新型森林火情预警监控系统设计探析

杨燕丽 范 超 李 颖 张 威 张 烈 韩仁江

(成都工业学院，四川 成都 611730)

0 引言

火灾是破坏森林最为严重的自然灾害。森林中出现火灾不仅会破坏植被，还会对其他生物造成危害，降低森林的再生能力。一般而言，森林火灾范围广，扑救难度大。因此，将火势止于萌芽初期显得尤为重要。随着科技水平日益发展，利用信息技术预防森林火灾具有重要意义。

1 森林火灾现状

目前，森林火灾已经成为生态系统危害较大的自然灾害之一。我国因为地形复杂，森林分布较广，森林火灾也频繁发生。近年来，人为活动导致火灾的事情时常发生，人为因素森林起火约占95%。而全世界每年平均火灾将近20万余次，燃烧的森林面积占总数的百分之一以上，而中国森林火灾面积约占5%以上。因此，如何防范森林火灾是全球面临的主要问题之一。

2 国内外森林火灾预警的主要方式

随着计算机系统迅速发展，全世界范围内对森林火灾预警系统已经有了越来越多的预警系统。国内外许多研究者就森林火灾预警问题，提出了途径及方法，旨在获得行之有效的可行性价值。

2.1 国外森林防火技术

国外森林防火技术种类繁多，其中林火预警包含火险天气预报、林火发生预报以及林火行为预报三种。德国采用FIRE-WATCH自动预警森林火灾系统。美国主要采用红外遥感火灾预警飞机巡逻以及护林飞机对森林火灾进行预警。利用卫星可在距离地面八百千米的位置，围绕地球探测森林范围地面的温度以及烟雾进行检测。无人驾驶的林火预警飞机能够做到24小时适时监测，虽然在森林火灾预警方面防范效果较好，但资金耗费也相对较多。利用卫星可通过发射电磁射线对森林地区的温度进行监测，当检测到某一地区的温度上升超过150℃时，红外线波长就会达到3.7微米，预示着该地区火灾险情。

2.2 国内森林防火技术

2.2.1 地面巡护

地面巡护，主要任务是宣传群众，控制人为火源，深入瞭望台观测的死角进行巡逻。对来往人员及车辆，野外生产和生活用火进行检查和监督。存在的不足是巡护面积小、视野狭窄、确定着火位置时，常因地形地势崎岖、森林茂密而出现较大误差；在交通不便、人烟稀少的偏远山区，无法进行地面巡护，需用各种交通工具费用及人员工资费用，只能用视频监测方法来弥补。

2.2.2 瞭望台监测

瞭望台监测是指通过一个方向来监测林火的发生情况，从而确定火灾发生的大致位置及火势范围，探测范围较广，且准确性较高。倘若遇到偏远的森林地区就不能够设置瞭望台，由于该监测设备观察受到地势限制，覆盖面就小，容易出现空白、观察不到的现象，甚至当火场出现大面积燃烧时仍无法观察。另外，瞭望台需要依靠瞭望员的经验以及专业的方法进行监测，且准确性较低。由于瞭望员观测时所处位置较高，常常会面临雷电击、野生动物攻击的威胁。

2.2.3 航空巡护

通过飞机对森林火灾进行监测。飞机探测范围较大且机动性强、速度较快，对火场范围能够做到实时观察，并能及时采取相应的扑救措施。但是当遇到夜间、能见度较低的天气时，由于时间范围及航线的限制，观察范围就会明显缩小。倘若由于天气的原因错过观察的最佳时机，又恰好火灾出现就会酿成大祸。另外飞机飞行成本较高，需要设置定点的视频来监测，弥补飞机受天气影响的不足。

3 多层级多样化的森林火灾预警系统

3.1 系统原理

森林火灾预警系统主要是通过温度以及无线网络模块运用到检测系统中。利用信号传递，以数据的形式接收温度以及无线网络传送到基站节点的每个子网上面。而每个子网节点上由多个传感器构成，通过网络连接的形式，实现通信的目的。首先，系统初始化时，GPS节点首先初始化自身位置信息，再加入网络系统，从而形成一个完整的无线传感网络系统，并处于监测状态。当一个子节点采集到火情预警数据时，就会经过多跳录像基站节点传输数据。某一节点通过网络向远程控制中心发出火警预警信号时，这个过程大大节约了成本，提高了效率，使得预警设施为零的森林上铺设传感器监测成为可能，还可以将发现火情的具体位置以及温度通过多条路传到相应的基站节点。随后基站节点再通过基站网络向远程控制中心发送火情消息，演成控制中心在接受到信息之后进行数据分析，以确定火灾发生的地点，从而为森林防火员提供重要的技术支持，在无需人多干涉的情况下，既能够节约成本，又能够提高火情发现的准确性及监控能力，为实现林业跨越式发展，保护生态环境提供有力保障。

3.2 系统特点

本次系统设计的森林防火报警系统主要由总控系统、传输以及监测节点系统组成。系统建设具有以下功能：

(1)连续不间断：一整天不间歇，能够实时反映检测区域情况，有问题可及时反馈。

(2)语音侦测系统：有异样便会通过指示灯进行警示，监察员通过灯色(红、黄、蓝、绿)掌握监测区域火情状况，并能通过系统语音播报掌握前方状况。

(3)GIS管理系统：该系统是GPS与地图的结合，监测员能够通过GIS管理系统掌握起火地点位置以及火势，并根据系统状况组织人员及时扩散，综合信息做出相应的决策。

(4)林火定位功能：该功能原理是，接借助前端采集数字的云台对每个指定位置的监控点的信息进行编码，并将具体位置信息坐标直接绑到相应的电子地图，这样指定位置就会向云台传送信息，通过数字坐标模型，进行定位及人工定位。

(5)太阳能供电：该供电设计，充分响应了国家绿色、协调的理念，太阳能供电既节约环保，且在系统组建时期能够大量节约人力、物力、财力的成本；值得一提的是组装简单、小巧，且使用期限长，由于是无电缆式，所以不用考虑距离问题。

(6)视频采集图像：该视频界面简单易懂，美观清晰且易被人操控。当防火员登录到某个系统权限时，就会自动分配到相应的模块，而将菜单去除多余的版面。例如，当森林发生火灾时，就会在视频上演示火灾着火的动画，通过动态的形式把着火的消息传递给终端，从而实现实时播报的目的。这种特点能够在科学上直观的通过云平台将图像传递给防火员，并且能够时时反复播放。

(7)资源管理：该系统能够整合资源，将扑火车数量、人员以及物资等多个方面数据进行管理。

(8)防雷接地系统：该装置具备防电防雷功能，即便遇到雷雨天气也可以起到接地保护作用，使得装置正常使用。

(9)提供协助信息：该软件能够通过以往火情发生情况，根据当地天气状况、保护对象以及现有资源为决策者提供辅助信息。

(10)达到紧急指挥服务：通过数据分析判断当地火情，并根据定位调拨附近区域的人员、车间，从而做好实时监控。

(11)评估火灾：在火灾发生后，进行火情备案处理，并对火灾造成的损失进行评估，评估内容包含：①通过视频或图片查看要保护的对象，根据视频或图片估算火灾造成的各项损失；②火情识别报警：监测区域一旦出现火点，就会通过系统识别判断，从而提醒观看视频的监测员及时掌握火点情况以采取相应措施。

(12)三维电子沙盘功能：包含三维林火标绘、地图浏览、检索、图例控制、三维标注控制、三维飞行模拟、维地图输出、图层控制、三维林火定位、三维最佳路径、三维地图上矢量信息叠加以及同步显示等。

(13)其他特点：能够防震动、抗压且防尘，不会受到天气的影响，专门为露天、偏远地区及高寒地段设计。

3.3 系统任务

3.3.1 物联网技术

该项目主要是通过GPRS链路为无人机站与服务器之间进行网络连接，传输速率较高，但无人机发现火情时，就会通过GPRS系统发到无人机站进行数据分析，随后将火情信息发送到相关服务器并能在管理人员的手机上面形成画面。此时管理人员就能够适时了解到附近发生的着火点，而后台的管理人员就能够通过物联网技术准确掌握整个森林生态系统的运行，从而达到远程发出控制指令的目的。

3.3.2 无人机自动巡航技术

该项目在借鉴已有森林火灾预警的基础之上，采用携带火焰传感器以及红外传感器对所覆盖的森林区域定时巡航，通过反复不断地实验发现无人巡航技术能够实现自主起飞、降落、规避障碍，从而实现全智能化。

3.3.3 烟雾及火焰信号检测

烟雾信号监测是指当森林某一区域出现烟雾时，对烟雾进行监测也是一个重要的发展方向。经过反复实验证明，气敏传感器与CCD图像处理系统相互协同，能够准确判断烟雾在无人机站安装烟雾信号传感器能够通过云平台进行观察。而火焰信号是指将紫外光谱信号以及红外热信号经过实验反复检测。该方案的灵敏度较高且抗干扰能力强，能够准确识别火源达到预期效果。

4 结语

通过了解森林的火灾现状，掌握国内外现有的火灾防控技术，突破原有的森林火灾检测、扑救技术，并在此基础上为其设计合理的火灾自动监控报警系统弥补传统系统不足。验证了温度传感器与无线网络相结合运用到森林火灾预警系统具有可行性。系统将视频软件、语音系统、录像识别系统以及报警系统功能相结合的方式通过无线网络信号传递的形式，形成数据报表发送到防火员所辖的系统平台上，以提高实用性，从而对森林实现防护作用。