北斗卫星导航技术在森林防火中的应用

何　诚，刘柯珍，李艳云，寇晓军

（1.南京森林警察学院，江苏　南京　210023；2.中国林科院森林生态环境与保护研究所，北京　100091；3.河北省迁安市林业局，河北　迁安　064400；4.北京师范大学，北京　100088）

北斗卫星导航技术在森林防火中的应用

何诚1，刘柯珍2，李艳云3，寇晓军4

（1.南京森林警察学院，江苏南京210023；2.中国林科院森林生态环境与保护研究所，北京100091；3.河北省迁安市林业局，河北迁安064400；4.北京师范大学，北京100088）

随着社会科技和经济的发展，政府等社会各界对森林保护的工作越来越重视。森林防火自动化、网络化、信息化是不可避免的发展趋势。北斗定位系统的横空出世打破了精准定位依靠国外卫星的枷锁，北斗精准定位技术为林火监测、林火扑救指挥提供了新的技术，同时为无人机等新型技术在林火点定位研究提供了支持，为森林防火及扑火的精准化调度提供了保障。

森林火灾；北斗卫星；定位系统；扑救指挥

森林火灾是损害森林生态环境最大的灾害，我国每年都会发生多起大面积的火灾，严重破坏人们赖以生存的生态环境。一场森林火灾不光损坏人们的建筑财产，甚至伤害人们的生命安全。森林火灾具有复杂性，不光受气候天气等自然因素的影响，还受人为活动的影响。全球平均每年由于森林火灾毁坏的面积高达1000万hm2，约占森林总面积的0.1%；且其中90%以上的森林火灾都与人为活动有关。目前包括美国、德国、加拿大等欧洲发达国家均缺乏对大规模的森林火灾的控制能力［1，2］。

从1949年新中国成立到1987年年均发生大小森林火灾1.5万起，受灾森林面积高达15万hm2，死伤人数达150人左右。1987年“5·6”大兴安岭火灾过后，人们意识到森林火灾的严重危害，我国政府加强了对森林防火的组织和管理，随着森林防火在我国的重视及科技产品的投入，这个数据在下降［2］，年均森林火灾发生次数降为八千起左右，受灾森林面积10万hm2，死伤人数在80人左右。

随着科技的发展，卫星遥感技术、物联网技术、无人机技术及视频监控技术的成熟给林火监测的发展注入了巨大的活力。北斗卫星导航系统是我国自主研制的全球卫星定位及通信系统，它由空间端、地面端和用户端3部分组成。北斗卫星导航系统免费向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，且其民用定位精度可达10m，完全满足林火定位精度的需求［3，4］。

1　北斗卫星导航技术简介

目前定位卫星包括静止卫星和极轨卫星两类。静止卫星有北斗一代；极轨卫星有GPS卫星网、伽利略卫星网，北斗二代卫星网。

1.1北斗卫星导航技术测量与经典测量方法的对比

传统经典测量技术为使用电子经纬仪、皮尺、水准仪或全站仪等测量设备对目标点进行定位或测量的方法。北斗卫星定位系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem）是20世纪80年代由中国决策建设独立自主研发、发射且投入运行的全球卫星导航系统，北斗卫星导航技术测量与经典测量方法对比具有以下优点：不需要相互通视，观测作业不受天气条件的影响，能达到大地测量所需要的精度水平，白天和夜间均可作业，经济效益显著。所以北斗卫星导航技术无论作大面积控制和局部测量都是理想的工具，从价格上说，它具有更强的市场竞争能力，任何条件下都有充分把握提供足够的精度［4-6］。

1.2北斗卫星定位系统与GPS的联系与区别

GPS是全球最通用的定位系统之一，是美国军方研制的第二代卫星导航系统，具有以下几种特点：（1）全球通用；（2）24小时可以定位，测速和授时；（3）用户设备成本低；（4）确保美国军事安全，服务于全球战略；（5）导航精度可达10～20m，但其使用权及主导权还是归美国所有。

北斗卫星定位系统（BeiDouNavigationSatelliteSystem）是20世纪80年代由中国决策建设独立自主研发、发射且投入运行的全球卫星导航系统。2003年，北斗卫星导航试验系统建成，并在多个领域进行了很好的应用。北斗卫星导航系统包括空间站、地面站及用户站3部分。空间站由5颗静止轨道卫星及30颗非静止轨道卫星组成，地面站由主控站、注入站及监测站组成，用户部分包括北斗用户终端以及其他卫星导航系统兼容部分。北斗卫星定位系统为免费开放服务；其特征包括如下：定位精度10m，授时精度20ns，测速精度0.2m/s。

北斗卫星定位系统具有以下原则。

1）开放性：北斗卫星导航系统将为用户免费提供高质量的开放服务，并且欢迎全世界的用户使用北斗系统。中国将与其他国家就卫星导航有关问题进行广泛深入的交流，以推动全球导航卫星系统（GNSS系统）及其相关技术和产业的发展。

2）自主性：中国将独立自主地发展和运行北斗卫星导航系统。北斗系统能够独立为全球用户提供服务，尤其是将为亚太地区提供更高质量的服务。

3）兼容性：北斗系统将致力于实现与其他卫星导航系统的兼容和互操作。

4）渐进性：北斗卫星导航系统将依据中国的技术和经济发展实际，遵循循序渐进的建设模式。北斗系统将通过改进系统性能，确保系统建设阶段平稳过渡，为用户提供长期连续的服务。作为重要的GNSS系统之一，北斗系统与其他卫星导航系统积极开展合作，共同促进卫星导航系统和产业的发展［5，6］。

2　北斗卫星导航技术在森林防火中应用

北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国全球卫星定位系统（GPS）和俄罗斯全球卫星导航系统（GLONASS）之后的第3个成熟的卫星导航系统。作为导航应用的核心，北斗地基增强系统由基准站网络、数据处理系统、运营服务平台、数据播发系统和用户终端5部分组成。基准站接受卫星导航信号后，通过数据处理系统形成相应信息，经由卫星、广播、移动通信等手段实时播发给应用终端，实现定位服务。根据规划，北斗地基增强系统将构建一个全国网，实现部门间、地区间、军民用户间资源统筹，数据共享。在2015年底前投入运行框架网和部分区域加密网基准站网络，2018年底前建成全国范围区域加密网基准站网络，提供米级、分米级、厘米级和后处理毫米级的高精度位置服务。

森林火灾位居破坏森林的3大自然灾害（火灾、病害、虫害）之首，它突发性强、破坏性大，不仅破坏生态环境、损害建筑财产，而且会给人们的生命安全构成威胁。利用北斗卫星导航技术可以第一时间发现火灾，精准定位森林火灾位置，实现“打早、打小、打了”的目的。另外灾后调查，核查受灾面积等工作都迫切需要精准定位系统，前些年中国使用的定位装置及技术都是国外提供的，北斗定位系统的横空出世打破了精准定位依靠国外卫星的枷锁。图1展示了北斗卫星导航技术在森林防火领域应用的原理示意：北斗卫星导航系统针对林火视频监控设备及相关目标物体进行定位，将其坐标传输到森林防火控制中心，与地理信息系统配合，可以实现林地信息的实时监测、精确定点及智能化识别，从而为建立火情预测预报、实时监测火灾及火灾精确定位系统提供了平台。

北斗卫星导航技术在森林火灾的监测应用需与地理信息系统配合，北斗导航系统可以提供精准的位置信息，地理信息系统具有惊人的数据管理和统计能力、空间分析处理能力及其图形可视化能力，可以实现人机交互的目的。北斗卫星导航技术与地理信息系统相互配合可以实现林地信息的实时监测、精确定点及智能化识别，从而为建立火情预测预报、实时监测火灾及火灾精确定位系统提供了平台，进而提高了森林火灾预测预报、扑火指挥的决策能力和调度效率，为森林防火指挥部们提供技术支持。

森林航空消防中飞行器也离不开北斗导航系统的支持，在飞机巡护监测期，利用北斗导航定位系统对着火点精准定位，及时将坐标发送给航空护林基地、防火办及相关部门，迅速组织力量对火灾精准扑救，可以减少森林火灾发生。在火灾蔓延期，利用飞行器搭载北斗导航系统快速勾绘出火灾蔓延边界，估算火灾面积，可以为更合理地制定扑火策略及方案提供数据支持。

图1　北斗卫星导航技术在森林防火领域应用的原理示意

北斗导航系统定位终端可以装载在飞机、汽车、防火员、指挥员等载体上，且可以实时将定位坐标发送到指挥系统中，在电子屏幕上掌握被定位物体的实时坐标信息。可以使防火指挥部门第一时间掌握防火人员及火灾现场的情况，以便对其进行调度，进而及时做出决断。并且可以将该数据存入系统，为灾后统计、分析、讲解提供宝贵数据。随着北斗导航系统的升级及定位终端的不断改进，北斗导航定位技术将会为森林防火事业做出重要的支撑［7］。

［1］何诚，袁进军，王佳，巩垠熙，董志海.高光谱遥感技术在生物多样性保护中的应用研究进展［J］.光谱学与光谱分析，2012，06（32）：1628-1632.

［2］舒立福，周汝良.森林火灾监测预警和扑救指挥数字化技术［M］，昆明：云南科技出版社，2012.

［3］刘良明，鄢俊洁.MODIS数据在火灾监测中的应用［J］.武汉大学学报（信息科学版），2004，29（1）：55-58.

［4］彭光雄，李京，陈云浩，NorizanAbdulPatah.结合遥感和气象数据的森林火险监测研究——以马来半岛为例［J］.地球信息科学，2007，9（5）：99-104.

［5］刘金娥，宋庆国.北斗卫星系统的森林火灾监测定位系统［J］.单片机与嵌入式系统应用，2014，（7）：50-52.

［6］蒋岳新.北斗卫星导航定位系统在森林防火中的应用前景展望［J］.卫星与网络，2008，12（79）：42-45.

（责任编辑：韩焕金）

S762.3

A

2016-03-14

林业生态站监测项目；国家林业局软科学研究项目（2015-R09）