因素有关，另一方面，各种复杂、多变的地理因素和天气因素也会影响森林地区的地形、水系、道路和植被。

通过建设森林防火预警系统，利用森林的基础数据、林火科研成果和林木、气象等相关环境和人类经营活动信息，对林火的各种信息进行自动提取、统计分析、辅助决策等。概括来讲，就是掌握林火的真实情况，提高对林火的管理水平，制定森林火灾预防和扑救辅助决策。

二、森林火灾监测研究现状

气象科学、遥感技术、计算机、激光、通讯和航空航天技术的蓬勃发展，为森林防火提供了先进的技术。地理信息系统、集成数学模型、遥感、数据库技术和网络一起构成的信息系统已得到大家的重视。

1.基于MODIS数据的遥感监测方法

MODIS（中等分辨率成像光谱仪）是美国国家航天航空局对地观测计划（EOS）中用于观测全球生物和物理过程的传感器，分别搭载Terra和Aqua卫星之上。MODIS数据波段范围广，包括了36个波段，数据空间分辨率包括了250m、500m和1000m三个尺度。卫星遥感具有较高的空间分辨率、时间分辨率及大面积的监测范围，不仅可以连续跟踪、监测火灾发展的动态过程，还能提供详细的火区位置、面积、温度变化等信息。利用卫星遥感监测的这些特点，可以大大提高对森林灾害的监测预警能力，在空间和时间上都避免了常规手段如地面航测等所存在的不足。

遥感监测火点原理与流程：地表的草地、水体、森林、建筑等物体自身温度的不同，具有不同的物理化学性质，它们不同的性质可以对应在不同的状态下具有不同的波谱特征，可以辐射不同波长的电磁波。森林在没有发生火灾时的辐射称为背景辐射，当森林发生火灾时的主要辐射源是具有较高温度的碳化物甚至是火焰。它们有自己的辐射带。利用背景辐射和火灾时辐射值的差异，我们就能从遥感信息中及时发现火灾，并监视火情动态。森林火灾发生时，热力作用使得火场上空和周围的空气温度上升。可以根据需要将地面的辐射温度与空气温度相互转化。识别火点的过程比较复杂，高温点并不完全是火点。存在一定其他的干扰因素，需要我们有针对性地进行判断。

2.基于GIS的监测系统

地理信息系统（GIS）是一种特定的而又十分重要的空间信息系统。它是以采集，储存，管理，分析和描述地球表面和地理分布的空间地理相关的空间信息系统，被广泛用于环境管理、宏观经济决策、资源清查、森林防火管理、灾害监测、城市规划等。

基于Web GIS的森林防火系统：网络地理信息系统（Web GIS）是指基于互联网的信息传播，数据共享，交流和合作的平台，客户端应用软件使用的万维网协议，实现地理信息在线查询和业务处理的功能。在互联网上运行的GIS系统是一个利用先进计算机技术来辅助和完善的新型技术，其核心是嵌入在HTTP和TCP/IP标准的地理信息应用系统在互联网环境下实现空间信息的管理。

整个系统的结构是采用网络模式进行搭建，防火指挥信息既可以在局域网内发布，对于有些信息也可以接入互联网，进行公网信息发布。体系结构主要包括GIS服务器、WEB服务器、GIS图形工作站、GPS服务器、GPS监控工作站、管理工作站及路由器等。

基于嵌入式GIS森林防火导航系统：嵌入式GIS是在嵌入式设备上运行的高度浓缩和高度精简的GIS软件系统，与一般的GIS不同，它是运行在硬件资源紧缺的嵌入式设备上。嵌入式GIS和GPS的结合，为获取最新GIS数据提供了有效的手段。尤其是在测绘工作较难开展的森林、山地等地区，若能结合GIS与GPS技术，实现偏远地区森林管理和防火导航，将带来重大的实用价值。

3.基于无线传感器网络的监测系统

针对森林火灾监测技术和方式存在的成本过高、易受天气影响、实时性差等问题，还可以考虑一种基于Zig Bee无线传感器网络的森林火灾监测系统方案。Zigbee技术是一种新兴的低功耗、低成本、低速率且具有自组网特性的短距离无线通信技术。

基于Zig Bee无线传感器网络的森林火灾监测系统由Zig Bee无线传感器网络、GPRS网络和监测中心三部分组成。采集节点主要负责实时采集监测林区的森林环境数据信息，并将数据发送至邻近路由节点或者直接发送至网关节点；路由节点的功能是对采集节点和其他路由节点发送过来的数据以及自身采集到的环境数据进行初步的数据融合后，然后转发至网关节点。网关节点在汇聚处理之后，通过GPRS网络上传至Internet，然后以无线的方式发送至远端监测中心。监测中心可以实时显示整个系统中的森林环境数据信息。

三、森林火灾指挥

随着现代科学技术的发展，森林火灾现场指挥的科技含量也不断增加。森林火灾现场指挥硬件平台是实现森林火灾现场指挥的必要条件。森林火灾现场指挥硬件平台的组成主要包括单兵终端模块和车载终端模块，其中单兵终端配备在现场扑救人员身上和无人机上，车载终端装备在现场移动应急指挥车上。

单兵终端主要集成处理器、全球定位设备、无线通信设备、数据采集设备（无线传感器、视频摄像头等）等硬件设备。智能车载终端要进行现场数据的汇集、对人力资源的调配以及导航数据的解析等许许多多的计算工作，同时还要实现人机交互。

当发生森林火灾时，森林火灾现场指挥中心通过接收从火灾现场传递过来的火场的地貌、地形、火势大小的具体信息和森林资源数据，应用GIS对林火行为进行科学的预测，确定现场指挥扑救相关决策。并把指挥中心的决策内容传送到火灾现场，进行及时的指挥。甚至可以建立3D沙盘推演。3D沙盘能让指挥人员对火场地形有更直观的认识，合理开辟隔离带、防火沟等灭火措施。森林火灾现场指挥需要的信息是火灾现场发回的视频图像信息、林火预测模型处理的数据信息、车载GPS定位信息、以及指挥中心与现场指挥扑救人员之间的对讲通信信息、扑火队员手持GPS定位信息、扑救人员的分布信息等。

四、展望

为了尽可能地减少森林火灾造成的各种损失，世界各国每年都增加在森林火灾预防方面的资金和人力投入，一直都致力于森林火灾监测新技术和新方式的研究和开发。森林火灾研究是一项复杂的系统工程，涉及的知识多、领域广，诸多问题还需要在实践中继续发现和补充。随着移动网络的发展、定位技术的提高、卫星监控的民用化，林业防火系统的开发与使用成本将会越来越低，发展也会越来越快，在林业领域提供更好的服务。