多光谱森林防火系统在大青山的设计与应用

郝仪萱

（呼和浩特市林业和草原局新城分局，内蒙古 呼和浩特 010010）

1.设计背景

习近平总书记一直在强调“绿水青山就是金山银山”的发展理念，由此可见，生态兴则文明兴，生态衰则文明衰。党的十八大将生态文明建设放在治国理政的重要战略位置，我国的社会主义“五位一体”总体布局中也增加了生态文明建设的内容。党的十九大，重点强调了生态文明建设，并作出了新论断，提出了新要求，强调必须坚持人与自然和谐共生，统筹山水林田湖草治理，建设美丽中国。

森林，作为一种可贵的自然资源，不仅产生直接的经济效益，更会带来不可比拟的生态效益。可是，森林火灾是目前全球发生范围最大、危害性最高、救助难度最大的一类自然灾害，其不仅会对森林资源带来毁灭性打击，还会对国家的生态安全带来危害，直接威胁着国家森林资源安全和生态文明建设的成果。一旦居民区、森林与农田交叉的地方发生这类自然灾害，会对粮食、房屋及畜牧带来不可估量的影响。一旦出现森林火灾，需要大量的消防人员前往消灭火灾，避免人力和物力的浪费，影响到正常的生产劳动，还会对居民的生命安全带来威胁。

2012年，呼和浩特市新城区启动了大青山前坡生态保护综合治理工程。经过九年的植树护绿，全区林草管护面积达80.6万亩，大青山前坡更在短短几年内新增林地面积近14万亩，丰富的森林资源已成为新城区改善生态环境、加快经济发展和旅游开发的重要组成部分。

大青山林业生产的持续健康发展，在生态建设、农民增收等方面发挥重要作用的同时，也给森林防火工作提出了更高要求，带来了更艰巨、更繁重的任务。为从根本上消除火灾隐患，最大限度地减少森林火灾的发生，迫切需要采用新的技术手段为森林火灾检测、预警、扑救、灾后评估等决策提供技术支撑和服务，同时也需要兼顾树木砍伐、野生动物偷猎等常见问题的管控。因此，建设一套先进的火灾监测综合管理系统就显得尤为重要。

2.设计目标

通过利用多光谱红外热成像热感应技术和烟火智能检测算法，全面监控新城区大青山前坡数公里范围内的森林资源，采取智能森林防火预警模式，能够掌握森林资源的各项情况，利用智能化与自动化设备对大青山前坡森林资源火宅进行监控、报警和定位。在实现森林防火智能化、可视化的同时，促进林业资源管理、护林员巡护及应急调度等多方面业务的融合管理，打造一体化、全方位、全天候的智慧林业。

3.系统设计

在新城区大青山段的山体制高点，建设完成光谱火险预警监测雷达站点和信息指挥中心，选用高清变焦摄像机架设在生态观测台上，实现全区生态监测预警全覆盖。使森林和草原管护区内预警和监控全方位无死角，构建地面管护人员瞭望巡逻、高山高清探测相结合的立体化、全覆盖的生态监测与环境保护、防火预警与应急管理相结合的森林草原生态保护综合监控监测体系。对盗砍盗伐、火灾隐患、私搭乱建、私开盗采等破坏森林资源的行为实现全面监控。

3.1 多光谱火灾预警探测装置的技术优势

根据国家林业规范要求和实际火灾监测需要，要求用于火灾监测的摄像机除了具备高清监控能力外，要求能在远距离对火点进行识别，具有较高的准确性；同时，摄像机还需能对火点位置进行准确定位，和采集森林草原周边的气象信息（风力，风速等）；在性能上要求摄像机具有良好的稳定性，防雷抗风能力等。

多光谱摄像机的工作原理是，分析测量对象与背景或其各个部分之间的辐射信号差异，并将这种信号转换为电信号，通过放大处理后，获得视频图像。通俗地讲多光谱摄像机的作用，将物体发出的不可见红外能量转变为人眼可识别的热图像。由于不需要借助可见光，通过被动接收物体热量而形成图像，因此又称被动红外成像。

在火灾预警监测方面，采用热红外智能烟火检测技术，实现烟火智能识别，并结合高清一体化可见光云台摄像机及后端智能可视化综合监测管理软件实现烟火智能识别并自动报警，与单一采用可见光检测方式相比具有更高的准确性；同时，运用重型数字云台转动的方位角和俯仰角、长焦镜头的焦距及后端GIS管理软件平台实现火点自动精确定位，通过摄像机和传输链路将视频图像和控制信号传输到指挥中心进行监视、存储和管理。

3.2 防盗报警子系统的技术特点

森林防火智能监测系统前端基站设备安装的主要区域都是在密林深处，这些区域一般鲜有人迹、无人值守，所以，需要采用具备智能分析自动防盗报警功能的防盗摄像机，并通过双向语音对讲的方式，对野外森林防火监测基站设备的偷盗者、违法打猎者、密林吸烟烧纸等人员起到警告和威慑作用。

防盗报警系统工作方式为：一旦有人靠近、登上基塔，那么警告系统会开启，摄像机的录像信息会传递给监控中心；同时，现场会放出警示信号，该信号传递给监控中心后，监控中性通过语音对讲系统可以实现现场对讲。

上级的监控指挥中心则通过对讲系统能够单向的通话，上级单元则可以监听本地的声音信号。

利用远程控制系统能够对基站的各项单子设备进行控制，还能对摄像机、云台以及镜头等设备进行远程操控。

前端基站的扬声器及拾音器，能够和指挥中心进行对话；一旦外来人员进入到基站，识别出其会威胁到基站的安全，则通过扬声器自动播放音频文件进行警告等。

3.3 频段选择

相比起专用频段的无线网络设备，森林防火智能监控系统有着极高的性价比，并且由于专用频段的无线网络设备与智能化监控系统的兼容和匹配度不高，所以，森林防火智能监控系统采用了性价比最高的5.8G无线数字网络。移动、电信3G网络的带宽目前还无法满足视频监控实时传输的需要，并且还未能全面覆盖森林区域；而5.8G无线网络的采用就解决了以上难题，它不仅费用低、传输带宽高，而且通过自建的方式可以覆盖众多森林区域。

3.4 火灾动态演练

通过以时间顺序显示和移动标绘，动画模拟火灾的蔓延、人员的调动等行为，再现火灾现场扑火过程，并提供开始、暂停、停止、重播等操作，帮助总结扑火经验。或者通过假想火灾，根据火灾周边的情况，制定扑火预案，进行扑火演练，帮助扑火指挥人员提高实战水平。提供动态演练的创建、编辑、存档功能。

3.5 三维林火定位及最佳路径的技术优势

系统可根据前端数字云台信息及其海拔、塔高、云台水平角、俯仰角信息结合DEM数据，迅速、准确地锁定火点位置，同时获得火点所在的地名，通过智能系统的计算，快速锁定着火点周围是否存在危险设施设备，对附近的扑火力量（专业森林扑火队伍、村镇应急扑火队伍等）进行预估，并综合地理信息系统的网络分析功能，快速分析计算出每支扑救力量到达火灾现场的时间和最佳路径，进行林火扑救的动态模拟，使扑火指挥人员就近组织扑火队伍、物资展开有效的扑救。不仅如此，系统结合GPS卫星定位、轨迹显示等功能，能够指引消防人员及车辆的通行，系统三维电子沙盘上显示出的地理信息为指挥中心提供了清晰的路线，以便于消防人员及车辆可以选择出最佳的救火路径，并及时的抵达现场。

3.6 林火蔓延动态模拟

森林火灾的蔓延过程，是一个多相、多组分可燃物在不同的气象条件和地形的影响下，进行燃烧和运动的复杂现象。多光谱森林防火系统结合惠更斯原理和国际上成熟的林火行为模型（Rothermel的地表火模型，Van Wagner的树冠火蔓延模型，McAlpine 的林火加速模型），建立了适合呼和浩特市大青山前坡地形的林火蔓延动态模型，由此开发出相应的动态模拟模块。

通过对火情位置点当时的天气状况（温度、降水、风向、风速）、地形地貌、周围可燃物状况的分析，以及对该区域森林资源的种类、面积、树龄和防火线、河流、道路、防火林带等隔离带信息的分析，根据森林火情的蔓延态势来模型动态计算后，自动生成该区域林火蔓延的模拟效果，第一时间向决策者提供火情燃烧区域、蔓延速度、火线强度、火场扩展趋势等重要火灾行为信息，使指挥人员在办公室就可看到未来一段时间内林火发展蔓延的趋势和情况。

3.7 定制作战方案

系统根据森林火灾扑救指挥的工作流程，实现火灾扑救模拟作战方案的制定，涉及的模块主要包括：火点自动定位、火险预警、林火蔓延模拟、辅助决策、指挥调度、日常管理、林火标绘。

定制作战方案的流程如图1所示：

图1 定制作战方案流程

3.8 林火扑救命令的下发

根据火情的不同情况，系统定制作战方案后，通过服务器向移动端发送林火扑救命令，值班人员、扑防火队、应急部门等会接收到发送的指令，做出行动。

3.9 根据现场回传的GPS位置信息、图像、声音进行实时指挥作战前端扑救队伍、车辆、指挥中心、联动部门等通过平板电脑、手机、电话等多种移动途径将现场的GPS位置信息、图像、声音回传到系统，在地图中显示出来，用于系统辅助决策功能。

3.10 GPS监控

多光谱森林防火指挥辅助决策系统结合了GPS技术、无线通信技术（GSM/GPRS/CDMA) , 对携带了GPS终端的护林人员、扑火队员和车辆进行定位跟踪、历史轨迹回放、安全报警、远程监控，实时监测其所在位置，决策者可以随时进行指挥调度。

GPS 监控功能包括GPS跟踪、GPS定位、扑火路径分析等基本GIS功能。通过GPRS 将被监控移动设备的GPS (可以扩展到北斗）的地理坐标系统，发送到服务器端；查询用户可以通过PC或者其他移动设备，实时查询被监控对象的位置坐标，并能够动态的反映在电子地图上。配备定位终端设备给救护车及扑救人员，可以让他们实时掌握动态的信息，以实现不间断地跟踪；指挥系统与移动目标结合在一起，能够让车辆、人员的信息位置直观地展现出来，并获得其对应的轨迹信息。系统支持对历史轨迹进行查询、回放；系统能够借助强大的GIS系统支持，帮助扑救人员、车辆进行综合分析，确定最优路径和最优灭火方案，引导其快速灭火。

同时，系统还可以通过前端GPS设备回传的数据，直接在系统中自动形成封闭的过火区域，并自动进行过火面积统计计算。

4.风光互补供电子系统

呼和浩特市新城区森林区域日照充足，风力较大，能为风光互补供电系统提供充足的太阳能、风能资源，保障监控设备的正常运行，为森林防火监控供应电能。

前端监控基站所处位置在野外，除基站附近有市电的情况下可以采用电缆电力输送，并根据实际情况配置USP后备电源系统。远距离一般不建议采用市电，因为过长的电源线路导致到达基站时电压较低，容易造成设备损害，而且成本高，所以，最好的方案就是在日照比较丰富的地方采用太阳能发电系统，在风能比较丰富的地方采用风能和太阳能互补的发电系统。

5.结论和意义

综合运用多种技术，以林业专题数据库、基础空间数据库和防火数据库为支撑，通过多光谱森林防火辅助决策支持系统，在呼和浩特市新城区大青山前坡实现三维场景下的“灾前、灾中、灾后”全过程、全方位、一体化的动态管控及决策，以支持森林火灾的预测、预警、扑救及灾后评估等决策，构建一个智能化防火体系。同时，多光谱森林防火辅助决策支持系统使新城区的森林草原防火实现指挥快速化、决策科学化、调度实时化以及防火信息资源化的目标，及时准确地提供火灾初期预警，把火灾控制在较小的范围内，使损失降低到最低程度；同时，帮助森林防火部门更加方便、快捷和系统化的工作，管理方式逐渐从以前粗放式管理向信息化管理过渡，加强了对监控过程的集中管理，保证国家财产安全、降低管理成本，为新城区的森林草原生态和经济建设发挥积极的作用。