基于测树枪的林火行为参数精准观测研究

于 淼 ，冯仲科，徐伟恒

（1.北京林业大学 精准林业北京市重点实验室，北京 100083；2.西南林业大学 计算机与信息学院，云南 昆明 650224）

基于测树枪的林火行为参数精准观测研究

于 淼1，冯仲科1，徐伟恒2

（1.北京林业大学 精准林业北京市重点实验室，北京 100083；2.西南林业大学 计算机与信息学院，云南 昆明 650224）

利用手持式测树枪测角、测距功能，根据三角函数和相关数学模型计算提出林火蔓延距离和速度、火焰长度、火场周边长、过火面积等林火行为参数的精准观测方法，实现了林火行为参数观测数字化、内外业一体化。在试验区开展精度验证，结果证明：双站测树枪观测林火蔓延距离的精度为99.28%，火场周边长测量精度为99.29%，过火面积测量精度为98.26%，测树枪的观测精度满足林火观测要求。

森林火灾；测树枪；观测；数字化

森林火灾在我国多发频发，是危害我国森林资源的最大灾害，长期以来制约林业的可持续发展[1-2]。为搞好森林防火建设，推动林业产业经济发展，林火预防与控制的研究迫在眉睫[3-4]。林火观测是利用一定的设备、仪器对林火进行观测，获取准确的火点、大小、蔓延趋势等参数的行为[5-6]。当前，国内外对观测林火的手段主要有遥感图像分析、瞭望塔视频监测、基于GIS的森林火情监测系统和人工地面巡护等[7]，前三者普遍在大视野、大环境下应用，费用高，结果较为粗放，很难获取林火行为参数这一数量级的精确数据。人工地面巡护方式对观测仪器的要求较高，众多专家致力于在仪器研发、观测方法上推陈出新。张景忠等[8]研发的林火行为相关参数综合测报仪可获取林火参数，不足在于其计算全部依托经验模型，很难获取火场实时的真实数据，不能给扑火人员提供准确的火速度、火蔓延等数据支持；曲佳瑞[9]提出可利用全站仪测定森林过火面积的方法；马云超[10]研究表明GPS定位系统在森林火灾的预防、控制和灾后损失评估等方面发挥作用明显。冯仲科等研究基于精准林业北京市重点实验室自主研发的手持式测树枪，集成激光测距传感器、测角传感器、电子罗盘获得测站点到目标点的距离、倾角和磁方位角的功能，可实时测定林火现场的参数，自动存储并处理数据，克服了以往经验模型估算参数的不精确性、不针对性，弥补GNSS在林下高郁闭度时信号弱难以定位观测的问题，仪器手持式工作、体积小、操作简单等特点也提高人工效率，为人员决策、林火的快速扑救以及灾后损失评价提供有效帮助。

1 原 理

1.1 测树枪

电子测树枪的硬件组成如图 1 所示，包括MEMS（micro-electro-mechanical systems）倾角传感器、激光测距传感器、电子罗盘、中央控制单元、存储器、液晶显示屏、微型按键、USB 数据通信接口、电源等[11]。采用铝合金外壳将硬件进行高密度、高可靠集成（如图2所示）。软件部分斜距、磁偏角等辅助测量参数均能实时显示，测量数据以文件形式保存在存储器中，可以通过USB接口导出。技术参数参见表1。

图1 测树枪硬件总体框架Fig.1 Framework of software in forest measurement gun

图2 电子测树枪观测林火示意Fig.2 Forest measurement gun in fi re observation

1.2 林火观测原理

林火行为参数主要包括火线蔓延速度、火焰长度、火线区温度、火场形状、周长和面积等参数[12-15]。利用手持式测树枪测角、测距功能，根据三角函数和相关数学模型的计算能够实现林火行为参数的精准观测。

表1 电子测树枪技术参数Table 1 Technical parameters of forest measurement gun

1.2.1 双站林火蔓延观测

垂直于火蔓延方向，架设两站测树枪同时观测火点，使其组成三角形。以两站测树枪构成的边和该边的两个夹角为测得的已知量，通过前方交会[16]和三角函数原理可计算火点坐标。由于森林或植被燃烧形成的火不是实体地物，激光器发出的信号会被吸收或穿透，因此不对火点进行直接测距，观测火点仅使用测角功能。

在火点C周围选择林冠覆盖较为稀疏且视野开阔的地点，设置2个观测站A和B，用手持GPS定位出A的坐标。如图3所示，利用测树枪在A点观测B、C两点，在B点只观测C点，分别获取距离SAB，方位角φAB、φAC和方位角φBC、φBA，得出夹角α、β。通过公式（1）算出B点坐标，利用前方交会方法推导的公式（2）得出火点C的坐标。林火蔓延的速度可通过火点移动前后的坐标C1和C2得出，计算方法见公式（3）（见图4）。为保证观测火点的明显性，须在C1和C2放置花杆作为被测目标。

式中：SAB为A，B二点之间的斜距；V为天顶距；θ为方位角。

式中：SAB为 A、B二点之间的斜距；α为AB与AC的夹角；β为BA与BC的夹角。

图3 双站测树枪火点坐标测量Fig.3 Fire point coordinate measurement with double forest measurement guns

图4 双站测树枪火蔓延测量Fig.4 Fire spreading distance measurement with double forest measurement guns

式中：XC1、YC2、ZC3为火点 C1的坐标；XC2、YC2、ZC3为火点C2的坐标；SC1C2为林火蔓延距离；v为林火蔓延速度；Δt为林火蔓延时间。

1.2.2 火焰高度测算

火焰高度是指火线处火的底部到连续火焰最高点的直线距离[7]。实际观测中，应根据林火现场风向，选取有利位置，避开火的蔓延方向，立即展开火焰高度的测量。火焰高度的测量原理如图5所示，观测时将测树枪对准火焰的顶部和底部，测得天顶距V1、V2。根据公式（4）计算即可得到火焰长度H。

式中：V1、V2为火焰顶部和底部的天顶距；L为仪器到火焰的水平距离；H枪为测树枪到地面的高度。

图5 测树枪火焰长度观测Fig.5 Flame length observation with forest measurement gun

1.2.3 火场周边长和过火面积观测

传统的火场周边长和面积观测受仪器设备不足、功能少、精度差的限制，国内外过往对火场的周边长和面积等数据往往采用经验模型来估算，为扑火人员提供简单咨询。测树枪的任意测角、测距功能，实现了火场周边长和过火面积的高精度测量，给灭火指挥员的扑打决策提供可靠资料，也为灾后损失的评价提供可依据材料。

观测原理如图6所示，在火场边界某一特征点（第1点）使用电子测树枪，瞄准在火场边界特征点2上竖立的观测板，测得1点至第2点的斜距D1、方位角δ1、倾角τ1并进行实时存储；根据数学模型公式（5）

自动求得第2点的坐标(X2，Y2)，并存储；不断地重复操作两个步骤直至闭合，依次测得土地的各个边界点的坐标，再由公式（6）

图6 测树枪火场周边长和过火面积测量示意Fig.6 Photo of fi re scene circumference and burned area measurement with forest measurement gun

测算出火线周边长L的值。由数学模型（7）

求得森林过火面积。

2 试 验

2.1 林火蔓延观测试验

为验证手持式测树枪对林火蔓延速度观测的精度，在房山林果科技中心周边的野草地布设5组长3.5 m、宽0.5 m的长条型模拟林火实验场地，实验地均匀覆盖7～10 cm的枯草落叶等可燃物。在场地外围清理出2 m宽的防火隔离带，选用南方测绘NTS-352L全站仪（测距精度为±3 mm+2×10-6×D，测角精度为±2″）和电子测树枪，以全站仪、双站测树枪两种方法同时进行火线蔓延观测。以全站仪测量的火蔓延距离数据为真值，与测树枪测量数据进行比较，相对误差用公式（8）计算。

式中：SG为测树枪测量火蔓延距离值，m；ST为全站仪测量火蔓延距离值，m；ER为相对误差，%。

表2表明，双站测树枪观测火蔓延距离相对于全站仪火蔓延距离的误差最大为1.38%，最小为0.31%，平均相对误差为0.72%。

2.2 火场周边长和过火面积观测试验

为验证手持式测树枪对火场周边长观测的精度，在黑龙江大兴安岭地区翠峰林场布设5个点烧样地（见图7），选用手持GNSS和测树枪，分别对每块火烧迹地的周边长和面积连续观测10次。以GNSS定位仪的观测数据为真值，与测树枪测量数据进行比较，统计结果如表3和表4所示。测树枪观测火烧迹地周边长平均值与手持GNSS观测火烧迹地周边长平均值偏差为0.21 m，最大误差为1.01%，最小误差为0.24%，平均相对误差为0.71%；测树枪观测火烧迹地面积平均值与手持GNSS观测火烧迹地面积平均值偏差为2.07 m2，最大误差为3.36%，最小误差为0.53%，平均相对误差为1.74%。

表3 测树枪与手持GNSS观测周边长比较Table 3 Comparison of forest measurement gun and Hand-Held GNSS fire scene circumference observation

表4 测树枪与手持GNSS观测面积比较Table 4 Comparison of forest measurement gun and Hand-Held GNSS burned area observation

3 结论与讨论

本研究提出基于电子测树枪实测火蔓延速度、火焰高度、火场周边长和过火面积等林火行为参数的方法，为验证测树枪观测方法和精度，分别在北京房山和黑龙江大兴安岭开设野外试验区，通过对比试验结果表明：双站测树枪观测林火蔓延距离的精度为99.28%，火场周边长测量精度为99.29%，过火面积测量精度为98.26%。火场周边长测量的精度最高，过火面积测量精度最低，说明测树枪的观测精度满足林业调查要求。

本研究改善了以往只利用林火行为经验模型计算来获取数据的方法，火场态势千变万化，实测的数据实用性更大，可靠性更强。测树枪对林火的精准观测为林火现场扑救和人员灭火决策提供准确的第一手资料。

基于测树枪观测林火行为参数旨在推进林火观测数字化、集成化、内外业一体化的有效探索。观测数据均以数字形式存储在电子设备中，可通过USB接口连接普通计算机，导入内业软件，实现了内外业一体化的操作模式。仪器的便携性和操作的灵活性在使用上优越于传统全站仪、电子经纬仪。不足之处在于：

（1）测树枪观测林火参数的功能数量上有待扩展，量测面积的精度还有待提升。火场环境不同于普通森林调查环境，对仪器各功能的环境检验还需要做大量研究。

（2）林火蔓延速度测定中，A点选择在林冠覆盖较为稀疏且视野开阔的环境，坐标是由手持GPS定位获得。然而现实火场周围地形复杂，对于遮挡严重、GPS信号弱和目视条件差等情况的坐标定位还需进一步研究。

（3）为保证双站测树枪观测的火点是同一点，采用花杆标记火点位置的方法可在风力灭火机的支持下开展，但受到人为经验的制约，方法尚有局限性。

[1]车 勇,王辉东,李 浩,等.基于GIS的森林防火综合评价及分析[J].四川林勘设计,2012,(3):65-70.

[2]李仲秋,薛志峰.森林火灾经济损失风险评价[J].森林防火,2013,(4):39-42.

[3]冯仲科,胡 林.3S技术在森林防火中的应用[J].中国测绘报, 2005, (3): 1-2.

[4]杨国福,江 洪,玉树全,等．浙江省1991～2006年森林火灾释放黑碳量的估算[J].生态学报,2009,29(5):2612-2621.

[5]吴雪琼,覃先林,李 程,等.我国林火监测体系现状分析[J].森林防火,2010,(3):39-42.

[6]孙 萍,吴秀平,金 森,等.一种能够批处理的林火行为空间模拟系统[J].中南林业科技大学学报,2014,34(11):41-45.

[7]谢绍峰,张 贵,肖化顺.林火动态监测中3S技术的应用现状与展望[J].中南林业调查规划,2005,24(4):45-48.

[8]张景忠,肖 非,廉明起.林火行为相关参数综合测报仪的研究[J].东北林业大学学报,2000,28(6):112-115.

[9]曲佳瑞.森林着火面积的实时测定[J].森林防火,2000,(2):16.

[10]马云超.GPS定位系统在森林防火中的应用[J].中国新技术新产品,2010,(13):55.

[11]徐伟恒,冯仲科,苏志芳,等.手持式数字化多功能电子测树枪的研制与试验[J].农业工程学报,2013,29(3):90-99.

[12]邸学颖,王宏良.林火预测预报[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,1993.

[13]董广生,葛学林.林火学[M].哈尔滨:东北林业大学出版社,1997.

[14]林业部森林防火办公室编著.森林火灾扑救与指挥[M].北京:中国林业出版社,1996.

[15]Van Wagner C E,Piekett T L. Eguations and FORTRAN Program for the Canadian Forest Fire Weather Index System[M]. Ottalwa:Canadian Foresty Servie, 1985.

[16]舒彦军,张立亭.基于角度前方交会原理的林火定位研究[J].江西林业科技,2011,(3):40-42.

Study of forest fi re behavior parameter precision observation based on forest measurement gun

YU Miao1, FENG Zhong-ke1, XU Wei-heng2
(1. Precision Forestry Key Laboratory of Beijing, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;2. Computer and Information institute, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunan, China)

The study present a precise measure method about forest fi re behavior parameter such as forest fi re spread distance and speed,fl ame length, fi re scene perimeter, burned area and realized forest fi re behavior parameter observation digitization and fi eld surveying and interior work integration, which counting result based on trigonometric function and relevant mathematical models through applying angle measurement and distance measurement functions of electronic forest measurement gun. Through precision test that fi re spreading fi re scene perimeter and burned area in the experiment area by electronic forest measurement gun, the result suggest that double Forest Measurement Gun accuracy was 99.28% to observe fi re spreading distance,the accuracy was 99.29% to observe fi re scene perimeter,the accuracy is 98.26% to observe fire scene area. The results indicate that the instrument can meet the requirements of forest fire observation.

forest fi re; electronic forest measurement gun; observation; digitalization

S762.3+2

A

1673-923X(2016)05-0068-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.05.013

2015-03-10

国家科技支撑计划资助项目（2012BAH34B00）

于 淼，硕士研究生 通讯作者：冯仲科，教授，博士生导师；E-mail：fengzhongke@126.com

于 淼，冯仲科，徐伟恒.基于测树枪的林火行为参数精准观测研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(5): 68-72.

[本文编校：谢荣秀]