广东省自然保护区森林资源防火智能监测系统设计

李友余 唐远强 唐远星 陈斌峰 苏叶平 林劲松 朱永钊 朱同林

摘要：指出了森林防火的工作重心要放在预防环节。通过运用现代先进的视频监测仪器、模式识别技术、图形图像技术和大数据等技术，构建一个高可靠性、智慧型的省级森林防火监测系统，能够自动识别林火的火源、判断火势走向，并根据火情发生的背景条件，自动计算并生成几套可行的辅助灭火方案供决策者使用，为森林防火工作增加了一道保险。

关键词：省级自然保护区;森林;火灾;监测;设计

中图分类号：S7

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（ 2019） 24-0172-03

1 引言

森林火灾是造成森林资源重大损失和全球性的环境污染的毁灭性灾害之一[1]，它具有灾害发生随机性以及对生产、生活破坏性极大的特点。为了避免和减少国家、人民群众的损失，各级政府职能部门一直高度重视森林防火工作，不惜一切代价，采取各种措施将火患消灭在萌芽状态[2]。

随着物联网技术、计算机技术、互联网技术、人工智能等现代技术的演进，森林防火的各个部门可以整合起来，满足新时期林业系统自然保护区森林智能防火信息化建设所遇到的各种需求，构建一个以防为主，行动迅捷、分工明确、协同作战的森林防火指挥系统。本项目作为森林防火指挥系统的“耳目”，显得尤为重要。

2 研究背景

2.1 基础平台已经搭建好：国家林业信息技术快速发

展，为本项目的实施打下了坚实基础

2020年是全面实现小康的关键年，意味着“十三五”规划目标成功实现。2019年11月8日，曹福亮院士在中国林学会年会上着重指出，农业人工智能在农业信息化的基础上，已经迈人了智能时代。同时，他也认为林业也可以运用大数据、AI等技术实现林业信息化的总目标，即智慧林业。

2.2 保护区现实需要：广东省级自然保护区森林资源

防火形势严峻

省级自然保护区秋冬季节天气持续晴朗干燥，林内可燃物堆积，容易燃烧，加上大部分林区灭火用水资源不足，故一旦发生火灾，扑火困难大大增加。除了气候等客观因素，群众的防火意识薄弱也是造成林火频繁发生的主要原因。据广东省森林防火部门的初步统计，每天上午10点至下午6点是火灾的易发时间段，这期间，村民在农事活动中进行焚烧杂草的行为较多。

为了做好防火工作，保护区管理处除了加大巡山护林力度，严格管制野外火源，做好扑火救灾充分准备，随时进入防火临战状态之外，保护区管理处应在国家卫星林业遥感数据应用平台基础上，推进“云计算平台、高清视频、北斗示范、生态大数据”等项目标准建设，为全面提升林业信息化水平和能力提供坚实保障，真正做到防火患于未然。因此，在监测系统的设计过程中，应当要贯彻易用、前瞻、兼容、规范、先进和可扩展的六大原则，将系统构建成一个集成、严谨的大系统，以便后续监测系统在建设过程中能够找到相应的技术标准和相关规定。

3 项目实施的技术保障

根据广东省自然保护区的实际情况，因地制宜，构建符合保护区管理机构自身工作体系的森林防火动态监测信息系统，本系统通过运用智能林火识别软件和具备精准定位和摄像功能的智能三维系统，实现省、市、县（保护区管理局）三级的防火部门在防火预防、灭火等环节动态信息的共享和实时管理。减少人工巡防劳动力成本，提升了林火预报的准确率。利用“3S技术”和大型集中监控技术，结合林业领域知识和本系统防火数据，建立林业“空、天、地”三维一体化的防火指挥系统[3-6]。

4 广东省省级自然保护区林火智能监测系统业务功能、需求分析

4.1 业务功能分析

广东省省级自然保護区林火智能监控系统作为广东省森林防火工作的基础支撑，发挥着举足轻重的作用。本系统作为国家级（省级）自然保护区管理处林火防御技术，可以分为三种类型的业务：常态业务、非常态业务及介于常态与非常态的业务。基本可以满足保护区管理处（局）森林防火全天候监测的业务需要（图1）。

4.2 系统功能需求

4.2.1关于林火、烟雾、定位系统监控的林区图像清晰可辩，能够在第一时间智能识别林火，智能监控系统能够精确定位火点位置，并能自动报警（图2）。

本设备具有以下特点：内置可见光摄像机和热成像机，实现全天候监控;可见光摄像设备配备电动变焦镜头，具有连续变焦，自动聚焦功能，利于观看目标细节;热成像采用国际先进的微热焦平面探测器，像素高，实现黑夜环境中发现目标，探测火情。

4.2.2 关于火情推演

能够根据当前火点的位置、风向、温度、湿度、地表温度、植被等信息动态推演火灾蔓延的方向、面积、速度及强度[2]，为扑火指挥提供科学的决策依据。

4.2.3 灭火方案的生成

火情经过图像识别软件确认后，经过计算机的运算、对照历年来的灭火数据、方案，结合当前的火情实际情况，产生几套相对较好的灭火辅助决策方案，供决策者判断之用。

5 保护区现场背景分析

不同季节、不同的时间段，保护区管辖区域的自然环境经常呈现出迥异的现象，比如，同一天24小时内：上午天空晴朗，午后雷雨交加，晚上由于急流成灾造成山体滑坡。在这样的背景下，对信息采集前端设备来讲是一个重大的考验：一方面要保证设备的供电不能中断，另一方面要保证信息采集的前端设备不受昼夜温差、潮湿影响，还能够有效避免雷击。事实上，有相当数量保护区的监测设备受雷击和雨淋的损害而不能正常工作。此外，野外的设备要避免被人为损毁和偷盗，因此每一台监测设备应附带有定位等防偷盗功能。

6 讨论和结论

6.1 讨论

将森林防火的日常工作进行模块化，并在模块化的基础上，利用目前通用的大数据技术、人工智能技术、计算机技术等构件一个效用高、代码可移植、可扩展的森林防火监测体系。对火苗的判断准确率务必达到95%以上，能够持续追踪火苗的下一步发展态势，并能够运用知识库知识规则来对比和判断火情，为森林防火的各级决策机构提供科学的灭火方案，为决策者提供现场灭火力量的分配辅助支撑。

为落实《广东省森林防火规划（2017 - 2025年）》的责任目标，本森林防火监测预警系统按照层级进行建设，从将基层林场的场部、工区等收集林火信息的触点、到基层林业局、管理局，再到省林业局，打造成一个融合了“3S”技术、大数据技术、图形图像技术、多媒体技术、云端数据库、模式识别与人工智能技术等多种技术和平台“金字塔”形的集成系统。

6.2 结论

与通过嘹望台来观测和林火卫星监测系统相比，智能林火监测系统观察效果具有如下优点，如表1所示。

对比上述3种方式，智能林火监测系统的具有识别精准、反馈时间短、不受自然环境影响、极大的降低保护区管理人员的防火作业强度、提升保护区的管理效能等优点。

此外，从表1可以看出，该监测系统能够覆盖保护区辖区内的所有区域火情信息采集，且由于采用了“空、天、地”三位一体融合方法，因而，即便是复杂的地形、多变的气候同样也能进行监测和信息采集工作。

秋冬季节，天干物燥，广东省自然保护区由于生态环境优良，故林区人为活动很频繁，有野炊，也有烟头乱扔的现象，存在着极大的火患，森林防火任务相当严峻。因此设立广东省级自然保护区林火远程的智能监测系统的工作十分迫切。

致谢：本文写作过程中得到了广东省林业系统各级部门的领导和同事帮助，在此一并致谢。

参考文献：

[1]舒立福，田晓瑞.国外森林防火工作现状及展望[J].世界林业研究，1997（2）：29-37.

[2]唐晓燕，孟宪宇，易浩若，林火蔓延模型及蔓延模拟的研究进展[J].北京林业大学学报，2002（1）：87-91.

[3]舒立福，田晓瑞，寇晓军，林火研究综述（I）——研究热点与进展[J].世界林业研究，2003（3）：37-40.

[4]万鲁河，刘万宇，臧淑英，森林防火辅助决策支持系统的设计与实现[J].管理科学，2003（3）：21—24.

[5]陈斌锋.林火自动识别报警系统研建[J].森林防火，2015（2）：41-44.

[6]黄冠霖，朱同林.基于聚类方法的植物叶片色彩仿真[J].计算机仿真，2016，33（1）：365～368.

收稿日期：2019-11-21

作者简介：李友余（1976-）.工程师，主要从事自然保护区资源管理。

通讯作者：唐远强（1975-），科技咨詢师，博士研究生，研究方向为机器学习、生态污染环境治理、环境系统规划等。