北斗终端在森林火灾预警监测体系中的应用

文｜武红敢 田晓瑞 付立红 王学明

1.中国林业科学研究院资源信息研究所

2.国家林业和草原局林业遥感与信息技术实验室

3.中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所

4.天津市蓟州区林业局

5.知晓（北京）通信科技有限公司

一、引言

森林火灾是当前世界面临的重要自然灾害和突发公共安全事件，森林大火会给森林资源、生态安全和人民生命财产安全带来严重破坏[1]。2010—2019年十年间，我国年均发生森林火灾3789次，年均过火面积4.85万公顷。森林火灾以一般火灾和较大火灾为主，中部和南部地区较多，但2017年5月内蒙古大兴安岭毕拉河森林大火过火面积达1.15万公顷。我国每年的扑火经费和火灾造成的其他损失超1亿元，其中2014年超过5亿元。每年都会有超过20人因森林火灾不幸罹难[2]。保护森林资源和森林防火一直是国家林草局的重要任务之一，全国林草系统坚持不懈地按照“预防为主、积极消灭”的原则，压实森林防火责任，重点加强火源管控、消防队伍建设和基础设施建设，稳步提升森林防灭火工作的专业化、信息化和智能化，扎实推进人防、物防和技防体系建设，不断提高森林火灾综合防控能力，确保不发生重特大森林火灾，维护生态安全。

林火监测与预警是防灾减灾的首要环节。为推进森林草原火灾预警监测工作高质量发展，我国正在制定全国短期（2023年）、中期（2025年）和长期（2035年）森林草原预警监测体系建设规划，推动新一代信息技术与森林草原火灾预警监测深度融合，优化预警监测的组织、业务和技术体系，全面提升预警监测能力，为构建森林草原防灭火工作新格局提供有力保障。

2020年7月31日，我国北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着北斗系统进入到全球服务新时代，也为我国经济社会发展提供了重要时空信息保障。森林火灾的精准预防、监测和高效扑救都需要高精度的时空动态数据做保障，因此北斗系统在我国林火监测与预警工作中得到广泛深入应用。

二、我国森林草原火灾预警监测体系

我国在森林草原火灾防控方面始终坚持统筹规划、上下联动、协同推进、科技赋能和创新发展的原则，这种纵横联调、协同联动的工作机制和信息共享共用制度推动了各级林火管理部门的能力发展，加快了新技术、新设备、新系统的落地和成果推广，其专业化、科学化、精细化和智能化水平不断提升。时空动态数据的及时获取与传输是火险预警和火情监测的基础，也是各级防火部门开展林火管理的决策依据。基于空间位置和时间动态的林草专题信息感知需要导航定位、授时和短报文服务的支撑，北斗亚太区域的RNSS和RDSS优质服务全面提升了我国获取火灾预警监测数据的能力。

1.森林草原火灾预警体系

国家主管部门为地方各级林火管理部门提供平台、基本预报模型、数据标准及火险预测预报信息，各省研发符合本区域特点的精细化预报模型，市县级利用相关感知系统和火险因子采集设备开展科学数据收集。

2.森林草原火灾监测体系

国家主管部门汇聚全国各类监测的动态信息，及时发现和分析火灾风险，实现对重点区域的全天候、高时空分辨率的连续监测，实时掌握火灾态势；各省利用“天-空-地-网”等监测手段加强监测频次、提高监测粒度和传输能力，提升火情监测覆盖度、准确率和核查反馈率。

三、适用于林火监管业务的北斗终端（或产品）

狭义地理解，北斗终端就是利用北斗卫星公共信号来定位的一种GNSS产品。在行业应用中，它是特指基于国产北斗基础产品（如基带/视频芯片、模块、天线、板卡、北斗三号民用基础产品推荐目录等）研制的具备北斗定位或北斗短报文收发通信的终端设备。

虽然北斗系统和GPS、GLONASS、Galileo等全球导航卫星系统都可以为海陆空任意位置的用户提供全天时、全天候的导航、定位、授时等服务，但我国的北斗系统还具有短报文通信的独特服务，为无地面通信环境下的即时数据采集与人员安全保障提供了技术手段。由于北斗系统采用三种轨道的混合卫星星座，因此中国及其周边区域可以享用更为优质的服务能力。森林草原火灾的偏远性、突发性和随机性特点，决定了森林草原火灾的高效防控需要高频次时空数据的保障，这也是北斗系统得到深度应用的重要缘由。根据北斗终端在森林草原火灾防控领域的应用状态的差异，对北斗林火监管产品按动态和静态两种应用场景分别予以介绍。

1.移动载体设备及其性能

移动载体设备主要指北斗设备安装或配置在飞机（包括无人机）、飞艇、人等移动平台，实现对这些移动目标的实时定位、导航和数据通信。因数据采集和使用目标差异，产品的实用性和专业性不同决定了这些设备在功能、性能、技术指标和集成度等方面存在显著差异。

（1）北斗定位器

多为穿戴式便携装备，具备支持北斗定位、可预设频度自动上报位置数据、主动发送当前位置、4G网络数据传输、一键SOS、提示音播报、文字消息转语音播报、离线补点、LED设备状态指示等基本数据采集服务功能（图1）。这些设备小型便携，操作简单快捷，开机即自动进行位置上报，可以为后方管理平台提供作业人员的实时位置。基层护林员、生态员和网格员配置这些装备，就可以更好地落实管护责任，完成管护任务，还有助于绩效考核方面的精细化和信息化管理。遇到突发事件时，能一键报警发送紧急求救信号并上报卫星定位信息，为营救人员提供准确的地理位置。

图1 便携式北斗定位器

（2）北斗通信器

支持北斗+GPS定位，可以一键SOS呼救；支持位置信息一键标记，一键发送；支持轨迹记录、连续位置上报；内置语音压缩模块，支持短报文发送/播放语音消息；内置低功耗蓝牙模块，蓝牙连接APP实现文字、图片消息编辑、查阅、发送；北斗三号区域短报文通信可达1000个汉字，在无公网信号覆盖区域既能让用户保持与同行队友的沟通协作，又能与外界保持联系。这类设备多为工业级三防产品，具有外形小巧便携、待机时间长、质量轻、应用功能丰富等特点，可以满足野外通信盲区的即时数据采集需求。

（3）北斗对讲终端

实现专网和公网对讲合一，支持其他多媒体数据业务的应用，包括WiFi、蓝牙、拍照、视频、NFC等（图2）。先进的降噪技术和高功率扬声器可让用户即使身处嘈杂恶劣的环境中依然有良好的通话体验。用户可根据呼叫需求在群组联系人中实现个呼、组呼，不同级别的话权设定对应不同的通话优先级；同时有紧急报警键可随时触发，按设定紧急呼叫指定联系人并发送北斗定位信息。该设备的内置BDS模块和网络GNSS实现位置服务功能，同时可根据后端平台系统设定的位置上报间隔要求定时上传终端用户的实时位置。

图2 便携式北斗对讲机

（4）北斗智能终端

北斗智能终端主要指手持智能型终端，它集成国产BDS/GPS双模定位模块，支持2G/3G/4G多种移动通信网络制式，提供语音通信和数据通信功能，支持林草即时数据及图片、影像、文字等采集功能，能装载各类业务应用程序[3]。若选配RD短报文通信功能，就成为手持智能RD终端。该类设备在我国林草行业得到广泛应用，目前已经配备10余万台。

（5）北斗车载便携指挥终端

指集成北斗定位、北斗短报文通信、北斗指挥管理功能和自动位置报告的综合服务设备，可在高寒、湿热等气候环境及多种地形条件下满足应用需要，轻松应对恶劣极端环境。该类终端装备具有开机自检和工作状况巡检功能，并可实时给出故障告警和工作状况指示，实现全天候、全天时的快速定位、连续导航、测速、指挥等功能。因此，它是目标采集、信息传送、态势共享、定位测量应用的末端装备，全面服务于林区调度指挥、减灾救灾、森林巡检等应急和日常管理业务。

（6）单兵图传系统

该系统可集成光电转换、红外热成像、可见光、激光补光、激光测距、电子罗盘和北斗定位于一体。采用多光谱技术，被动与主动相结合进行全天候侦察，具有远距离锁定抓拍/录像、实时WiFi/4G回传、目标测距、北斗定位、定向功能，还具有透雾、透墨镜、透车膜、人脸抓拍等特殊实用功能，结合后端平台软件可实现黑白名单布控、实时AI识别、目标锁定、跟踪抓拍等功能。这类装备可临时布控用于定点监测，也可用于移动监测，如火场临时布点、隐蔽监视任务等，高效服务于林草行业火场监控及全天候人员隐蔽蹲守监视等工作场景。

（7）北斗飞控系统

近年来许多企业将无人机技术与北斗卫星技术高度融合，自主研制了飞控系统和高精度GNSS定位导航模块等核心技术，极大提升了我国的航空遥感监测领域的技术实力。采用北斗导航的无人机已被广泛用于林火监测和扑救领域。

2.固定载体设备及其性能

由于载体位置固定，北斗的导航定位功能相对弱化，主要利用其授时和短报文通信功能。

（1）环境因子北斗感知模块

目前广泛采用物联网感知设备采集野外的气温、相对湿度和风速等气象数据，这些自动获取的气象和可燃物信息为预测森林火险和了解火场环境提供了必要信息。北斗系统的短报文通信链路保障了这些数据在偏远野外环境的实时远程传输，为森林火险预报和科学扑救提供及时的基础信息。

（2）北斗森林防火智能卡口系统

在林区重要路口、路段、重点防范区域用于野外宣传语音、警示和安全提醒，以文字和语音方式提醒进入林区的车辆及路人，提高防火意识，减少人为火源（图3）。车辆及路人经过系统前端的红外/雷达自动感应设备即可触发语音播报系统，系统就会以文字和语音信息对路人进行告知与宣传，并联动摄像机抓拍图片并上传到软件平台留存；当现场发生破坏设备、野外用火、乱砍乱伐等现象时，可通过北斗短报文等功能进行远程喊话宣传和威慑；设备丢失时也可通过内置北斗定位模块快速寻回。

图3 智能卡口终端产品

（3）林火视频智能监控系统

主要指在瞭望塔（或铁塔）上安置的可见光、红外热成像智能识别热点的系统，能对可视区域内的火情自动扫描、识别、报警和定位，实现全天时、全天候的林火高效智能识别预警，并可向后端监控中心发送报警信号，为决策指挥人员提供相关视频信息，系统中北斗定位模块可以提供位置和时间校准同步服务，已经成为各个林区不可或缺的林火监控手段。随着北斗三号系统通信能力的显著提升，使视频监测系统在无公网林区部署成为可能。

（4）北斗中心式指挥机

中心式指挥机通常部署在后方指挥中心，支持北斗RD短报文通信功能，支持有线网络接入功能，可组网管理具备RD短报文功能的其他北斗终端的设备。这类设备在林火扑救中发挥着重要的通信指挥作用。

四、北斗系统在县（区）级森林火灾精准监测技术体系中的应用

2015年天津市蓟州区林业局建成了国内第一套基于北斗技术的森林火灾扑救指挥系统。该系统在基础地理空间数据库和森林防火专业数据库基础上，利用北斗卫星定位系统，获得实时火场前线多源动态信息，实现了森林防火指挥部门及时、高效调度和对人员、车辆、飞机的监控[4]。随着北斗系统的发展，各地林火管理部门也在实践中不断完善林火预警技术和深化北斗技术的融合应用。目前很多县（区）已经初步建成了“天—空—地”一体化的森林火灾精准预警监测技术体系（或平台），其中北斗系统是不可或缺的支撑技术。该体系整合了遥感监测、北斗巡护和森林防火指挥等子系统，关键信息采用北斗系统进行采集和传输，保障了火场的快速定位和及时的火场环境信息获取，为制定科学扑火方案奠定了基础。扑救调度指挥子系统还可以迅速完成扑火力量的最优配置，缩短扑火反应时间，提高扑火效率和初始扑救成功率。其信息流程见图4所示，虽然各类终端的布设数量与地形条件、投资力度、基础保障条件等息息相关，但都在为重点区域的全覆盖监测，纵向到底、横向到边的预警监测数据动态汇聚与高效共享，实现火情预警、决策、处置响应时间从小时级缩短到分钟级提供着坚实保障。

图4 基于北斗系统的县（区）级林火防控技术体系信息流程图

总之，天-空-地-物等协同监管手段中的北斗模块支撑了获取数据的位置信息和时间同步，传感器保障了周期性获取时序数据，并可通过指挥中心平台转发到各层级管理人员，准实时开展地面核实与验证反馈。目前实施常规地面即时业务数据采集或接收上级下派核查任务的各层级管理人员，从巡护员（通风报信）、技术员（业务数据采集）、监督员（小队长）到专业人员（中队长）都逐步配备了适合岗位需求的终端设备，实现了现时数据的快速采集和传输。

五、结语

森林火灾的发生与蔓延主要受可燃物、天气、地形和火源等因素的影响，对于可燃物湿度、天气因子和火源的监测是森林火灾预防的重要内容。随着物联网的发展，越来越多的传感器用于探测野外可燃物湿度和天气变化，这些数据的及时传输是开展森林火险天气专题分析的基础。北斗三号系统在导航、定位、授时和短报文通信服务能力上的大幅提升，将会成为我国森林草原火灾综合防控能力提升的重要驱动因素。北斗系统在林火管理领域的深度应用，将提高群众、半专业、专业巡护人员的管护效率，让防火巡护、火源管理、宣传教育、监测预警和火情处置等工作如虎添翼。