林火监测技术分析与综合应用

● 文 |天津航天中为数据系统科技有限公司 伍小洁 陈利明 张洁 燕正亮

林火监测技术分析与综合应用

● 文 |天津航天中为数据系统科技有限公司 伍小洁 陈利明 张洁 燕正亮

林火具有随机发生、扩展迅速、难以受控的特点，易造成林业资源损失惨重，进而影响生态更替和气候变化。伴随着全球气候变暖及人类活动的加剧，与林火发生频次成正相关趋势，全球林业资源受到林火威胁的形势越来越严峻。提高监测水平，有助于尽早探测起火点坐标，明确林火态势，实现全程监视林火从发生、发展到熄灭的整个过程，把林火引起的灾难降到最低。按照林火监测手段所处的空间位置可以分为卫星监测、航空监测、近地面监测和地面巡护四种方式，这四种方式交叉贯彻在林火监测的各个时间阶段。

一、林火监测技术及特点

1. 卫星监测技术及特点

卫星基于先进的成像设备，通过对3S（遥感系统、地理信息系统、全球定位系统）技术的综合应用，实现了卫星对地的监测。物体的温度高低与其发出的红外波长有密切的关系，而当林火发生时，其高温辐射的波长（3.7μm左右）与周围植被具有明显的差异。运用遥感卫星进行扫描，通过卫星地球站接收扫描信息，利用计算机技术识别出红外热点，结合地理信息系统对热点进行定位，从而实现对森林火灾的卫星监控。

卫星监测的周期由多颗卫星对地的重访周期共同决定。当前用于林火监测的卫星有我国的环境系列、风云系列卫星，美国NOAA系列、EOS/ MODIS地球观测卫星。风云系列卫星与NOAA卫星同属于近极轨太阳同步卫星，其监测周期为6h；EOS卫星1天内对同一地点扫描2次，其监测周期为12h；通过接收和处理我国风云系列、美国NOAA系列和EOS系列等卫星数据，对全国森林火灾进行多时段、全方位监测，大部分地区一天监测覆盖达到8～10次，时间覆盖率平均一次2～3h。

卫星监测星下点分辨率与卫星本身有很大关系。NOAA系列卫星星下点分辨率约1.1km，每条轨道的平均扫描宽度约2700km，适合林区森林火灾的宏观监测。EOS系列卫星在轨运行的有TERRA和AQUA，扫描宽度2330km，其分辨率有250m、500m和1000m。我国于2008年发射了环境减灾一号卫星（HJ）A、B星，其中HJ-1B卫星搭载的可见/红外遥感仪对地空间分辨率为150m，第3通道T3对地表高温具有较高的敏感性，与T4结合用于火点监测，可发挥较好的监测效果。随着我国高分辨率卫星的发射，卫星的星下点分辨率会大大提升。

卫星运行轨道高，环境适应性强。其不受所探测区域地形、自然条件、昼夜因素和风的影响。但用于林火监测卫星的传感器所选波段为可见光和红外波段，该波段不具备穿透较厚云层进行云下高温热辐射能力，因此容易受到云雾的遮挡，不适合阴、雾、霾、雨、雪的天气环境。

利用卫星进行林火监测时，林区多采用购买卫星影像的形式进行。对于林火监测的卫星属于低分辨率卫星，一般按景收费，价位在千元左右。林区多进行长期购买数据，因此长期而言运行成本较高。

2. 航空监测技术及特点

航空监测是基于航空平台的机载能力搭载林火探测设备，如可见光传感器、红外传感器和激光测距仪等实现对地动态有序观测成像。航空平台分为有人机平台和无人机平台。有人机平台主要是指有人直升机和固定翼飞机，有人直升机的定点悬停和起降场地要求较低的优势，使其成为航空监测的主力。现役无人机平台则种类多样，有多旋翼无人机、固定翼无人机和无人直升机等多种型号。2013年6月，在内蒙古大兴安岭林区根河航空护林站，天津航天中为数据系统科技有限公司利用我国自主研发的Z5大型无人直升机搭载光电吊舱，进行了林火监测的首次飞行，标志着我国无人机系统首次应用林业。

航空监测的周期与林区监测计划及天气状况有关。航空监测手段反应迅速，在符合条件情况下有人机和无人机都可实现定期监测和应急实施监测。进行定期监测时，航空手段一般以天为单位。

航空监测手段所采集影像的分辨率与平台飞行高度和传感器自身属性有关。有人飞机载荷能力比无人机优越，能够搭载的高性能可见光、红外和多光谱等吊舱，搭载的传感器差别导致对地分辨率有所侧重。飞行平台作业高度在千米左右，可见光分辨率在分米级，红外分辨率优于1m，但随着传感器性能的提升，级集成小型化，分辨率会越来越高。

航空监测手段具有机动灵活、可选平台多样、载荷可快速换装和升级、定位准确、监测范围和飞行高度可按需实施等优点。飞行平台进行任务作业时，对林区地形、自然条件和天气状况有一定的要求；飞行平台不能在超过本身抗风、抗雨雪能力的环境中作业；同时飞行平台的夜间飞行能力有限，并且受制于载荷的夜间成像能力；无人机可避免人员伤亡，可安排在危险区域进行作业，同时起降场地要求依据平台的类型的不同而差别巨大，如中大型固定翼无人机起降跑道要求较高，而中大型无人机直升机则相对较低，小型旋翼无人机无特别的起降场地要求。

航空监测平台及配套系统既可以通过租赁也可以通过购买的方式进行实施。有人机的价格和保养都比较昂贵，操作复杂，对安全技术要求高，造成了使用成本很高。无人机平台多样化，价位从数千元到百万元之间，有较多的选择空间。无人机整体采购费用相对较低、操控简单、后期维护费用少、但可靠性和勤务性有待继续提高。从整机使用寿命、频次和人力成本而言，无人机使用成本比卫星和有人机低很多。随着多旋翼无人机产品载荷能力、飞行性能及飞控半径的增加，低成本及机动灵活的特点逐渐在森林监测中得到应用。

3. 近地面监测技术及特点

近地面观测主要有瞭望观察和远程视频监控两种形式。瞭望观察是瞭望员在塔台上通过肉眼或望远镜进行环绕查看，用定位仪确定方位，在地形图上定位火场地理坐标、森林资源分布以及林相情况。远程视频监控基于互联网技术、视频监控技术及GIS技术的日臻成熟，利用可见光和红外传感器对特定区域进行视频采集。

近地面监测的周期受观测主体本身的主观性影响。瞭望观察者主要在白天活动，在瞭望台上通过望远镜在可视范围内对林地进行不间断瞭望，一般为小时级巡视监控；远程视频监控可以进行24小时不间断的数据采集和监控，并且支持视频存储和回放，也需要人进行干预。

近地面监测的分辨率与监测手段的观测距离相关。瞭望台主要采用巡检员手持望远镜，进行约7km半径内的监测；远程视频监控采用可见光和红外传感器，在无人值守的环境监测、灾害扑救等特殊领域，其有效监控半径约10km。二者分辨率随观测距离的增加而降低，在近处1km处的分辨率达到分米级，在边界7km处的分辨率在米级。

近地面监测手段依赖于基础设施建设，因此会受到地形地势、自然条件的影响，偏远、陡峭和危险地带很少进行基础设施建设，在气候条件恶劣的高温、高寒、雨雪雾霾等天气不易进行监测。瞭望台和远程视频监控需要建立一定高度的塔台，但地形地物的遮挡还可能延误最佳探火和灭火时机。

近地面监测要求点多面广，需要基础设施建设。瞭望台需要每隔一定距离进行布设，瞭望台的建设对选址、建设高度和通信设施有较高的要求，单个瞭望台成本达到数万元。远程视频监控的硬件投入与通信投入占据较大成本，末端的监控中心建设也需要一定量的投入，信息传输体系建设成本高、维护难度大。

4. 地面巡护及特点

地面巡护是由护林员利用各种交通工具在分管的责任区内进行巡逻，发现火情及时报告，同时还要检查监督来往行人和车辆遵守防火制度，检查生产用火和生活用火的火源情况等，防止引起火灾。

地面巡护用在防火期或火灾敏感区域，减少人为引起的森林火灾，并可及时发现火情和扑灭火源，其监测周期通常与人类在森林中的活动相匹配，故监测周期随机性强，不具备定期观测能力。

地面巡护工作量较大，人员处于森林底层，视线遮挡严重，观察范围有限。其观测分辨率为肉眼分辨能力，一般在分米到米级水平。

地面巡护环境适应性差，仅适合特定区域特定路线下的巡视，在确定火灾位置上常因地形地势崎岖、森林茂密而出现较大位置偏差，并且地域偏远、交通不便的林区无法开展地面巡逻工作。

此外，地面巡护需花费大量人力资源，且人身安全不能保证，成本较高，现已成为辅助手段。

二、多平台林火监测

为弥补现有单一监测技术的不足，发挥各自优势，已开展了多平台林火监测和基于物联网的智能林火监测技术的研究。

1. 多平台林火监测

多平台林火监测系统的建设思想是将每一种林火监测技术都看成是一个智能体，每种林火监测平台都可以独立完成自己的监测任务，采用集中式结构实现多平台林火监测协同应用，具体实现方式如图1所示。

（1）每种林火监测平台都作为一个智能体，有其独立处理事务的能力，可感知森林火场环境，彼此数据保存于各个独立的监测平台系统中，只能在林火管理中心调用。

（2）上述数据和命令都通过网络通信来实现传输。

（3）地理信息系统和专家系统综合起来构建一个林火管理中心，负责接收不同平台传输来的数据，依据情况对各个林火监测平台发送监测命令。

（4）由于各种监测平台各有其特点，监测数据也各不相同，各种数据互为补充，便于林火管理中心综合考虑、按需调用。

此系统在广东省韶关市仁化县红山镇进行林火现场点烧试验。试验中气象卫星监测平台负责在宏观方面识别出森林火灾热点；无人机监测平台利用机载数码摄像机从空中连续拍摄火场燃烧状况，以便了解火场位置和发展态势；无线射频传感器通过各节点实时采集红外线强度、温度和相对湿度数据，以便了解火场内部燃烧状况；自动气象站则设置于火场边缘地区，每分钟采集记录一次火场温度、相对湿度、风速、风向，从而获取火场周遭的气象环境状况。

结果表明，多平台林火监测系统实现对火场多方位的描述和监测技术间的技术互补，为林火现场实时监测提供了新的思路和办法。

2. 智能林火监测

基于物联网的智能林火监测系统集成多种林火监测平台，每种监测平台是具有独立处理事务的智能体，每种监测平台依据自身平台的特点获取和处理相关的林火信息及数据，这些信息和数据以服务的方式提供给指挥中心管理平台，管理平台再根据用户的需要对各个监测平台进行操作。智能林火监测的物联网构建如图2所示。

（1）感知层是物联网的基础，负责探测和搜集森林火灾及林火相关因子的状况。

（2）网络层是物联网的桥梁，负责各类监测系统及上层平台之间的交互联系。

（3）应用层是物联网的终端，负责为用户提供具体的林火监测应用服务。

将物联网技术应用于林火监测，结合地面感知传感器、远程视频监控和无人机监测进行结合，解决林火监测方式之间相互独立、数据难以共享的问题，实现了智能林火监测。所建系统通过远程视频监控前端发现火情并报警后，将启动无人机到达火点上方盘旋，将火点现场的图像资料传回指挥中心的客户端，周围的无线传感器网络则时刻收集当前的各种气象及林火因子数据，这些数据将作为现场火情状态监视及火灾扑救的重要参考依据。该物联网智能林火监测平台已经在广东和山东等地投入使用。

三、结论

多平台林火监测和智能林火监测都有效利用多平台的优势，然而多平台林火监测并未达到不同监测手段间的数据共享。未来的林火监测应充分利用物联网技术，实现天空地技术上的互联互通，实现数据共享，提高林火监测能力，建设智慧林火监测体系。

利用卫星监测面广的优势，结合气象卫星进行林区火险预报；利用航空监测手段的机动性强、分辨率高和准确性高的特点，进行火场探测、火场识别、火点定位以及火场态势；利用航空平台结合通信卫星进行远距离通信，用无人机进行危险区域监测，有人机进行灭火工作；基于近地面监测手段，进行态势感知，瞭望台可进行现场指挥和通信，远程视频则进行远程监测和指挥；地面巡视人员则根据火险预报等级进行关键时期的防火工作；利用物联网技术对林火监测技术之间进行数据共享和融合，实现全方位的林火监测。

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