天空地一体化林火监控预警系统设计与研究

袁嘉栗 曹家宝 何胜文 胡江伟

0 引言

受极端高温干旱等影响，森林火灾在各地频繁发生。目前我国在森林防火监测预警救援方面虽然已有长足发展，但仍存在预测难、发现晚、救援难、损失大等问题，因此如何通过科学手段减少火灾发生、减少灾后损失，是挽救国家人民生命财产安全，有效提升我国林火综合监控能力的重大研究课题。

本文针对森林防火应急救援需求，采用天空基遥感、北斗定位、多网通信、移动指挥手段，结合大数据、高性能计算等先进技术，构建了天空地一体化林火监控预警系统，为森林火情预报、发现、救援和评估提供重要技术支撑。

1 国内外研究现状

1.1 林火监测手段应用现状

传统的监测方法在森林火灾持续时间短、影响范围大的情况下，常常采用实地测量、调查或空中飞行等航空手段进行常规监测，然而这些方法获取的数据准确性不高，而且不具备实时性。而目前的林火监测常采用多手段融合的方法，利用卫星遥感、航空遥感和地面摄像机可以解决复杂地形所带来的预测误差大、预警不及时、监测不到位、识别不准确等难题，同时这对于应急指挥救援和灾后评估来说都是非常高效的。

1.2 火点识别能力现状

目前，利用遥感技术、热红外技术和深度学习算法进行火点识别已经取得了显著的进展。遥感技术能够提供覆盖广阔和实时监测的遥感图像，深度学习算法通过训练大规模的火点遥感图像数据集，能够学习到火点的特征和模式，实现在新图像中的准确检测和主动识别，从而为应急救援提供可靠参考资料。热红外技术则通过探测火灾释放的红外辐射，能够在夜间或烟雾较多的情况下准确识别火点。但是，在防灭火和应急救援过程中往往需要多角度、多手段、多方位的火点识别结果为行动的参考依据，多源手段融合进行火点识别依然是未来火点识别的要点。

1.3 航空遥感林火监测研究现状

航空遥感具备分辨率高、机动性强等特点。无人机航拍作业是目前完成森林防火和火点应急监测救援任务的重要技术手段，但航拍视频的每一帧图像只能展示较小范围的地表信息，无法将完整的测绘或监测区域的地表信息进行整体呈现；对航拍图像进行拼接虽然可以生成地理覆盖范围较大的影像数据，但传统的图像拼接工作均是在飞行作业完成后进行，且需专业人员进行长时间的操作，实时性较差。利用改进模型估计的无人机侦察视频快速拼接方法，能实时快速地输出覆盖范围较大并附带地理坐标信息的影像数据，提高了拼接速度，同时改善了拼接效果[1]。

1.4 边远林区应急通信研究现状

森林火灾部分发生在人迹罕见的地方，通信设备稀少，信号较弱。在火场前线指挥中，卫星通信、无人机自组网和地面公共网络成为主要通信手段。但是，在断电、断路、断网的极端恶劣条件下“应急指挥调度最后一公里”仍是火场前线指挥部所面临的重大待解决问题[2]。

1.5 林火救援指挥研究现状

在扑火指挥决策中，对极端林火行为进行预测是一项至关重要的任务。目前国内外关于森林火灾行为的研究主要集中于理论模型构建及应用方面。利用多种基于数据的计算方法，结合实时气象信息和计算机数据传输网络提供的多种码值和数据，可以预测森林火灾的蔓延趋势，并计算出林火行为的相关参数。根据森林火灾救援问题的独特性质，根据不同火灾点的严重程度和火势的蔓延速度，将火灾救援任务划分为多个不同的优先级级别。基于该划分，构建一个混合整数线性规划模型，旨在最小化消防车辆的救援时间，从而实现消防救援车辆路径的优化[3]。

2 天空地一体化林火监控预警系统

天空地一体化林火监控预警系统主要包括卫星资源筹划与接收处理、卫星遥感监测预报预警、多手段林火识别、动态实时监测、应急通信指挥、应急救援指挥决策与灾后评估以及运行支撑等分系统。系统架构如图1 所示。

图1 系统架构图

该系统在日常模式下通过卫星遥感等手段进行火险火点监测预警；在监测到可疑火点或收到举报后进入应急模式；通过卫星、无人机、地面摄像装备对可疑火点进行验证，并将验证结果上报后端指挥中心；指挥中心通过卫星遥感、航空遥感和地面摄像头对火点进行动态实时监测，同时指挥中心调动通信设备进行动态救援指挥。系统运行流程如图2 所示。

图2 系统运行流程

2.1 卫星资源筹划与接收处理分系统

卫星资源筹划与接收处理分系统主要在日常模式下，以风云四号气象卫星、日本向日葵8 气象卫星、韩国GK2A静止卫星为主，以风云三号、NPP 等极轨卫星为辅，开展全国范围的林火监控业务；在应急模式下，统筹全部卫星资源进行监控。

2.2 卫星遥感监测预报预警分系统

2.2.1 森林火险监测预报分析子系统

森林火险监测预报分析子系统从气象监测站、气象卫星中获取气象数据，并将数据推送数值模式系统进行循环，计算FWX 指数，同时根据气象数据、林相数据、基础地理数据进行综合分析，划分出1～5 的火险等级，生成全国范围火险等级图，为向救援指挥人员进行火险等级预报提供支撑[4]。

2.2.2 森林火点识别与成果分析应用子系统

森林火点识别与成果分析应用子系统主要利用FY4、Himawari-8、GK2A 等卫星资料高频次及高空间分辨率观测的特点，实现火点的自动检测，保存并制作火情监测图形图像产品，提高火点监测时效性。

2.3 多手段林火验证分系统

2.3.1 多源卫星验证子系统

在静止卫星识别到林火之后，将该系统生成的疑似火点位置信息上报到卫星筹划与数据接受分系统，并调度极轨/高分等卫星进行二次验证，从而获取目标区域火点详细情况，通过影像分析，完成假火点排除，实现林火的验证确认。

2.3.2 航空遥感验证子系统

航空遥感验证子系统通过无人值守无人机系统对疑似火点位置航线自动规划，自主前往目标区域采集视频，并采用一种基于运动编码的方法实现视频数据与遥测数据的同步实时回传[5]。应急指挥中心通过视频实时拼接技术，快速地输出覆盖范围较大并附带地理编码信息的影像数据，同时依据地理编码信息和重叠度实现关键帧的提取[6]，再根据火点识别算法获取目标区域火点详细情况。

2.3.3 地面识别摄像机验证子系统

配备的热成像夜视仪热成像视频能看到热源超过地表温度时所有热源，并且能录像及图像抓拍。通过前端网络中数字云台的旋转角度，焦距和位置来精确地确定火点出现的方位角及距离，并在电子地图中，对火点进行自动定位并精确地标注其位置。

2.4 动态实时监测分系统

2.4.1 卫星遥感动态监控子系统

利用卫星遥感的实时监测能力，及时获取火灾信息并采取紧急措施，同时根据卫星遥感监测到的多个火灾点和潜在危险区域，提供全面的火灾信息和准确评估火灾的扩散趋势和影响范围，为及时疏散人群和指挥救援提供依据。

2.4.2 航空遥感动态监控子系统

无人机快速部署和操控，实时获取火灾现场的高分辨率图像和视频数据，并将灾情信息实时传输给火场前线指挥部，促使迅速的应急响应和灾害管理。利用消防无人机自带的定位系统实现对火灾的定位,然后通过对火烧持续时间、火场像素面积间接衡量火场强度信息，最后,结合着火点位置进行火场蔓延趋势的预测[7]。

2.4.3 地面摄像动态监控子系统

地面摄像机实时监测火灾的起火点和火势扩展情况，通过连续拍摄和实时传输为火场前线指挥部相关工作组提供高分辨率的实时视频监控，同时与其他监测设备和传感器相结合，形成多元化的监测网络，提供更全面和准确的数据支持。

2.5 林火通信指挥分系统

推进森林防火有线网、无线网和卫星网的深度融合，以全国信息网为支撑，实现要素整合、信息共享和功能扩展，从而促进森林防火的可持续发展。

2.5.1 火场通信网络建设

火场通信系统主要针对的是前后方各级调度指挥语音网的组织建设，目前以火灾扑救小队为基础组成，主要以通信超短波加中继的方式实现区域通信，但同时由于信号覆盖范围的问题存在通信距离短的弊端。在此基础上，用短波通信作为超短波通信的补充，利用分组节点的短波电台实现以战斗小组为单元的远程无线调度[8]。

2.5.2 卫星通信网络建设

构建以通信卫星、北斗卫星通信系统为核心、新一代移动通信卫星为补充的卫星通信系统。同时配备视频图传系统以实现重要火场音、视频及其他重要信息的实时传送，从而建立了星地结合的卫星通信网络。省级及重点地级市要建成卫星固定小站、卫星便携站和视频图传系统；大范围林区、偏远林区，尤其是公网覆盖率不高的县级单位都要配置卫星便携站和视频图传系统；县以上森林防火机构安装卫星电话终端；森林防火指挥中心将安装北斗指挥机，各防火部门及专业队伍按需安装车载、机载北斗设备及北斗手持机。

2.5.3 应急通信系统建设

为满足扑救重特大林火和重要敏感区林火的需求，计划建设集超短波，短波与卫星于一体的应急通信系统。

通过该系统对火场区域组网能力进行了增强，同时在各级指挥中心之间设置了语音、数据、图像等各类信息传输通道以保证信息通畅，以适应扑火前期指挥调度需要。在应急指挥通信实际工作中，依靠可视调度及移动视频技术将调度中心和现场紧密地联系起来，使应急指挥更加精准有效，这一系统将使指挥中心能实时掌握火场情况和迅速作出决策来应对森林火灾带来的各种挑战[9]。

2.6 林火应急救援辅助决策分系统

2.6.1 林火救援辅助决策分析子系统

林火救援辅助决策分析子系统是以植被类型，风力风向和地形条件为主要依据，对地图中林火进行多种情况下的动态模拟，利用模型进行动态计算，自动产生对火情发展和蔓延预测结果，为火灾扑救指挥工作提供重要参考依据。

2.6.2 林火应急救援指挥与在线监督子系统

林火应急救援指挥与在线监督子系统主要利用带北斗定位的对讲机在森林中保持联络，并与指挥中心传递空间位置信息，便于指挥中心了解各扑火的位置、分布。并在二三维一体化的指挥沙盘上电子展示，及时掌握当前火势蔓延范围、火势强度等信息，利于指挥人员了解扑火相关资源、人员分布，并快速做出更为完善的扑火任务部署[10]；同时消防员可通过手持终端进行制定巡查与逃生避难路线。

2.6.3 灾损评估子系统

对林火后情况进行损失评估及档案整理，根据无人机影像数据确定受灾范围，通过过火范围，自动计算过火面积、过火日期、过火时间等，并计算出森林资源损失，对受灾林业面积，受灾程度等做出定量评估，供决策部门参考。

2.7 运行支撑分系统

运行支撑分系统利用大数据云存储、高性能计算、网络集成等先进技术，建设林火监控大厅、大数据中心和网络中心。

林火监控大厅主要包括监控大屏、视频会议、录音设备等装备组成。通过监控大屏可完成火险火点监控、火势蔓延仿真、救援指挥部署等工作；通过视频会议和录音设备可实现与各级应急管理部门会商，现场消防队员通信指挥等，实现林火救援部署决策指挥。

大数据中心主要采用主备策略完成对存储服务器组、计算服务器组、各分系统软件部署和数据库软件等部署。存储服务器组主要完成遥感影像与林火业务信息存储，部署计算服务器组完成日常卫星遥感数据自动化并行处理与火点分析等工作。

网络中心主要由有线网、卫星通信终端、无人机数据链终端、5G 终端等组成，实现与上下级、前后方互联互通。各级部门也可通过有线网等方式访问大数据中心，获取林火监控数据资源。

森林防火应急救援指挥体系围绕灾前预防、预警和预测，灾时动态监测、实时上报、紧急救援和合理调度，灾后灾损评估进行。在火场指挥救援过程中，各级指挥部、基层指挥部、扑火队伍等多级协同作战，确保火灾扑救工作的高效进行。

3 结语

本文针对森林防火应急救援需求，采用通导遥一体化手段，结合大数据、高性能计算等先进技术，构建了天空地一体化林火监控预警系统，有效提升了森林防火监控预警能力，为森林火情预报、发现、救援和评估提供技术支撑。