新技术在森林防火中的应用

翟进龙

(青海省互助县南门峡林场，青海 互助 810500)

1 红外成像技术在防火中的应用

在绝对零度以上，任何物体都会产生红外辐射，而且随着温度的升高，物体的分子或者原子的运动也会随之变得激烈，分子或原子活动越激烈，红外辐射的能量也就越大。由于不同物体之间存在着温度差异，这也使得不同物质具有不同的红外辐射能量。红外成像技术就是通过探测不同物质的红外辐射差来预防森林火灾发生的。一般而言，人眼能看到的波长范围在400～700 nm之间，而红外辐射的波长要长于红光，在760～1000 nm之间，人们要想探测到波段，需要借助红外探测系统才能完成。红外成像预警控制系统一般由红外热像仪、可见光高清相机和前端设备等多个部分组成。

由于红外热像仪是通过红外辐射来成像，成像过程不需要借助光线，因此，利用红外热像仪，无论什么样的气候条件，都能进行全天候的拍摄。除了红外辐射成像功能之外，红外热像仪还包括了测温、数字图像增强和伪彩色三大功能。通过这三项功能，工作人员能够实时了解观测点内温度过高的区域、提高细节分辨能力、增强图像对比度来提高工作人员对高温区域的监控能力，以减少森林火灾的发生。

可见光高清相机主要的功能是为工作人员提供清晰的可见光图像，是进一步提高森林防火效果的设备。而可见光高清相机的成像质量受天气影响大，且作用距离相对较短是限制其探测能力的主要因素。通过透雾算法的后台运行，可以大幅度提高可见光高清相机在雾霾天气下的成像效果，因此，在红外成像预警控制系统中，可见光高清相机一般都是作为红外热成像仪的辅助设备，与红外热成像仪配合使用，使两者的优势形成互补，最大程度地发挥二者的作用。

前端设备采用一体化双光谱设计，同时具有可见光和夜视监控功能，可在区域内进行全天候的监控工作。设备通过特殊的加工工艺及采用特定的材料，使其能够完全满足室外架设条件，在监控过程中，如遇森林区域内高温，可及时向后台发送高温目标的温度和报警信息。另外此前段设备的兼容性高，可与现有的控制设备结合，通过无线网络传输拍摄的视频等信息。

地下火和隐性火是引起森林火灾的主要因素之一，然而由于发生隐蔽，初始火苗小，通过普通的监控设备及技术很难探测到其存在。利用红外成像技术，可以迅速察觉地下火、隐性火的发生，可将森林火灾遏制在萌芽阶段，最大程度上避免森林火灾的发生，降低森林防火成本。

2 GPS导航技术在防火中的应用

GPS是全球定位系统的缩写，由空间、地面和用户接收部分三大主要部分组成。空间部分位于距地面2.02万km的上空，包括了21个工作卫星和3个备份卫星，以4颗卫星分布在同一轨道，形成6个轨道的分布布局。这种卫星的分布方式能够使工作人员在地球上的任何位置和任何时间都能至少观测到4颗以上的卫星，并接收到4颗以上卫星所发送的信号。卫星每718 min绕地球旋转1周，每1 s能像地球连续发送信号1000次，工作人员通过对4个或4个以上的卫星信号传播时间及距离的计算，来最终精确确定目标位置所在。GPS的地面部分主要由主控站、地面天线、监控站和通讯系统组成。主控站是GPS地面部分的大脑，主要负责调控所有地面控制系统的工作。在主控站的调控下，地面天线就会向地上部分的卫星注入寻电文，由卫星发送回来的数据被监测站自动收集，最终通过通讯系统进行传输工作。用户接收部分由GPS接收器和卫星天线组成，用于工作人员接收需要的数据。

由于森林环境较为复杂，一般都使用体积较小、行动灵敏、抗隐蔽能力强且操作简单的GPS进行定位工作。通过GPS的精确定位和导航功能，工作人员能够精确地指挥灭火车以最短的时间到达起火点，从而减少森林火灾所带来的损失。而且以人为本是森林防火工作中的重中之重，森林气候多变，地形错综复杂，一旦火势逼近，工作人员的生命就会受到威胁。利用手持GPS，工作人员可以通过事先在GPS设置的安全点坐标，找到距离最近的安全点，如果遇到紧急情况，以最快的速度找到安全点进行躲避，保证了工作人员的工作安全。在森林防火中，GPS系统主要应用于起火点定位、火场调查、飞机和灭火队员的导航等方面工作。 由于森林的特殊组成，遇到火源，如得不到及时控制，就会造成大范围的火灾，火势蔓延后就很难扑灭。利用GPS定位系统，飞机可以在最短的时间内定位到火头和火线，并且通过GPS的精准导航，灭火车、飞机等灭火交通工具能够在错综复杂的森林环境中找到最优的行进路线，避免了迷失方向，为尽快到达火场进行灭火争取时间。另外，GPS还可以用于火场面积的统计调查，利用飞机搭载GPS，在火场边缘飞行数次，即可准确地得到火场燃烧的范围，以便于准确地计算与统计燃烧面积。

在火灾发生时，尽管通过GPS导航系统，工作人员也能找到火点，但是由于GPS的探测范围有限，找到火点存在着延迟性，不能在第一时间完成火点的探测，因此，在森林防火中，往往将GPS、RS、与GIS三者结合使用，以便快速准确地找到火点，减少火灾的蔓延，以在最大程度上减少火灾所带来的损失。

3 RS技术在防火中的应用

RS技术即为遥感技术，是一种利用不同波段的探测仪器，在远距离处，通过扫描、信息感应等手段来识别地面物体状态的一种现代技术。RS主要由空间信息采集系统、地面接收和预处理系统、地面情况调查系统和信息分析应用系统4个主要部分组成。空间信息采集系统包括遥感平台和遥感器两部分，遥感器分为主动发射电磁波的主动遥感器和被动收集电磁波的被动遥感器两种类型，以遥感平台为载体，进行信息的采集工作。由于受到大气条件、太阳位置等条件的影响，被采集的信息可能会出现失真，为了消除失真，就需通过地面接收和预处理系统中的辐射矫正和几何矫正来消除和矫正由辐射亮度造成的图像失真和不同像元位置坐标与地图坐标目标地物坐标的差异。地面情况调查系统主要是通过收集环境、气象等信息数据，来检验上述遥感数据与地面实际信息的一项工作，地面调查的时间与环境需与遥感观测的时间及环境保持一致。待收集到准确信息之后，再经过信息分析应用系统，将信息以数据的形式输入进去并以数字的形式进行输出。

由于RS技术具有探测范围广、获取信息速度快、信息量大、受地面环境因素限制小等优点，因此RS技术常用于确定火灾的范围，来对火灾的灾情作出评价。工作人员通过对规定区域范围进行探测，以生成地表亮度图像、火灾图像等方式，让工作人员快速准确地了解火情信息及受灾面积，不但为火灾的预防作出决策依据，而且还为救援及后期的灾后重建提供了很大的帮助。尽管RS技术在森林防火的应用中具有诸多优势，但是在精确定位方面扔存在着些许不足，通常情况下，一般将RS技术与GPS技术结合使用，来弥补RS技术对定位精确度的不足。

4 GIS技术在防火中的应用

GIS是地理信息系统的缩写，它是以地理空间数据库为基础，配合计算机软件及硬件设备，对具有空间内涵的地理数据进行管理与分析，为管理及决策提供支持的一类信息系统。GIS由空间数据、软件和硬件三部分组成， 空间数据作为GIS的操作对象，具有几何、属性和时间数据的特征，具有矢量结构和栅格结构两种组织，是构成系统应用的基础。软件部分包括了GIS应用软件、GIS基础软件平台、系统软件、系统库和操作系统等部分，起到数据采集、加工等作用。硬件部分包括了扫描仪、数字化仪、解析和数字摄影测量仪、遥感与遥感图像处理系统等各种物质基础设备，为GIS提供物质载体。

由于GIS具有强大的空间分析能力，因此可用于森林火点的定位。通过GIS对各种空间信息的运算，了解在火点周围距离最近的水系和可利用资源的情况，有助于管理人员在最短的时间内，做出准确的控制火情及扑救决策，在最大程度上减少火灾带来的损失。除了强大的空间分析能力之外，GIS还具有对信息的快速反应能力，可用于森林火情的分析。通过其快速反应能力，结合GPS的精确定位能力和RS的大范围探测能力，对森林火灾的发生和蔓延情况进行全程的实时监测，可以有效准确地帮助工作人员作出救火计划，规划处最安全的救火路线。另外，GIS同时具有管理专业属性与图形两种信息，既可以生成电子地图、多媒体等数字化产品，又能生成文字的分析报告等产品。在森林发生火灾时，管理人员可运用GIS生成的三维地图来将火灾现场周围的资源呈现出来，结合收集到的风向、风力、可燃物类型等信息，管理人员可对火势的蔓延作出提前预测，对可能受到火灾危害的居民提前作出预警，帮助他们逃离危险区域，并准确制定扑救计划，为减少火灾损失及人员伤亡提供有力的支持。在火灾过后，还可利用GIS进行现场还原，用于火灾损失的评估，为后期的森林修复决策提供依据。