空天地一體化森林智能防火綜合管理平臺

邢保振

（四川九洲集團(tuán) 四川省成都市 610000）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要載體，也為人類的生存和發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。科學(xué)合理布局，高效管理森林資源，對于生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)、綠色發(fā)展促進(jìn)、安全生態(tài)格局構(gòu)建以及美麗中國建設(shè)都有著重大的意義。在此背景下，我國已迎來森林資源與生態(tài)環(huán)境大發(fā)展的黃金機(jī)遇期[1-3,12-14]。

近年來，林火在西南山地區(qū)域頻繁爆發(fā)，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境安全，造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失，導(dǎo)致了大量的人員傷亡。2009年3月11日，四川省涼山州冕寧縣發(fā)生持續(xù)12 天的森林火災(zāi)，過火面積高達(dá)270 公頃[4]；2010年12月5日，四川省甘孜州道孚縣發(fā)生林火，導(dǎo)致包括15 名參與滅火的戰(zhàn)士在內(nèi)的22 人遇難[5]；2019年3月30日，四川省涼山州木里縣發(fā)生森林火災(zāi)，造成了30 名撲火隊員犧牲[6]；2020年3月30日，四川省涼山州西昌市森林火災(zāi)，造成19 名搶險人員遇難[7]。針對西南山地區(qū)域開展系統(tǒng)性的林火綜合監(jiān)管工作，已成為目前林火管理與防控嚴(yán)峻形勢的迫切需要。特別地，由于西南森林火災(zāi)多發(fā)區(qū)是典型的高原山區(qū)，林火發(fā)生過程存在復(fù)雜性、反復(fù)性、特殊性、多變性、危險性，而國內(nèi)類似區(qū)域可直接借鑒的林火研究成果卻相對較少，導(dǎo)致傳統(tǒng)的林火預(yù)報、監(jiān)測、管理與防控技術(shù)在我省的直接應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)[8-11]。

本文針對西南林火高發(fā)區(qū)域的地形特殊性，開展復(fù)雜地形區(qū)域森林防火數(shù)據(jù)庫構(gòu)建研究，以形成西南山地區(qū)域森林防火數(shù)據(jù)庫；在此基礎(chǔ)上，針對項目區(qū)域建設(shè)融合氣象和地表特征的林火風(fēng)險預(yù)報模型，發(fā)展融合“天空地”多源遙感數(shù)據(jù)的林火監(jiān)測模型，較大程度地提高林火火點監(jiān)測的時空分辨率，并進(jìn)行復(fù)雜地形下林火時空變化過程模擬研究，以降低林火蔓延模擬不確定性。最后建設(shè)以智能監(jiān)測系統(tǒng)為支撐平臺的智能林火信息服務(wù)平臺。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 林火預(yù)警

借助遙感對地觀測技術(shù)預(yù)測范圍廣、信息量大和動態(tài)更新快等特點，本項目在實現(xiàn)對表征林火風(fēng)險的地面可燃物類型和狀態(tài)預(yù)測的基礎(chǔ)上，將其耦合到常規(guī)的林火氣象風(fēng)險預(yù)測框架中，以實現(xiàn)研究區(qū)域林火風(fēng)險的高效定量預(yù)測。圖1 給出了林火預(yù)警的技術(shù)路線圖。具體地，本部分的研究內(nèi)容如下圖1。

1.1.1 林火發(fā)生時空特征及關(guān)鍵影響因素的定量識別

通過定量地方式從影響林火發(fā)生的多種因素中識別出關(guān)鍵因素，是后續(xù)林火風(fēng)險預(yù)測模型構(gòu)建的重要基礎(chǔ)之一：

針對研究區(qū)域的特征，研究自然、地理要素空間分布及林火發(fā)生時空特征；研究表征林火發(fā)生風(fēng)險的潛在遙感定量指標(biāo)提取方法；基于全樣本的數(shù)理-統(tǒng)計分析模型，研究林火風(fēng)險預(yù)測指標(biāo)體系的定量識別方法。

1.1.2 智能學(xué)習(xí)算法驅(qū)動下的林火發(fā)生時空規(guī)則挖掘

采用智能學(xué)習(xí)算法驅(qū)動林火發(fā)生時空規(guī)則的挖掘，能夠較大程度地簡化傳統(tǒng)專家知識構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，提高時空規(guī)則在特定研究區(qū)域內(nèi)的適應(yīng)性，這也是本項目的核心研究內(nèi)容：

圖1：林火預(yù)警技術(shù)路線圖

圖2：林火監(jiān)測技術(shù)路線圖

研究林火風(fēng)險關(guān)鍵影響因素離散最優(yōu)尺度；研究應(yīng)用于智能學(xué)習(xí)模型構(gòu)建的樣本選取策略；基于蟻群智能學(xué)習(xí)算法，研究多因素影響下的林火發(fā)生時空規(guī)則挖掘模型構(gòu)建。

1.1.3 模型精度評價與時空規(guī)則更新策略

林火風(fēng)險預(yù)測結(jié)果的精度評價，不僅能夠驗證所構(gòu)建模型的有效性和可行性，而且能夠為后續(xù)模型的優(yōu)化和完善措施提供建議：研究針對林火發(fā)生時空規(guī)則結(jié)果的精度評價方法；研究林火風(fēng)險預(yù)測結(jié)果的定量評價方法；研究動態(tài)林火預(yù)測數(shù)據(jù)的驅(qū)動下時空規(guī)則動態(tài)更新策略。

1.2 林火監(jiān)測

充分利用多源遙感數(shù)據(jù)，在時空分辨率上增加火點的監(jiān)測密度，將火點監(jiān)測的空間分辨率由1 千米提升到500 米，再由500 米提升至30 米；時間分辨率由每小時一次提高到每分鐘一次。從而更加準(zhǔn)確地監(jiān)測火點的動態(tài)變化，更全面地掌握林火的蔓延速度、方向和過火區(qū)域。圖2 給出了林火監(jiān)測的技術(shù)路線圖。具體地，本部分的研究內(nèi)容如下：

1.2.1 多源遙感影像森林火災(zāi)特征分析

在森林火災(zāi)影響下，針對多源遙感影像特征進(jìn)行分析，是后續(xù)林火監(jiān)測研究的重要基礎(chǔ)之一：

針對Himawari8/AHI、NOAA/AVHRR、FY-3/VIRR、Landsat8/OLI、無人機(jī)/熱紅外、Terra、Aqua/MODIS 等不同遙感傳感器，分別研究各傳感器獲取影像時光譜響應(yīng)、波段參數(shù)特征、時空分辨率；基于維恩位移定理和上述研究結(jié)果，分析多源遙感影像應(yīng)用于林火監(jiān)測的適用性；為了便于林火特征的目視解譯，針對森林火災(zāi)特征的敏感光譜波段及其組合模式進(jìn)行研究。

1.2.2 火點識別算法

針對多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)，在所獲取的遙感數(shù)據(jù)中識別出火點的策略研究是林火監(jiān)測的關(guān)鍵內(nèi)容：

為了降低云和大氣對于林火監(jiān)測的影響，研究針對多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的多云監(jiān)測及大氣訂正方案；基于誤差統(tǒng)計分布理論，研究多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)在特定區(qū)域背景下的背景溫度信息提取策略；研究針對不同多源遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的火點判別準(zhǔn)則；依據(jù)多源遙感影像的數(shù)據(jù)特征，研究耀斑和城市高溫區(qū)域影響下的異?；瘘c篩選模型。

1.2.3 精度驗證及模型改進(jìn)

林火監(jiān)測結(jié)果的驗證是后續(xù)監(jiān)測結(jié)果實用化的前提，也是林火監(jiān)測模型改進(jìn)的重要依據(jù)之一：

基于歷史實地調(diào)查數(shù)據(jù)，研究實地調(diào)查林火火點與多源遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測火點的時空化匹配方案；研究基于數(shù)理統(tǒng)計理論的林火火點監(jiān)測精度的評價方案及指標(biāo)選?。换谏鲜鼍仍u價結(jié)果，針對相對條件的調(diào)整、非林火噪聲點濾除規(guī)則、多源遙感數(shù)據(jù)的像素級融合等有利于模型改進(jìn)的研究。

1.3 林火烈度評估

林火烈度的快速、精確評估是林火發(fā)生后森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)機(jī)制研究和恢復(fù)管理決策的主要依據(jù)，采用有效的評估指標(biāo)和發(fā)展新型且高精度的評估方法是林火烈度遙感應(yīng)用研究的主要發(fā)展方向。圖3 給出了林火烈度評估的技術(shù)路線圖。具體地，本部分的研究內(nèi)容如下：

1.3.1 林火烈度特征分析

從林火烈度評估光譜指數(shù)構(gòu)建方式差異的角度，研究光譜指數(shù)的構(gòu)建；基于單時相、差分、相對差分模型，研究不同林火烈度評估指數(shù)的差異性及誤差來源；研究林火發(fā)生前光譜指數(shù)的分布范圍，并針對相對差分光譜指數(shù)的權(quán)函數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

1.3.2 林火烈度評估模型的構(gòu)建

研究林火發(fā)生前后過火區(qū)域地表溫度反演模型及其變化特征；研究林火發(fā)生前后過火區(qū)域植被參數(shù)反演模型及其變化特征；研究表征林火烈度定量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方案及基于地表溫度和植被參數(shù)的林火烈度定量綜合模型；研究林火烈度定量綜合結(jié)果的等級劃分標(biāo)準(zhǔn)與方案；研究基于支持向量回歸的林火烈度定量綜合評估模型。

1.3.3 林火烈度結(jié)果精度驗證及過火區(qū)域面積估算

基于林火烈度實地調(diào)查數(shù)據(jù)，研究針對連續(xù)型烈度評估結(jié)果的多元回歸分析精度評估模型；基于林火烈度實地調(diào)查數(shù)據(jù)，研究針對離散型評估結(jié)果的誤差矩陣精度評估模型；針對林火多種林火烈度評估方法精度和適用性進(jìn)行對比研究；在上述林火烈度評估的基礎(chǔ)上，研究林火過火區(qū)域面積估算模型，并利用SAR 遙感數(shù)據(jù)的過火區(qū)域面積反演結(jié)果，進(jìn)行模型驗證。

2 平臺總體設(shè)計

圖3：林火烈度評估技術(shù)路線圖

圖4：總體架構(gòu)圖

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

結(jié)合構(gòu)建智能防火監(jiān)管系統(tǒng)的需求，系統(tǒng)采用了MIS 技術(shù)、GIS 技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，在安全保障、法律法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)行維護(hù)等體系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建森林智能防火數(shù)字化管理平臺[15]。

智能防火監(jiān)管系統(tǒng)總體設(shè)計架構(gòu)如圖4所示。

項目以網(wǎng)絡(luò)、軟硬件環(huán)境為基礎(chǔ)層，以數(shù)據(jù)中心為資源層，以數(shù)據(jù)庫綜合管理、運(yùn)維支撐、統(tǒng)一服務(wù)等內(nèi)容為應(yīng)用支撐層，從而構(gòu)建智能防火監(jiān)管系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目從多維角度對項目區(qū)森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警管理。系統(tǒng)業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)如圖5所示?！岸嗑S”的含義包含幾個方面，首先數(shù)據(jù)的維度。本項目平臺基于的數(shù)據(jù)來自于不同的獲取渠道，其中包括衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、無人機(jī)航空數(shù)據(jù)以及地表觀測數(shù)據(jù)。不同的數(shù)據(jù)具有不同的特征，在項目實施的過程中，可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，我們在平臺上設(shè)置了一系列的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)可按不同功能劃分為三類，第一類子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，其中主要包括：衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接收和處理子系統(tǒng)、林火視頻監(jiān)測子系統(tǒng)、小型移動氣象站觀測子系統(tǒng)、火險天氣小氣候氣象觀測子系統(tǒng)、無人機(jī)林火核查子系統(tǒng)、可燃物調(diào)查子系統(tǒng)；第二類子系統(tǒng)為模型開發(fā)子系統(tǒng)，包含林火風(fēng)險預(yù)測子系統(tǒng)和林火蔓延過程模擬子系統(tǒng)；第三類為信息集成子系統(tǒng)，具體為智能林火信息服務(wù)子系統(tǒng)。

圖5：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6：天空地一體化森林智能防火多維監(jiān)測預(yù)警管理平臺

其次是應(yīng)用輸出的維度。各子系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)的收集、基于一系列的關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在林火業(yè)務(wù)模型的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，平臺可以進(jìn)行一系列應(yīng)用的輸出。本項目開發(fā)平臺的應(yīng)用包含了森林智能防火的各個方面，包括林火風(fēng)險預(yù)測、林火實時監(jiān)測、林火自動報警、林火烈度評估、林火蔓延模擬、多種林火遙感產(chǎn)品的生產(chǎn)，實現(xiàn)了指揮撲救系統(tǒng)，指定決策，并可以對公眾發(fā)布相關(guān)信息。

在林火發(fā)生之前，相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和林業(yè)主管部門的管理者所關(guān)注的主要內(nèi)容為：某特定森林區(qū)域在未來特定時間段發(fā)生林火的可能性(林火風(fēng)險預(yù)測)；當(dāng)林火發(fā)生時，針對林火發(fā)生的地點、火勢進(jìn)行監(jiān)測(林火實時監(jiān)測)，有利于深化林火發(fā)生的特征、格局、時空過程認(rèn)識，指導(dǎo)林火行為控制、撲滅措施；當(dāng)林火發(fā)生以后，定量評價森林生態(tài)系統(tǒng)的損害程度(林火烈度評估)，成為林火后期管理、恢復(fù)等決策優(yōu)化的主要依據(jù)?；诖?，需要林火風(fēng)險預(yù)測、林火實時監(jiān)測和林火烈度評估三個方面進(jìn)行研究。

3 平臺的實現(xiàn)與建設(shè)

通過算法研究，開發(fā)形成標(biāo)準(zhǔn)化的參數(shù)產(chǎn)品生產(chǎn)軟件，制備縣級森林智能防火綜合管理平臺。通過制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,在此基礎(chǔ)上，集成相關(guān)算法,通過數(shù)據(jù)的收集、采集、傳輸、處理、發(fā)布等多種功能和軟硬件的集成，構(gòu)建一套面向縣級林火天空地一體化預(yù)警監(jiān)測評估信息服務(wù)平臺，為用戶開展林火的預(yù)警、監(jiān)測、評估、研究、分析、產(chǎn)品制作和產(chǎn)品發(fā)布提供了技術(shù)方法和平臺，具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。

本平臺是作為縣級林火天空地一體化預(yù)警監(jiān)測評估信息服務(wù)平臺，平臺的設(shè)計以資源產(chǎn)品的生成和管理為核心，結(jié)合天空地觀測數(shù)據(jù)的實時性和可信性，根據(jù)現(xiàn)有研究理論成果進(jìn)行模型化、程序化集成。本平臺主要建立產(chǎn)品庫和模型庫及天空地資料數(shù)據(jù)庫。平臺的建設(shè)與實現(xiàn)按功能模塊分別進(jìn)行，計劃分為以下幾個方面：

3.1 數(shù)據(jù)輸入輸出

數(shù)據(jù)輸入輸出的主要內(nèi)容主要滿足參數(shù)方案的要求，根據(jù)不同輸入輸出數(shù)據(jù)內(nèi)容和格式，選擇不同方式，對于地理數(shù)據(jù)而言，更多采用文件數(shù)據(jù)庫的方式管理；生態(tài)環(huán)境資料數(shù)據(jù)主要來自于生態(tài)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)庫；其他用戶數(shù)據(jù)、產(chǎn)品信息、模型數(shù)據(jù)均直接輸入編輯。輸出數(shù)據(jù)中，除屏幕顯示輸出外，產(chǎn)品信息通過保存、網(wǎng)絡(luò)共享等輸出；產(chǎn)品地圖還可以通過導(dǎo)出圖像的方式輸出數(shù)據(jù)；一些表格數(shù)據(jù)直接輸出到Excel 中去。

3.2 數(shù)據(jù)處理

針對不同的遙感影像、地理信息數(shù)據(jù)和生態(tài)環(huán)境參數(shù)，按照用戶的不同需求，進(jìn)行融合、反演、參數(shù)計算、相關(guān)性分析等操作，以獲得監(jiān)測或分析結(jié)果，為決策者提供理論參考。

3.3 查詢分析

測站小時數(shù)據(jù)和十分鐘數(shù)據(jù)。對于模型而言，查詢分析對應(yīng)模型管理模塊功能中應(yīng)模型的查詢功能，產(chǎn)品庫的查詢功能。查詢分析需要注意到查詢的便利性、準(zhǔn)確性、易操作性等許多方面的設(shè)計。

3.4 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理主要針對于平臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)的管理，主要包括平臺數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器名稱、用戶名稱、密碼、數(shù)據(jù)庫備份、恢復(fù)等數(shù)據(jù)庫常見操作，另外還有數(shù)據(jù)入庫功能，即將遙感觀測數(shù)據(jù)庫中檢索最新觀測資料并導(dǎo)入平臺數(shù)據(jù)庫中；另外的數(shù)據(jù)庫管理功能主要是產(chǎn)品管理和模型管理等相關(guān)功能。

3.5 用戶管理

用戶管理針對平臺用戶而言，主要包括平臺用戶的瀏覽、權(quán)限設(shè)置、用戶信息修改設(shè)置等。平臺根據(jù)不同的登錄用戶權(quán)限限制用戶的使用和操作，僅平臺管理員才有進(jìn)行所有的操作的權(quán)限，而普通用戶僅能進(jìn)行一般查詢?yōu)g覽操作。本模塊的設(shè)計需要注意安全性和可恢復(fù)性，以及用戶操作的限制性。

3.6 專題應(yīng)用

專題應(yīng)用模塊則主要側(cè)重于平臺對某些現(xiàn)有成果和現(xiàn)有平臺的集成關(guān)系，主要集成有遙感影像處理軟件、氣象環(huán)境分析及現(xiàn)有的監(jiān)測平臺（需安裝相關(guān)系統(tǒng)）等方面的專題應(yīng)用。

3.7 平臺參數(shù)設(shè)置

對于平臺而言，需設(shè)置一些默認(rèn)參數(shù)，并且這些參數(shù)能夠被修改保存，主要為平臺界面、操作提示、網(wǎng)絡(luò)路徑等參數(shù)，這些參數(shù)通過文件保存于平臺目錄下，可供修改調(diào)用。

3.8 輔助工具

輔助工具主要有常見的空間插值模型的插值工具、產(chǎn)品修飾元素（如指北針、比例尺、文本等）的插入和已有的統(tǒng)計圖統(tǒng)計工具等輔助設(shè)計工具的調(diào)用。對于產(chǎn)品修飾元素，只針對視圖中的布局視圖可用，因為只有產(chǎn)品布局試圖才需要這些操作。

3.9 移動端GIS數(shù)據(jù)采集與錄入處理

利用該功能，可以實時地收集和上傳數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)采集的可用性和可靠性得到提高。實現(xiàn)衛(wèi)星實時定位，地圖的顯示和圖層的管理，投影坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，采集點的保存，編輯和管理等一系列功能，滿足外業(yè)操作人員的采集任務(wù)。

“天空地一體化森林智能防火多維監(jiān)測預(yù)警管理平臺”整體構(gòu)架如圖6所示。

4 總結(jié)

在常規(guī)林火風(fēng)險天氣預(yù)報的理論框架下，本項目發(fā)展融合氣象和地表特征的林火風(fēng)險預(yù)報模型。在林火蔓延方面，復(fù)雜的地形特征不僅直接影響林火的蔓延行為，而且會導(dǎo)致風(fēng)場出現(xiàn)較大的空間異質(zhì)性，但精細(xì)的風(fēng)場要素數(shù)據(jù)通常難以通過實測的方式獲得；為此，基于中尺度氣象模式下的局地氣象模式的定量模擬，本項目進(jìn)行復(fù)雜地形下林火時空變化過程模擬，以降低林火蔓延模擬不確定性。最后運(yùn)用GIS 技術(shù)，實現(xiàn)了森林智能防火綜合管理的科學(xué)化、可視化、數(shù)字化，進(jìn)而極大地降低了林業(yè)部門的管理成本，大幅度提升林業(yè)管理信息化程度。