空天地一体化森林智能防火综合管理平台

邢保振

（四川九洲集团 四川省成都市 610000）

森林是陆地生态系统的主要载体，也为人类的生存和发展提供了物质基础。科学合理布局，高效管理森林资源，对于生态系统保护、绿色发展促进、安全生态格局构建以及美丽中国建设都有着重大的意义。在此背景下，我国已迎来森林资源与生态环境大发展的黄金机遇期[1-3,12-14]。

近年来，林火在西南山地区域频繁爆发，严重破坏生态环境安全，造成了重大的经济损失，导致了大量的人员伤亡。2009年3月11日，四川省凉山州冕宁县发生持续12 天的森林火灾，过火面积高达270 公顷[4]；2010年12月5日，四川省甘孜州道孚县发生林火，导致包括15 名参与灭火的战士在内的22 人遇难[5]；2019年3月30日，四川省凉山州木里县发生森林火灾，造成了30 名扑火队员牺牲[6]；2020年3月30日，四川省凉山州西昌市森林火灾，造成19 名抢险人员遇难[7]。针对西南山地区域开展系统性的林火综合监管工作，已成为目前林火管理与防控严峻形势的迫切需要。特别地，由于西南森林火灾多发区是典型的高原山区，林火发生过程存在复杂性、反复性、特殊性、多变性、危险性，而国内类似区域可直接借鉴的林火研究成果却相对较少，导致传统的林火预报、监测、管理与防控技术在我省的直接应用面临挑战[8-11]。

本文针对西南林火高发区域的地形特殊性，开展复杂地形区域森林防火数据库构建研究，以形成西南山地区域森林防火数据库；在此基础上，针对项目区域建设融合气象和地表特征的林火风险预报模型，发展融合“天空地”多源遥感数据的林火监测模型，较大程度地提高林火火点监测的时空分辨率，并进行复杂地形下林火时空变化过程模拟研究，以降低林火蔓延模拟不确定性。最后建设以智能监测系统为支撑平台的智能林火信息服务平台。

1 关键技术

1.1 林火预警

借助遥感对地观测技术预测范围广、信息量大和动态更新快等特点，本项目在实现对表征林火风险的地面可燃物类型和状态预测的基础上，将其耦合到常规的林火气象风险预测框架中，以实现研究区域林火风险的高效定量预测。图1 给出了林火预警的技术路线图。具体地，本部分的研究内容如下图1。

1.1.1 林火发生时空特征及关键影响因素的定量识别

通过定量地方式从影响林火发生的多种因素中识别出关键因素，是后续林火风险预测模型构建的重要基础之一：

针对研究区域的特征，研究自然、地理要素空间分布及林火发生时空特征；研究表征林火发生风险的潜在遥感定量指标提取方法；基于全样本的数理-统计分析模型，研究林火风险预测指标体系的定量识别方法。

1.1.2 智能学习算法驱动下的林火发生时空规则挖掘

采用智能学习算法驱动林火发生时空规则的挖掘，能够较大程度地简化传统专家知识构建的数学模型，提高时空规则在特定研究区域内的适应性，这也是本项目的核心研究内容：

图1：林火预警技术路线图

图2：林火监测技术路线图

研究林火风险关键影响因素离散最优尺度；研究应用于智能学习模型构建的样本选取策略；基于蚁群智能学习算法，研究多因素影响下的林火发生时空规则挖掘模型构建。

1.1.3 模型精度评价与时空规则更新策略

林火风险预测结果的精度评价，不仅能够验证所构建模型的有效性和可行性，而且能够为后续模型的优化和完善措施提供建议：研究针对林火发生时空规则结果的精度评价方法；研究林火风险预测结果的定量评价方法；研究动态林火预测数据的驱动下时空规则动态更新策略。

1.2 林火监测

充分利用多源遥感数据，在时空分辨率上增加火点的监测密度，将火点监测的空间分辨率由1 千米提升到500 米，再由500 米提升至30 米；时间分辨率由每小时一次提高到每分钟一次。从而更加准确地监测火点的动态变化，更全面地掌握林火的蔓延速度、方向和过火区域。图2 给出了林火监测的技术路线图。具体地，本部分的研究内容如下：

1.2.1 多源遥感影像森林火灾特征分析

在森林火灾影响下，针对多源遥感影像特征进行分析，是后续林火监测研究的重要基础之一：

针对Himawari8/AHI、NOAA/AVHRR、FY-3/VIRR、Landsat8/OLI、无人机/热红外、Terra、Aqua/MODIS 等不同遥感传感器，分别研究各传感器获取影像时光谱响应、波段参数特征、时空分辨率；基于维恩位移定理和上述研究结果，分析多源遥感影像应用于林火监测的适用性；为了便于林火特征的目视解译，针对森林火灾特征的敏感光谱波段及其组合模式进行研究。

1.2.2 火点识别算法

针对多源遥感卫星数据，在所获取的遥感数据中识别出火点的策略研究是林火监测的关键内容：

为了降低云和大气对于林火监测的影响，研究针对多源遥感卫星数据的多云监测及大气订正方案；基于误差统计分布理论，研究多源遥感卫星数据在特定区域背景下的背景温度信息提取策略；研究针对不同多源遥感卫星数据的火点判别准则；依据多源遥感影像的数据特征，研究耀斑和城市高温区域影响下的异常火点筛选模型。

1.2.3 精度验证及模型改进

林火监测结果的验证是后续监测结果实用化的前提，也是林火监测模型改进的重要依据之一：

基于历史实地调查数据，研究实地调查林火火点与多源遥感数据监测火点的时空化匹配方案；研究基于数理统计理论的林火火点监测精度的评价方案及指标选取；基于上述精度评价结果，针对相对条件的调整、非林火噪声点滤除规则、多源遥感数据的像素级融合等有利于模型改进的研究。

1.3 林火烈度评估

林火烈度的快速、精确评估是林火发生后森林生态系统恢复机制研究和恢复管理决策的主要依据，采用有效的评估指标和发展新型且高精度的评估方法是林火烈度遥感应用研究的主要发展方向。图3 给出了林火烈度评估的技术路线图。具体地，本部分的研究内容如下：

1.3.1 林火烈度特征分析

从林火烈度评估光谱指数构建方式差异的角度，研究光谱指数的构建；基于单时相、差分、相对差分模型，研究不同林火烈度评估指数的差异性及误差来源；研究林火发生前光谱指数的分布范围，并针对相对差分光谱指数的权函数选取标准进行研究。

1.3.2 林火烈度评估模型的构建

研究林火发生前后过火区域地表温度反演模型及其变化特征；研究林火发生前后过火区域植被参数反演模型及其变化特征；研究表征林火烈度定量指标标准化方案及基于地表温度和植被参数的林火烈度定量综合模型；研究林火烈度定量综合结果的等级划分标准与方案；研究基于支持向量回归的林火烈度定量综合评估模型。

1.3.3 林火烈度结果精度验证及过火区域面积估算

基于林火烈度实地调查数据，研究针对连续型烈度评估结果的多元回归分析精度评估模型；基于林火烈度实地调查数据，研究针对离散型评估结果的误差矩阵精度评估模型；针对林火多种林火烈度评估方法精度和适用性进行对比研究；在上述林火烈度评估的基础上，研究林火过火区域面积估算模型，并利用SAR 遥感数据的过火区域面积反演结果，进行模型验证。

2 平台总体设计

图3：林火烈度评估技术路线图

图4：总体架构图

2.1 总体架构设计

结合构建智能防火监管系统的需求，系统采用了MIS 技术、GIS 技术、计算机技术以及数据库技术，在安全保障、法律法规标准、运行维护等体系的基础上，构建森林智能防火数字化管理平台[15]。

智能防火监管系统总体设计架构如图4所示。

项目以网络、软硬件环境为基础层，以数据中心为资源层，以数据库综合管理、运维支撑、统一服务等内容为应用支撑层，从而构建智能防火监管系统。

2.2 系统结构设计

本项目从多维角度对项目区森林火灾进行监测预警管理。系统业务体系结构如图5所示。“多维”的含义包含几个方面，首先数据的维度。本项目平台基于的数据来自于不同的获取渠道，其中包括卫星遥感数据、无人机航空数据以及地表观测数据。不同的数据具有不同的特征，在项目实施的过程中，可以发挥各自的优势。在此基础上，我们在平台上设置了一系列的子系统，子系统可按不同功能划分为三类，第一类子系统是数据获取系统，其中主要包括：卫星遥感数据接收和处理子系统、林火视频监测子系统、小型移动气象站观测子系统、火险天气小气候气象观测子系统、无人机林火核查子系统、可燃物调查子系统；第二类子系统为模型开发子系统，包含林火风险预测子系统和林火蔓延过程模拟子系统；第三类为信息集成子系统，具体为智能林火信息服务子系统。

图5：系统结构图

图6：天空地一体化森林智能防火多维监测预警管理平台

其次是应用输出的维度。各子系统完成了数据的收集、基于一系列的关键技术，实现了数据在林火业务模型的应用。在此基础上，平台可以进行一系列应用的输出。本项目开发平台的应用包含了森林智能防火的各个方面，包括林火风险预测、林火实时监测、林火自动报警、林火烈度评估、林火蔓延模拟、多种林火遥感产品的生产，实现了指挥扑救系统，指定决策，并可以对公众发布相关信息。

在林火发生之前，相关领域的科研人员和林业主管部门的管理者所关注的主要内容为：某特定森林区域在未来特定时间段发生林火的可能性(林火风险预测)；当林火发生时，针对林火发生的地点、火势进行监测(林火实时监测)，有利于深化林火发生的特征、格局、时空过程认识，指导林火行为控制、扑灭措施；当林火发生以后，定量评价森林生态系统的损害程度(林火烈度评估)，成为林火后期管理、恢复等决策优化的主要依据。基于此，需要林火风险预测、林火实时监测和林火烈度评估三个方面进行研究。

3 平台的实现与建设

通过算法研究，开发形成标准化的参数产品生产软件，制备县级森林智能防火综合管理平台。通过制定标准规范,在此基础上，集成相关算法,通过数据的收集、采集、传输、处理、发布等多种功能和软硬件的集成，构建一套面向县级林火天空地一体化预警监测评估信息服务平台，为用户开展林火的预警、监测、评估、研究、分析、产品制作和产品发布提供了技术方法和平台，具有广阔的推广和应用前景。

本平台是作为县级林火天空地一体化预警监测评估信息服务平台，平台的设计以资源产品的生成和管理为核心，结合天空地观测数据的实时性和可信性，根据现有研究理论成果进行模型化、程序化集成。本平台主要建立产品库和模型库及天空地资料数据库。平台的建设与实现按功能模块分别进行，计划分为以下几个方面：

3.1 数据输入输出

数据输入输出的主要内容主要满足参数方案的要求，根据不同输入输出数据内容和格式，选择不同方式，对于地理数据而言，更多采用文件数据库的方式管理；生态环境资料数据主要来自于生态环境参数数据库；其他用户数据、产品信息、模型数据均直接输入编辑。输出数据中，除屏幕显示输出外，产品信息通过保存、网络共享等输出；产品地图还可以通过导出图像的方式输出数据；一些表格数据直接输出到Excel 中去。

3.2 数据处理

针对不同的遥感影像、地理信息数据和生态环境参数，按照用户的不同需求，进行融合、反演、参数计算、相关性分析等操作，以获得监测或分析结果，为决策者提供理论参考。

3.3 查询分析

测站小时数据和十分钟数据。对于模型而言，查询分析对应模型管理模块功能中应模型的查询功能，产品库的查询功能。查询分析需要注意到查询的便利性、准确性、易操作性等许多方面的设计。

3.4 数据管理

数据管理主要针对于平台数据库进行相应的管理，主要包括平台数据库的服务器名称、用户名称、密码、数据库备份、恢复等数据库常见操作，另外还有数据入库功能，即将遥感观测数据库中检索最新观测资料并导入平台数据库中；另外的数据库管理功能主要是产品管理和模型管理等相关功能。

3.5 用户管理

用户管理针对平台用户而言，主要包括平台用户的浏览、权限设置、用户信息修改设置等。平台根据不同的登录用户权限限制用户的使用和操作，仅平台管理员才有进行所有的操作的权限，而普通用户仅能进行一般查询浏览操作。本模块的设计需要注意安全性和可恢复性，以及用户操作的限制性。

3.6 专题应用

专题应用模块则主要侧重于平台对某些现有成果和现有平台的集成关系，主要集成有遥感影像处理软件、气象环境分析及现有的监测平台（需安装相关系统）等方面的专题应用。

3.7 平台参数设置

对于平台而言，需设置一些默认参数，并且这些参数能够被修改保存，主要为平台界面、操作提示、网络路径等参数，这些参数通过文件保存于平台目录下，可供修改调用。

3.8 辅助工具

辅助工具主要有常见的空间插值模型的插值工具、产品修饰元素（如指北针、比例尺、文本等）的插入和已有的统计图统计工具等辅助设计工具的调用。对于产品修饰元素，只针对视图中的布局视图可用，因为只有产品布局试图才需要这些操作。

3.9 移动端GIS数据采集与录入处理

利用该功能，可以实时地收集和上传数据，使数据采集的可用性和可靠性得到提高。实现卫星实时定位，地图的显示和图层的管理，投影坐标系转换，采集点的保存，编辑和管理等一系列功能，满足外业操作人员的采集任务。

“天空地一体化森林智能防火多维监测预警管理平台”整体构架如图6所示。

4 总结

在常规林火风险天气预报的理论框架下，本项目发展融合气象和地表特征的林火风险预报模型。在林火蔓延方面，复杂的地形特征不仅直接影响林火的蔓延行为，而且会导致风场出现较大的空间异质性，但精细的风场要素数据通常难以通过实测的方式获得；为此，基于中尺度气象模式下的局地气象模式的定量模拟，本项目进行复杂地形下林火时空变化过程模拟，以降低林火蔓延模拟不确定性。最后运用GIS 技术，实现了森林智能防火综合管理的科学化、可视化、数字化，进而极大地降低了林业部门的管理成本，大幅度提升林业管理信息化程度。