空天地一體化森林防火監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

袁傳武 張維 王崇順 趙虎 張鵬 劉先貴

摘 要： 本文提出了森林火災(zāi)空天地一體化監(jiān)測(cè)的體系框架，簡(jiǎn)要闡述了森林火災(zāi)空天地一體化監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，并在九峰國(guó)家森林公園進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證。指出空天地一體化森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方式，是森林火災(zāi)“早預(yù)警”、“早撲滅”不可或缺的重要手段，為全方位監(jiān)測(cè)森林各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)提供了技術(shù)支撐，為公共安全管理、重大活動(dòng)監(jiān)測(cè)、污染防治等其它行業(yè)監(jiān)測(cè)應(yīng)用與應(yīng)急管理提供了良好的示范和解決方案。

關(guān)鍵詞： 森林防火;空天地一體監(jiān)測(cè)技術(shù);空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析

中圖分類號(hào)：S757.1 ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：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”一體化是指對(duì)從空、天、地三個(gè)角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍，保障行業(yè)健康發(fā)展[1]。國(guó)內(nèi)的電網(wǎng)建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害、水土保持、城鄉(xiāng)規(guī)劃、資源監(jiān)測(cè)、智能交通、礦區(qū)監(jiān)測(cè)、海洋探測(cè)、大氣污染、鐵路勘察等行業(yè)的專家學(xué)者均對(duì)此進(jìn)行了研究與應(yīng)用，為各行各業(yè)的監(jiān)控工作提供有力的技術(shù)支持[2-13]。

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是地球之肺，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要作用。森林火災(zāi)位居破壞森林的三大自然災(zāi)害（火災(zāi)、病害、蟲害）之首，它不僅給人類的經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成巨大損失，破壞生態(tài)環(huán)境，而且還會(huì)威脅到人民生命財(cái)產(chǎn)安全。森林火災(zāi)所具有的極強(qiáng)突發(fā)性和破壞性，使得林火監(jiān)測(cè)成為實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)“早發(fā)現(xiàn)”的關(guān)鍵所在。

傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)主要是應(yīng)用視頻、瞭望塔、人工巡護(hù)等方式監(jiān)控火災(zāi)的發(fā)生，這種方式在火災(zāi)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)共享、監(jiān)測(cè)效率、火險(xiǎn)預(yù)測(cè)等方面存在監(jiān)測(cè)方式獨(dú)立、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分散、監(jiān)測(cè)不及時(shí)、預(yù)測(cè)不準(zhǔn)確等諸多缺點(diǎn)。針對(duì)傳統(tǒng)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方式存在的不足，通過(guò)遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、高點(diǎn)云臺(tái)、地面巡護(hù)等建立高效的空天地一體化森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方式的不足，對(duì)森林資源形成有效保護(hù)，成為確保森林火災(zāi)“早預(yù)警”“早撲滅”不可或缺的重要環(huán)節(jié)，在森林防火領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 體系框架

空天地一體化監(jiān)測(cè)即在林區(qū)構(gòu)建完善的“空、天、地、人”森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系，形成空（衛(wèi)星遙感）、天（無(wú)人機(jī)遙感）、地（高點(diǎn)云臺(tái)）、人（地面巡護(hù)）四位一體的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行天羅地網(wǎng)式全面高效的監(jiān)測(cè)，及對(duì)森林火災(zāi)的預(yù)防、控制和撲滅做出有效的信息處理和關(guān)鍵決策，并形成一套完備有效的空天地一體森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

其手段是充分利用遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、高點(diǎn)云臺(tái)、護(hù)林員，形成時(shí)空協(xié)調(diào)、全天候、全天時(shí)的森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)一體化監(jiān)測(cè)體系。其內(nèi)容主要包括遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、監(jiān)控視頻、護(hù)林員終端等空天地森林火災(zāi)信息資源的實(shí)時(shí)采集、匯集、交換、存儲(chǔ)、分析和服務(wù)等環(huán)節(jié)?？仗斓匾惑w化森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系框架由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層4層組成（見圖1）。

感知層：是“空天地”一體化森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系的基礎(chǔ)和重要支撐，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行多方位的全面感知。包括遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、高點(diǎn)云臺(tái)可見光/熱成像視頻監(jiān)控設(shè)備、護(hù)林員手持APP等感知設(shè)備。感知層具有巨大擴(kuò)容能力和適應(yīng)能力，

網(wǎng)絡(luò)層：將各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)高效傳輸，形成可靠的全覆蓋的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。包括北斗通訊衛(wèi)星、窄帶互聯(lián)網(wǎng)、4G/5G網(wǎng)絡(luò)、光纖專網(wǎng)、微波等通訊設(shè)備。將“天上衛(wèi)星、空中飛機(jī)、山頭監(jiān)控、林間巡護(hù)”的監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，構(gòu)建成四位一體的森林火災(zāi)全天候監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

分析層：對(duì)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)、預(yù)警森林火災(zāi)的發(fā)生。包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化展示等。通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)，清理整合、分析挖掘，形成完整、標(biāo)準(zhǔn)化、高質(zhì)量的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)供給源。

應(yīng)用層：集熱源探測(cè)、數(shù)據(jù)收集、視頻聯(lián)動(dòng)、生態(tài)監(jiān)測(cè)、地理信息、預(yù)警預(yù)測(cè)、應(yīng)急指揮等功能為一體，將各類林火信息資源共享、各種通信網(wǎng)絡(luò)互連互通，為森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)分析決策和快速指揮調(diào)度提供了一個(gè)完善的技術(shù)體系。保障衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、高點(diǎn)云臺(tái)以及防火人員等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)與協(xié)同。

該體系結(jié)構(gòu)具有跨區(qū)域異構(gòu)平臺(tái)級(jí)聯(lián)、綜合林火信息全景視圖、森林資源全景高清視頻監(jiān)視、遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)控桌面、火災(zāi)視頻智能監(jiān)視與人工巡檢結(jié)合、森林火災(zāi)高清視頻的圖像矯正與虛擬云臺(tái)等特點(diǎn)，是完備有效的空天地一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

其關(guān)鍵技術(shù)是空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析。由天上衛(wèi)星、空中飛機(jī)、山頭監(jiān)控、林間巡護(hù)所采集的高精度和現(xiàn)勢(shì)性的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，具有多源、多類型、多尺度、海量的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)類型包括點(diǎn)線面的矢量要素，以像素為單元的柵格要素，以及相互關(guān)聯(lián)的屬性要素等。必須采用高可靠、高性能和可伸縮地理空間數(shù)據(jù)分布式計(jì)算和存儲(chǔ)管理技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)高效無(wú)縫地分布式存儲(chǔ)管理，包括多尺度地圖矢量數(shù)據(jù)、多時(shí)相高精度衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)高分航空數(shù)據(jù)、DEM、視頻數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等，開發(fā)并實(shí)現(xiàn)各類TB級(jí)地理空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)模型、組織模型，矢量數(shù)據(jù)劃分、柵格數(shù)據(jù)分塊存儲(chǔ)策略和分布式空間索引等功能。

通過(guò)多尺度變換、多時(shí)態(tài)綜合、多尺度空間數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)集成，實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)靜態(tài)數(shù)據(jù)和時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)集成、空間矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)集成、拓?fù)鋽?shù)據(jù)和非拓?fù)鋽?shù)據(jù)集成、空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)集成、離散數(shù)據(jù)和連續(xù)數(shù)據(jù)集成、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集成等，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的調(diào)整匯聚、統(tǒng)一集成和共享應(yīng)用（圖2）。

數(shù)據(jù)集成實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和共享數(shù)據(jù)的交換服務(wù)和路由流程管理，包括：動(dòng)靜態(tài)交換數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)及表格、統(tǒng)計(jì)資料等屬性數(shù)據(jù);二是系統(tǒng)之間的接口實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享和傳輸操作。外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)在對(duì)接時(shí)，各類數(shù)據(jù)接口遵循系統(tǒng)集成規(guī)范。

數(shù)據(jù)處理與分析主要包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出，數(shù)據(jù)預(yù)處理等功能，并提供數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)挖掘，數(shù)據(jù)融合功能。利用GIS空間分析方法、人工智能方法、空間統(tǒng)計(jì)方法等，建立地理時(shí)空數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)挖掘方法庫(kù)/模型庫(kù)，形成動(dòng)態(tài)挖掘模型庫(kù)，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)融合分析應(yīng)用，基于多源數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)，提供各種智能化服務(wù)，例如路徑分析，主動(dòng)推送等?？臻g信息可視化分析將林火數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果等采用圖形、圖像，結(jié)合圖表、文字、報(bào)表，以可視化形式，實(shí)現(xiàn)交互處理和顯示。

3 具體應(yīng)用

九峰國(guó)家森林公園位于武漢市東郊，占地面積330 hm2。森林覆蓋率達(dá)85%以上，是武漢地區(qū)森林面積最大的綠色資源寶庫(kù)，也是武漢市城市森林和生態(tài)保護(hù)區(qū)核心區(qū)域。園區(qū)周邊人員流動(dòng)頻繁，火源的管理難度大，容易引發(fā)重特大森林火災(zāi)，森林火災(zāi)一直困擾著該區(qū)域。如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)森林火災(zāi)和林火行為，有效避免林火的發(fā)生，成為公園管理部門當(dāng)前十分重要的研究課題。

公園管理部門在原有森林防火設(shè)施基礎(chǔ)上，應(yīng)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)打造了空天地一體化的森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)防、監(jiān)控、報(bào)警、指揮、撲救、損失評(píng)估等全方位數(shù)字智能一體化聯(lián)動(dòng)功能。在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)警方面，集成了衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)、高點(diǎn)云臺(tái)、地面巡護(hù)等監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了空天地一體化森林火災(zāi)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警功能。即防火平臺(tái)進(jìn)行國(guó)家森林火災(zāi)遙感衛(wèi)星告警信息的快速響應(yīng)，通過(guò)位置坐標(biāo)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)高點(diǎn)云臺(tái)攝像機(jī)、無(wú)人機(jī)等確認(rèn)火情;無(wú)人機(jī)搭載熱紅外監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)巡檢高點(diǎn)云臺(tái)監(jiān)測(cè)盲區(qū);在高點(diǎn)增設(shè)視頻智能預(yù)警監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)360°全方位監(jiān)控和火點(diǎn)的智能識(shí)別，發(fā)出報(bào)警信號(hào)在GIS地圖上定位顯示;護(hù)林人員通過(guò)手機(jī)APP平臺(tái)，實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)并監(jiān)控林火狀況（圖3）。

具體監(jiān)測(cè)過(guò)程：日常的火情監(jiān)測(cè)，通過(guò)布設(shè)的兩個(gè)高點(diǎn)云臺(tái)上掃描半徑為5 km的雙光譜攝像機(jī)，全天候24 h自動(dòng)監(jiān)測(cè)330 hm2林地資源面積。一旦發(fā)現(xiàn)疑似火情，通過(guò)自主研發(fā)的智能圖像煙火識(shí)別算法，迅速準(zhǔn)確定位火點(diǎn)位置。第一時(shí)間以3種方式報(bào)警，一是監(jiān)控中心響起警報(bào)聲;二是報(bào)警信息顯示在監(jiān)控中心大屏;三是手機(jī)APP同步顯示報(bào)警信息。平臺(tái)會(huì)根據(jù)發(fā)生火場(chǎng)周邊區(qū)域內(nèi)的防火設(shè)施情況，自動(dòng)生成應(yīng)急預(yù)案，第一時(shí)間將起火時(shí)間、地點(diǎn)、風(fēng)向、風(fēng)速、地形、坡度、溫濕度、植被類型、人員布署等相關(guān)信息推送給一線撲救人員與指揮人員，供撲火決策使用?；鹎橐坏┐_認(rèn)，無(wú)人機(jī)將實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)起飛，獲取視頻影像信息實(shí)時(shí)回傳監(jiān)控中心。護(hù)林員根據(jù)平臺(tái)提供的最佳路徑，前往起火點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍照取證。

當(dāng)發(fā)生較大火災(zāi)時(shí)，按照國(guó)家防火監(jiān)測(cè)衛(wèi)星提供的坐標(biāo)信息，正常巡航的高點(diǎn)云臺(tái)將高清攝像鏡頭對(duì)準(zhǔn)起火點(diǎn)坐標(biāo)位置，進(jìn)行火點(diǎn)識(shí)別、核準(zhǔn)并確認(rèn);如果該火點(diǎn)位置位于高點(diǎn)云臺(tái)監(jiān)控的盲區(qū)，無(wú)人機(jī)則實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)起飛，將起火點(diǎn)視頻信息回傳監(jiān)控指揮中心，供值班人員確認(rèn);護(hù)林員則通過(guò)手機(jī)APP，按照平臺(tái)提供的最優(yōu)路徑，前往火點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，拍攝照片或視頻上傳平臺(tái)。值班人員通過(guò)各種監(jiān)控設(shè)備的信息整合，綜合判斷并核準(zhǔn)該起火點(diǎn)信息。圖4為模擬國(guó)家林火監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的坐標(biāo)信息，通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)、高點(diǎn)云臺(tái)攝像機(jī)以及防火人員的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了空天地一體化森林火災(zāi)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

（1）空天地一體化森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)方式，是森林火災(zāi)“早預(yù)警”“早撲滅”不可或缺的重要手段。利用遙感衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等獲得的整體監(jiān)測(cè)資料與高點(diǎn)云臺(tái)、護(hù)林員等獲得的地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行互相補(bǔ)充及對(duì)照，可獲得更全面的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。該監(jiān)測(cè)方式在九峰國(guó)家森林公園進(jìn)行了實(shí)戰(zhàn)演練，達(dá)到了預(yù)期效果，做到了森林防火做到了災(zāi)情早發(fā)現(xiàn)、早撲救，實(shí)現(xiàn)了森林火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的科學(xué)化、信息化、規(guī)范化和高效化。為公共安全管理、重大活動(dòng)監(jiān)測(cè)、污染防治等其它行業(yè)監(jiān)測(cè)應(yīng)用與應(yīng)急管理提供了良好的示范和解決方案。

（2）森林火災(zāi)具有突發(fā)性和破壞性的特質(zhì)，使不同的林火監(jiān)測(cè)設(shè)備在時(shí)空監(jiān)測(cè)能力和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集能力方面存在差異，一種監(jiān)測(cè)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)所有火災(zāi)數(shù)據(jù)的采集。傳統(tǒng)的林火監(jiān)測(cè)是以對(duì)火情的發(fā)現(xiàn)為目標(biāo)，重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)，而空天地一體林火監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)在于監(jiān)測(cè)信息共享和林火信息研判，為林火撲救、科學(xué)決策提供數(shù)據(jù)支撐。因此，需要對(duì)各種監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行組合，才能實(shí)現(xiàn)全天候、全覆蓋的森林火災(zāi)實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)與火情及時(shí)分析研判。

（3）以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)正成為推動(dòng)森林防火科技化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的新動(dòng)力。采用高科技手段，構(gòu)建森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系，創(chuàng)新預(yù)警監(jiān)測(cè)模式，對(duì)提升森林火災(zāi)綜合管理水平和效率具有十分重要的意義。而基于5G、人工智能等技術(shù)，采用多層級(jí)的智能化管理體系，多級(jí)部署，前端感知采用邊緣計(jì)算技術(shù)直接對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行過(guò)濾分析，接入多種傳感器，可全方位監(jiān)測(cè)林區(qū)各項(xiàng)森林環(huán)境數(shù)據(jù)，是未來(lái)發(fā)展的必須趨勢(shì)。

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（責(zé)任編輯：鄭京津）

收稿日期：2020-11-12

基金項(xiàng)目：湖北林業(yè)信息化重點(diǎn)項(xiàng)目“湖北森林防火網(wǎng)絡(luò)化預(yù)警云平臺(tái)建設(shè)技術(shù)及應(yīng)用”（HBLY2014-002）

張維為通訊作者。