我国森林火灾监测体系现状及展望

2017-04-05闫德民李庆阁

森林防火 2017年3期

关键词：林火火情火灾

闫德民，李庆阁

（南京森林警察学院，江苏南京 210023）

我国森林火灾监测体系现状及展望

闫德民，李庆阁

（南京森林警察学院，江苏南京 210023）

森林火灾是一种突发性强、危害性大的自然灾害，监测是预防森林火灾发生和控制林火蔓延的有效手段。对森林火灾监测技术体系进行了全面分析和总结，包括近地监测、航空监测、卫星监测、雷达监测及无线传感器网络技术等。未来我国森林火灾监测体系应将各种监测措施有效集成，结合最新技术，逐步建成预测精准、防控有效的森林火灾监控体系。

森林火灾；监测体系；卫星监测；航空监测；无线传感器网络

林火作为一种自然现象，是森林生态系统中最活跃的因素之一，全球每年约有1%的森林经历火的干扰，林火直接影响和改变区域森林生态系统的过程和格局[1]。林火突发性强，一旦超出人为控制后在森林中延伸扩展，就会给人类生命财产造成严重损失，给生态环境带来严重危害而成为森林火灾，是一种危害性极大的自然灾害。我国是一个森林火灾多发的国家，2000-2014年期间，我国森林火灾的次数平均为7945次/年，火场总面积平均为2.4×105hm2/年，受害森林面积平均为1.0×105hm2/年，直接经济损失平均为1.5亿元/年[2]。我国实施天然林保护和退耕还林还草工程以来，天然林和人工林林内可燃物载荷增加；同时全球气候变暖造成了森林高火险天气数量增加，我国未来森林防火形势严峻。

森林火灾监测是运用各种监测技术，及时发现火情并准确定位起火点，确定火的大小及动态，监视林火发生、发展的整个过程。森林火灾监测作为发现林火和传递林火信息的措施和手段，是控制和扑灭森林火灾的基础。森林火灾监测中对林火及时的发现和精确的定位，是实现森林火灾早发现、早扑救的关键措施，能够有效地减少森林火灾损失。为有效实现“打早、打小、打了”的森林火灾预防扑救方针，应集成各种传统监测手段，结合最新的监测技术，逐步形成预测精准、防控有效的天-地-空一体化的森林火灾监测体系。

1 我国森林火灾监测体系框架

1.1 近地监测

近地监测主要指人工地面巡护、瞭望塔人工监测和视频监测。其中人工地面巡护指通过护林人员在林内进行地面巡护，或借助于巡护摩托、越野汽车及全地形地面林火巡护扑救车开展地面巡护。地面巡护可装配卫星定位系统和远程管理系统进行精确采集和回传着火点、林火蔓延等重要信息，将精确的火灾现场数据传递给防火指挥平台。瞭望塔作为林区固定观测设施，在设计规划时要充分考虑观测的区域范围、瞭望塔的位置及个数配置，以保证较高的监测覆盖率。视频监控技术是在计算机技术、视频图像处理技术、互联网及人工智能技术基础上迅速发展起来的一种森林火灾监控措施，通过整合可见光和热红外仪器，对摄像机获取的图像系列进行自动分析，对热点目标进行识别、监测和跟踪，目前该技术已具备了全天候远程视频监控能力。

1.2 航空监测

航空监测分为航空护林飞机和无人驾驶飞机两种中低空巡护类型，航空监测是林火监测措施中的有效途径，是构成天-地-空立体监测网络的重要组成部分。航空护林飞机巡护主要有直升机载人巡护和固定翼飞机巡护。航空巡护时通过人工观测或借助望远镜辅助观测火情、识别着火点，也可以完成人员及物质运输，实现吊桶灭火。目前，我国林区使用的直升机机型主要有M-26、K-32、M-171，直升机主要用于航空直接灭火，固定翼飞机机型主要是Y-12，主要用于巡护和火场观测。

无人驾驶飞机（UAV）简称无人机，无人机飞控和图传技术目前已日趋成熟，摄像机和传感器更加小型轻质化，使得无人机具有机动快速、使用及维护成本低、操作简便等特点，在自然灾害监测、交通监测、石油管道监测等民用领域得到了较大拓展。无人机作为一种中低空实时快速获取火场信息的系统，可对人和车辆无法到达的监测范围进行有效监测。张增等通过对无人机获取的高清可见光图像，利用RGB和HSV颜色空间监测和分割，发现森林火灾的检测率为87.7%，识别率为89.2%。监测小型无人机分为固定翼和旋翼无人机。低空飞行时能够自动获取高分辨率的图像，并能够及时将图像和数据发送到地面基站或指挥中心[3]。

1.3 卫星监测

卫星监测是林火监测技术发展的前沿领域，利用卫星搭载遥感装置监测记录地球陆地生态系统的各类信息，根据森林燃烧时温度高于背景地表温度完成森林热点的识别监测。卫星遥感技术在林火识别监测中可以实现着火点地理位置的精确判定、火线的范围制图、火场变化趋势判定及火烧迹地植被恢复过程的监测与评价[4]。我国近年来用于森林火灾监测的卫星多为极轨卫星，利用包括NOAA、MODIS、FY系列等中低分辨率的卫星数据，也包括利用环境减灾小卫星、中巴资源卫星等高分辨率的国产卫星数据开展林火监测[5]。卫星监测是目前全国森林火灾宏观监测的主要措施，为扑救指挥提供可靠的数据和技术支撑。

1.4 雷达监测

雷达用于森林火灾的监测是基于森林燃烧引起的回波和气象回波存在较大差异，具有水平尺度小、顶高度低和强度强的特征。黄克慧等提出用“火灾杂波过滤法”及“降水回波过滤法”进行森林火灾回波的自动识别，并研制出了多普勒雷达CINRAD/SA的火情自动识别系统[6]。另外，多普勒激光雷达也可用于森林大火蔓延过程中烟雾及其流场的连续监测，具有一定的灵敏性和可靠性[7]。

1.5 无线传感器网络技术

无线传感器网络（WSN）作为信息科学的一个新领域，为森林火灾监测预警技术构建一种系统框架，通过森林火灾预测预报模型、无线传感器网络节点部署及拓扑形成机制、传感器网络节点与火险精确定位方法及无线通信等技术相结合来实现森林火灾的监测预警。该技术目前尚处于起步阶段，适用于无人值守的环境监测、灾害扑救等特殊领域。至今诸如美国、加拿大、德国及英国等国家利用无线传感器网络技术在森林火灾监测中已经进行了一系列应用研究，我国目前也针对无线传感器网络的通信协议、节点定位算法、智能信息处理和网络节点体系结构等方面开展了深入研究[8，9]。

2 我国森林火灾主要监测体系中存在的问题

2.1 近地监测

利用人工巡护进行森林火灾监测需要花费较大的人力和时间，即便借助于地面巡护车辆，监测巡护的森林范围较为有限，巡护过程中很难阻止所有人进入林区。巡护人员的责任心易受到经济利益的驱使，使得地面人工巡护很难满足我国林火信息的及时全面监测和扑救的需求。瞭望塔和视频监控等近地面监测措施能够及时地发现林火，但监测易受到地形和地势的影响。森林防火远程视频监控在理论上有效监测的半径约为10～15 km，建造价格较高，难以得到较大范围的应用。在未来的实际应用过程中，将人工巡护、瞭望塔人工监测和视频监测等方式集合成相互补充、紧密联系的有机整体，实现中小尺度规模上森林火灾完善和细致的观测。

2.2 航空监测

利用航空护林飞机进行林火监测具有反应速度快、效率高等特点，且能够搭载消防队员和灭火设备，巡护过程中发现火情能迅速实施灭火扑救。飞机利用搭载设备进行火场信息提取，探测火场温度、湿度、风速、风向等气象指数，回传给防火指挥部。在森林航空监测中，通过可视航拍遥控器可以增大观测视角、扩大监测范围。

与航空护林飞机相比，无人机风险较小、采购和使用成本较低，能够自动监测和探测林火状况，并能够实时地传递图像和信息数据给地面控制中心；同时无人机的低空飞行能力使其能够获取高分辨率的图像，能够及时更新火场信息。但目前小型无人机普遍存在的问题是：有效飞行时间短，不能够实现长距离的飞行；载荷较小，飞行过程中易受到环境或火场的影响；缺乏有效的火点自动识别系统。

2.3 卫星监测

利用卫星进行林火监测具有监测范围广、多时相、可靠稳定等特点，能有效弥补近地面监测和航空监测的不足，是目前林火监测重要的信息来源。利用如NOAA、MODIS、FY等卫星数据进行火灾监测，最主要的特点在于时间分辨率高、图像覆盖范围广，能够实现每天对我国林区森林火情的监测[10]。

但卫星数据存在空间分辨率较低，利用热红外通道数据进行林火监测时易受到强反射面和高温饱和等因素的干扰，不利于对森林大火火烧强度空间格局全面监测；NOAA、MODIS、FY等极轨卫星时间分辨率高，其严格的运行周期和轨道路径对同一林区每天2次扫描的时间间隔约12 h，但每次监测时间较短，无法对森林火灾形成连续观测，无法记录火灾排放气溶胶和温室气体的完整排放过程[10]；另外，气象卫星监测易受到云、雾的影响，即便较薄云雾也会影响森林火灾监测的精度。遥感监测对于实际着火面积和林火发生的次数等指标的确定存在较大误差。

2.4 雷达监测

多普勒天气雷达火情自动监测系统（DRARFS）在其有效监测范围（110 km）内能够对森林火情进行自动识别、定位和报警，其连续跟踪监测的时间间隔为6 min，且能够24 h连续工作，能够为森林火灾的监测预警提供更及时准确的林火动态。该火情自动识别系统在浙江进行了为期1年的试验运行，其火情预警命中率、误警率和临界成功指数分别达到79%、4%和76%。

多普勒雷达火情自动监测系统虽然有比较高的火情预警命中率和较低误警率，但实践中仍存在大量火情没有得到有效监测和报警，原因诸如：林火规模或强度较小，致使雷达无法探测或是无法达到系统报警阈值；环境因素诸如较大的风力，使得火烧烟尘在扩散过程中浓度过低，无法引起雷达回波或是达到系统报警阈值；另外，降雨等因素也会影响雷达回波导致判别失误[6，7]。

2.5 无线传感器网络

无线传感器网络（WSN）能够灵敏地感应温度、湿度、光亮度等参数的快速变化，具有实时性和精度高的特征，非常匹配森林火灾的监测需求，特别是森林重点监控区。与卫星、摄像头拍摄的图像相比，无线传感器网络采集的数据更为精准，能直接反映监控现场各种环境因子的变化，时效性好，能有效解决3S技术中的诸如实时性、精度低及漏判误判等瓶颈问题。WSN系统能够快速地将森林火灾现场采集的数据通过无线通信传递至基站，各个节点均靠电池供电，供电能力直接影响节点的能量和数据处理能力。森林环境复杂性、异质性及其对设备的敏感性，要求尽可能减少传感器节点的体积。为了尽可能多地获取森林环境参数，传感器节点需要装备多种高精度且使用周期长的传感器。因此无线网络传感器应用于森林火灾监控的优势体现，对于网络的错容能力、强健性和出现故障时的重构纠错能力提出了新的要求[11，12]。

3 我国森林火灾监测体系发展对策

3.1 不同空间层次监测平台的技术革新

在卫星遥感技术方面，无线传感器技术、物联网技术、凝视技术等空间信息获取技术不断更新，云计算、网格技术和大数据挖掘技术等信息和图像处理技术取得重大突破，同时，新型民用高分卫星传感器分辨率也有了跨越式的提升，空间分辨率可达米级、时间分辨率可达分钟级、高光谱分辨率可达纳米级。卫星遥感技术革新更加注重提高设备的监测精度，包括着火点及时发现和精准定位、林火蔓延过程的精确监测等。

近年来航空监测也取得较大的技术突破。特别是小型无人机日趋成熟的飞行控制技术、长距离的数字图像传输技术、高性能电池技术。这些新技术能有效提高小型无人机的飞行时间、增加有效载荷，搭载多种小型传感器，使小型无人机具备了自动监测林火和探测火情的能力，同时将图像和数据实时传输到地面基站或指挥中心。此外，关于激光雷达、多普勒天气雷达、无线传感器网络等技术在森林防火领域的应用，近期，人们也展开了大量研究，为林火的精准定位提供了新的监测技术。

3.2 多种监测平台的系统集成和监测体系的分层规划

我国森林火灾监测系已初步形成了卫星、飞机、雷达、瞭望台等立体空间监测体系，但目前远未形成一个集成高效、全面灵活的监控体系。首先，目前我国各级防火机构所构建的林火监控信息系统，与卫星监测信息结合的较多，而与瞭望台、飞机巡护所获取的信息结合的较少，造成各信息源之间融合程度较差，各类信息在空间和时间尺度上匹配度不高，指挥中心也难以依据这些信息做出全面正确的反应。除了传统监测平台之间的系统集成，新技术之间结合也为林火监测提供了新的途径，如：无线传感器网络WSN与“3S”技术的结合建立的低成本、实用性强的森林火灾远程监测系统[13，14]。其次，森林火灾监控扑救过程的片段化，各级行政区划和森林自然分布区域不完全一致，使得不同区域森林在火灾发生前、林火蔓延过程中和火灾后的监测完整性差，没有形成完整的综合监控体系。在未来的森林火灾监测体系建设中，要运用新型信息技术，依托公共网络资源，支持高速宽带传输，进一步加强通信和传输网络，科学地整合各种森林防火资源及监测措施，建立优化模型，逐步形成灾前预警、灾中监测、灾后评估的全周期综合监测体系。不同的监测平台所监测的时空尺度不同，需要在国家和不同区域尺度上分层次地构建森林火灾监测体系，以保证各级防火设施建设的整体性和针对性。比如：以多来源和多时相的卫星监测数据完成国家层面的全覆盖监测；对于省级区域性森林火灾的监测，以航空监测和卫星监测相结合，重点林区在防火期内以航空护林飞机和无人机监测为主；对于国家自然保护区或国家森林公园等重点森林防火监控区域，应以近地面监测技术为主，以小型无人机监测为辅。最后不同区域尺度的监测技术整合到统一的国家森林火灾监测体系中来，用卫星通信技术将卫星、航空及地面等获取信息进行有机整合，逐步构建服务于我国陆地生态系统可持续发展和森林资源高效管理的天-地-空一体化的森林火灾监测体系。

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