空天地一体化森林防火监测关键技术及实现

袁传武 张维 王崇顺 赵虎 张鹏 刘先贵

摘 要： 本文提出了森林火灾空天地一体化监测的体系框架，简要阐述了森林火灾空天地一体化监测的关键技术，并在九峰国家森林公园进行了实地验证。指出空天地一体化森林火灾监测方式，是森林火灾“早预警”、“早扑灭”不可或缺的重要手段，为全方位监测森林各项环境数据提供了技术支撑，为公共安全管理、重大活动监测、污染防治等其它行业监测应用与应急管理提供了良好的示范和解决方案。

关键词： 森林防火;空天地一体监测技术;空间数据存储及分析

中图分类号：S757.1   文献标识码：A   文章编号：1004-3020（2021）02-0066-05

Application of Air，Space and Ground Integrated Monitoring Technology in Forest Fire Prevention

Yuan Chuanwu（1） Zhang wei（1） Wang Chongshun（2） Zhao Hu（1） Zhang peng（2） Liu Xiangui（1）

（1.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075;2.Hubei Tailong Interconnection Communication Co.，Ltd. Wuhan 430072）

Abstract：

The authors proposes a system framework for integrated air-space-ground monitoring of forest fires，briefly expounds the key technologies of integrated air-space-ground monitoring of forest fires，and conducted field verification in Jiufeng National Forest Park.It pointed out that the air-space-ground integrated forest fire monitoring method is an indispensable and important means for achieving “early warning” and “early extinguishment” of forest fires.It provides technical support for the comprehensive monitoring of various forest environmental data，and is important for public safety management and major Activity monitoring，pollution prevention and other industry monitoring applications and emergency management provide good demonstrations and solutions.

Key words： forest fire prevention;air-space-ground integrated monitoring technology;spatial data storage and analysis

“空天地”一體化是指对从空、天、地三个角度进行监测，可扩大监测范围，保障行业健康发展[1]。国内的电网建设、地质灾害、水土保持、城乡规划、资源监测、智能交通、矿区监测、海洋探测、大气污染、铁路勘察等行业的专家学者均对此进行了研究与应用，为各行各业的监控工作提供有力的技术支持[2-13]。

森林是陆地生态系统的主体，是地球之肺，对生态环境保护具有重要作用。森林火灾位居破坏森林的三大自然灾害（火灾、病害、虫害）之首，它不仅给人类的经济建设造成巨大损失，破坏生态环境，而且还会威胁到人民生命财产安全。森林火灾所具有的极强突发性和破坏性，使得林火监测成为实现森林火灾“早发现”的关键所在。

传统的森林火灾监测主要是应用视频、瞭望塔、人工巡护等方式监控火灾的发生，这种方式在火灾监测、数据共享、监测效率、火险预测等方面存在监测方式独立、监测数据分散、监测不及时、预测不准确等诸多缺点。针对传统森林火灾监测方式存在的不足，通过遥感卫星、无人机、高点云台、地面巡护等建立高效的空天地一体化森林火灾监测体系，能弥补传统森林火灾监测方式的不足，对森林资源形成有效保护，成为确保森林火灾“早预警”“早扑灭”不可或缺的重要环节，在森林防火领域具有广泛的应用前景。

1 体系框架

空天地一体化监测即在林区构建完善的“空、天、地、人”森林火灾监测网络体系，形成空（卫星遥感）、天（无人机遥感）、地（高点云台）、人（地面巡护）四位一体的监测网络，对森林火灾进行天罗地网式全面高效的监测，及对森林火灾的预防、控制和扑灭做出有效的信息处理和关键决策，并形成一套完备有效的空天地一体森林火灾监测系统。

其手段是充分利用遥感卫星、无人机、高点云台、护林员，形成时空协调、全天候、全天时的森林火灾预警系统一体化监测体系。其内容主要包括遥感卫星、无人机、监控视频、护林员终端等空天地森林火灾信息资源的实时采集、汇集、交换、存储、分析和服务等环节。空天地一体化森林火灾监测体系框架由感知层、网络层、平台层、应用层4层组成（见图1）。

感知层：是“空天地”一体化森林火灾监测体系的基础和重要支撑，能够实现对森林火灾进行多方位的全面感知。包括遥感卫星、无人机动态监测、高点云台可见光/热成像视频监控设备、护林员手持APP等感知设备。感知层具有巨大扩容能力和适应能力，

网络层：将各类监测数据进行实时高效传输，形成可靠的全覆盖的数据传输网络。包括北斗通讯卫星、窄带互联网、4G/5G网络、光纤专网、微波等通讯设备。将“天上卫星、空中飞机、山头监控、林间巡护”的监测实时数据，构建成四位一体的森林火灾全天候监测网络。

分析层：对历史数据和实时监测的海量数据进行挖掘分析，准确地预测、预警森林火灾的发生。包括数据存储及处理、数据挖掘、大数据分析、数据可视化展示等。通过大数据技术，清理整合、分析挖掘，形成完整、标准化、高质量的森林火灾监测数据供给源。

应用层：集热源探测、数据收集、视频联动、生态监测、地理信息、预警预测、应急指挥等功能为一体，将各类林火信息资源共享、各种通信网络互连互通，为森林防火预警监测分析决策和快速指挥调度提供了一个完善的技术体系。保障卫星、无人机、高点云台以及防火人员等监测数据实时联动与协同。

该体系结构具有跨区域异构平台级联、综合林火信息全景视图、森林资源全景高清视频监视、远程移动监控桌面、火灾视频智能监视与人工巡检结合、森林火灾高清视频的图像矫正与虚拟云台等特点，是完备有效的空天地一体化监测技术。

2 关键技術

其关键技术是空间数据存储及分析。由天上卫星、空中飞机、山头监控、林间巡护所采集的高精度和现势性的森林火灾监测数据，具有多源、多类型、多尺度、海量的特点，数据类型包括点线面的矢量要素，以像素为单元的栅格要素，以及相互关联的属性要素等。必须采用高可靠、高性能和可伸缩地理空间数据分布式计算和存储管理技术，才能实现高效无缝地分布式存储管理，包括多尺度地图矢量数据、多时相高精度卫星遥感数据和无人机高分航空数据、DEM、视频数据、文本数据等，开发并实现各类TB级地理空间数据的存储模型、组织模型，矢量数据划分、栅格数据分块存储策略和分布式空间索引等功能。

通过多尺度变换、多时态综合、多尺度空间数据整合、数据集成，实现森林火灾静态数据和时态数据集成、空间矢量数据与栅格数据集成、拓扑数据和非拓扑数据集成、空间数据和属性数据集成、离散数据和连续数据集成、结构化数据和非结构化数据集成等，实现各类监测数据的调整汇聚、统一集成和共享应用（图2）。

数据集成实现两大功能：一是基础数据和共享数据的交换服务和路由流程管理，包括：动静态交换数据、图形数据及表格、统计资料等属性数据;二是系统之间的接口实现，实现系统之间的数据共享和传输操作。外部系统数据在对接时，各类数据接口遵循系统集成规范。

数据处理与分析主要包括数据导入/导出，数据预处理等功能，并提供数据分析，数据挖掘，数据融合功能。利用GIS空间分析方法、人工智能方法、空间统计方法等，建立地理时空数据动态挖掘方法库/模型库，形成动态挖掘模型库，进行空间数据融合分析应用，基于多源数据融合分析技术，提供各种智能化服务，例如路径分析，主动推送等。空间信息可视化分析将林火数据、数据分析处理结果等采用图形、图像，结合图表、文字、报表，以可视化形式，实现交互处理和显示。

3 具体应用

九峰国家森林公园位于武汉市东郊，占地面积330 hm2。森林覆盖率达85%以上，是武汉地区森林面积最大的绿色资源宝库，也是武汉市城市森林和生态保护区核心区域。园区周边人员流动频繁，火源的管理难度大，容易引发重特大森林火灾，森林火灾一直困扰着该区域。如何准确预测森林火灾和林火行为，有效避免林火的发生，成为公园管理部门当前十分重要的研究课题。

公园管理部门在原有森林防火设施基础上，应用云计算、物联网、移动互联网、大数据等新一代信息技术打造了空天地一体化的森林防火预警监测平台，实现了预防、监控、报警、指挥、扑救、损失评估等全方位数字智能一体化联动功能。在森林火灾监测与预警方面，集成了卫星遥感、无人机监测、高点云台、地面巡护等监测设备，实现了空天地一体化森林火灾实时联动的监测预警功能。即防火平台进行国家森林火灾遥感卫星告警信息的快速响应，通过位置坐标实时联动高点云台摄像机、无人机等确认火情;无人机搭载热红外监测设备实时联动巡检高点云台监测盲区;在高点增设视频智能预警监测设备，实现360°全方位监控和火点的智能识别，发出报警信号在GIS地图上定位显示;护林人员通过手机APP平台，实时联动并监控林火状况（图3）。

具体监测过程：日常的火情监测，通过布设的两个高点云台上扫描半径为5 km的双光谱摄像机，全天候24 h自动监测330 hm2林地资源面积。一旦发现疑似火情，通过自主研发的智能图像烟火识别算法，迅速准确定位火点位置。第一时间以3种方式报警，一是监控中心响起警报声;二是报警信息显示在监控中心大屏;三是手机APP同步显示报警信息。平台会根据发生火场周边区域内的防火设施情况，自动生成应急预案，第一时间将起火时间、地点、风向、风速、地形、坡度、温湿度、植被类型、人员布署等相关信息推送给一线扑救人员与指挥人员，供扑火决策使用。火情一旦确认，无人机将实时联动起飞，获取视频影像信息实时回传监控中心。护林员根据平台提供的最佳路径，前往起火点进行现场拍照取证。

当发生较大火灾时，按照国家防火监测卫星提供的坐标信息，正常巡航的高点云台将高清摄像镜头对准起火点坐标位置，进行火点识别、核准并确认;如果该火点位置位于高点云台监控的盲区，无人机则实时联动起飞，将起火点视频信息回传监控指挥中心，供值班人员确认;护林员则通过手机APP，按照平台提供的最优路径，前往火点进行现场确认，拍摄照片或视频上传平台。值班人员通过各种监控设备的信息整合，综合判断并核准该起火点信息。图4为模拟国家林火监测卫星的坐标信息，通过多旋翼无人机、高点云台摄像机以及防火人员的实时联动，成功实现了空天地一体化森林火灾的精准监测。

4 结论

（1）空天地一体化森林火灾监测方式，是森林火灾“早预警”“早扑灭”不可或缺的重要手段。利用遥感卫星、无人机等获得的整体监测资料与高点云台、护林员等获得的地面监测数据，进行互相补充及对照，可获得更全面的森林火灾监测数据。该监测方式在九峰国家森林公园进行了实战演练，达到了预期效果，做到了森林防火做到了灾情早发现、早扑救，实现了森林火灾动态监测的科学化、信息化、规范化和高效化。为公共安全管理、重大活动监测、污染防治等其它行业监测应用与应急管理提供了良好的示范和解决方案。

（2）森林火灾具有突发性和破坏性的特质，使不同的林火监测设备在时空监测能力和监测数据采集能力方面存在差异，一种监测技术难以实现所有火灾数据的采集。传统的林火监测是以对火情的发现为目标，重点在于发现，而空天地一体林火监测的重点在于监测信息共享和林火信息研判，为林火扑救、科学决策提供数据支撑。因此，需要对各种监测技术进行组合，才能实现全天候、全覆盖的森林火灾实时有效监测与火情及时分析研判。

（3）以云计算、物联网、移动互联网、大数据为代表的新一代信息技术正成为推动森林防火科技化、智能化转型升级的新动力。采用高科技手段，构建森林火灾监测体系，创新預警监测模式，对提升森林火灾综合管理水平和效率具有十分重要的意义。而基于5G、人工智能等技术，采用多层级的智能化管理体系，多级部署，前端感知采用边缘计算技术直接对终端设备进行过滤分析，接入多种传感器，可全方位监测林区各项森林环境数据，是未来发展的必须趋势。

参考文献

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（责任编辑：郑京津）

收稿日期：2020-11-12

基金项目：湖北林业信息化重点项目“湖北森林防火网络化预警云平台建设技术及应用”（HBLY2014-002）

张维为通讯作者。