基于物联网和人工智能技术构建森林火灾预警体系思考

张明玥，蔡特金,赵 航

(1.南京林业大学 经济管理学院，江苏 南京 210037；2.南京邮电大学 管理学院，江苏 南京 210023)

1 引言

数据显示，2019年我国共发生森林火灾2345起，受灾森林面积约13505 hm2。森林防火工作已经引起了政府和社会各界的高度重视，成为中国防灾减灾的重点工作之一。但作为突发性强的自然灾害，森林火灾瞬息万变，扑灭工作危险重重，如何准确实现对森林情况的实时监测，建立完备、有效的森林火灾预警体系，落实“打早、打小、打了”的林火预防扑救方针，已成为我国亟需解决的问题。

2 森林火灾预警体系现状

2013年第八次全国森林资源清查结果显示，虽然我国的森林总面积已达2.08亿 hm2，森林覆盖率提高到21.63%，但仍是一个缺林少绿、生态脆弱的国家。森林覆盖率只有全球水平的31%，人均森林面积也只有世界人均水平的20%，要想从根本上改变我国森林资源总量相对不足、质量不高、分布不均的现状，一方面，要大力发展生态林业民生林业，保证森林蓄积、森林面积双增长；另一方面，要重视现有森林资源的保护。我国从20世纪中叶开始重视森林火灾防控和预警领域的研究，借鉴了其他国家的研究成果和经验，结合我国国情，不断完善森林火灾预警体系。目前我国的森林火灾预警主要有以下几种方式。

2.1 地面巡逻

地面巡逻是人类应对预防森林火灾最早采取的方式之一，主要通过地面人员在一定范围的森林区域内实地巡逻，来达到预防火灾、发现火灾的目的。我国各地均有严格的野外巡查制度，在森林防火的重点时段和重要部位约有30万人的护林员队伍巡查巡护。

2.2 瞭望塔监测

与地面巡逻相比，护林人员只需站在瞭望塔就可以观测到一定范围的森林区域，节省人力投入的同时，扩大了监测面积。国家林业局的数据显示，截至2016年8月，我国已累计建成了9312座人工瞭望塔，提升了森林火灾的监测效率。

2.3 航空巡视

相比人工和瞭望塔2种巡视方式，配置相关监测设备的飞机和无人机可以监测更大面积的森林区域，也可以在发生森林火灾时，从高空实现对火情走势的灵活监视。我国现有1.68亿 hm2的森林可以实现飞机巡航护林，森林航空消防覆盖率超过50%。

2.4 卫星遥感监测

我国已在北京、哈尔滨等4地建成了卫星林火监测中心。卫星遥感技术能够不受地形等因素的影响，全天候、全时段对森林实施监测，通过卫星上搭载的光学摄影机和光谱分析设备，识别异常，并传送到地面接收站，达到森林火灾预警监测的目的。

3 存在的问题

近年来，随着科技的不断进步和发展，我国开始将无人机、雷达监测、无线传感器等新技术应用于森林火灾预警体系中，已经形成了地面巡护、高山瞭望、飞机巡航和卫星遥感有机结合的立体森林火灾预警体系，火情瞭望覆盖率达到68.1%，初步实现火情“早发现”。但与加拿大等森林资源总量同样丰富的国家相比，我国的森林火灾预警体系仍不够完善，存在一些问题。

3.1 森林火灾预警系统发展未成体系

我国南北气候、植被差异性较大，林火预警系统往往由各地区的林业局等机构各自搭建，缺乏统一的森林火险预警平台建设。已有的火险预报模型不能针对各地特殊的地形地貌和气象环境特征，适用性较差。且我国现在使用的卫星遥感监测技术，主要通过图形图像比对等方法，发现火灾并及时发出警报，但我国的卫星遥感空间精度不足，预报结果误差较大，识别能力有待提高。

3.2 林火监测信息化水平低

我国森林面积广大，当前全国林区的防火通讯覆盖率仅有70%，许多区域尚未覆盖通讯信号，护林人员的机动通讯得不到应有的保障。此外，一些森林防火指挥中心设备老旧，基础网络建设滞后，指挥中心、检查站、瞭望塔和护林人员难以实现信息的互联互通，大大降低了林火预警的工作效率。

3.3 森林航空消防供需矛盾突出

航空消防是森林防火预警体系中的新生力量，航空巡视能够覆盖复杂地理条件下的森林区域，有助于早发现、早扑灭森林火灾。近年来，我国森林航空消防能力显著提升。目前已建成了北方、南方两大航空护林总站，年租用飞机80架。但同样森林覆盖面积广大的加拿大，有超过1000架灭火飞机为该国3.1 hm2的森林保驾护航。可见，我国的森林航空消防飞机总量不足，缺口巨大，尤其缺少能够适应高海拔地区作业的大中型灭火飞机，阻碍了森林航空消防发挥其在森林火灾预警体系内应有的优势。

4 构建基于物联网和人工智能技术的森林火灾预警体系

4.1 完善现有森林火灾预警体系

森林火灾预警是森林火灾“早发现”的关键环节，我国主要通过护林员地面和瞭望塔巡视、航空巡视和卫星遥感监测4种主要方法预防森林火灾。但由于人工巡视范围有限、瞭望塔布局存在盲区、卫星遥感精度不佳等问题，导致我国的森林火灾预警体系综合应用能力不足，制约了预警体系的实际运用。因而必须完善现有的森林火灾预警体系，充分发挥护林员、瞭望塔、航空飞机和卫星监测各自的优势，协同配合，提升我国的森林火险预警能力。

(1)需要在国内已有森林火险预警系统的基础上，充分了解森林火灾预警的需求，由政府牵头，与具有实力软件公司合作，开发基于多源信息融合的森林火险预警模型及与之配套系统软件，建设全国性的森林火灾预警平台。各省市可以在同一平台的基础上，根据地区特点进行针对性的改建，实现平台落地，并直接负责辖区内监测站点的运行维护和管理工作。

(2)对现有的瞭望塔进行升级改造，配备必要的生活设施、瞭望监测及语音通信设备，适当新建瞭望塔，在林火预警一线形成护林员人工地面巡视和瞭望塔高处瞭望相辅相成的预警体系。护林员发现火情时可以第一时间联系附近的瞭望塔传递信息并获取支援，瞭望塔在发现异常时也能及时与护林人员联系实地排除隐患。我国目前采用的卫星火情监测主要采用人工判读的方式，由值班人员对卫星传回的影像数据进行分析判读和火情发布，当卫星监测到的热点达3个像素时，林火往往已经蔓延开来。随着我国目前使用的在轨卫星数量的不断增加，这种人工判读方式能够处理数据量已经不适合应对庞大的卫星遥感数据。因此，我国卫星林火监测系统的当务之急就是利用人工智能、大数据等新兴技术，搭建森林防火卫星数据收集分析处理的云平台，提高数据的应用效率和森林防火的信息化、智能化水平。

4.2 建设森林防火通信和信息指挥系统

我国现有森林防火通讯网络尚未覆盖全部森林区域，森林防火信息化程度不高、人员和各单位间的信息共享能力较差，未来应依托5G通信、北斗卫星体系，建设森林防火通信和信息指挥系统，全面提高森林防火预警体系的综合保障能力。

北斗卫星导航定位系统的成功建成，让中国成为继美国和俄罗斯之后世界上第3个拥有成熟卫星导航系统的国家，中国从此有了自主研发、具有独立知识产权的卫星定位与通信系统。北斗卫星导航系统覆盖了中国及亚太大部分地区，具有定位准确、抗干扰性强和无通信盲区等特点，并且开放了民用通信功能和短报文功能。我国未来应依托北斗卫星构建林火卫星通信网络，推动卫星通信和已有的森林防火有线网、无线网的深度融合，确保发现森林火情的第一时间，各消防单位就能及时启动灭火方案，争取将林火扑灭在萌芽阶段。除日常通信系统，还应建设机动通信系统。此外，在发生森林火灾或对森林的重要敏感区进行巡查时，还可以使用综合通信车作为机动通讯手段，保障一线和指挥部的信息畅通。依托森林防火通信系统的构建，我国可以建设覆盖全国范围的林火预警综合智慧调度平台，实现林火预警信息在国家、省、市、县各级的自由流通，提升信息共享和资源整合能力，也有利于火情发生时最大限度调动各方资源，及时排除隐患、扑灭林火。

4.3 加强森林火灾预警先进技术的研究与应用

物联网技术的出现被看作是科学技术和人类生活发展的一次重大变革，可以用来解决人们生产生活中实际问题，我国也应将物联网的先进技术运用到森林火灾预警体系中。目前，物联网架构一般分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层主要是通过各类传感器感受和采集周边环境信息，如温度、湿度等，并将信息转化为电信号传递出去。网络层是通过通信网和互联网，将感知层获取的数据传递到不同的终端设备，供人们使用或分析。应用层顾名思义，就是对获取的数据进行利用，尤其是在有了人工智能之后，计算机算法能够帮助人类快速有效地处理更加庞大的数据，让数据分析造福更多人。我国目前较多使用抛物线法、椭圆方程法等林火蔓延模型，但是这些模型往往不能将可燃物、坡度等空间地理信息因素纳入分析中，导致在实际使用时不能很好地预判火势走向，甚至导致林火蔓延和较大的人员牺牲。人工智能可以处理更多的数据，选取最适合森林火灾发生地的模型进行推演，协助指挥中心统筹全局，防止森林火灾蔓延。

当搭建的物联网林火预警系统运行时，首先会通过分布在森林地面的无线传感器节点对周围的环境数据进行采集，包括温度、湿度、光照度、烟雾浓度等数据。收集到的数据会通过预设的无线网络传输至调节器节点，汇总至当地林火预警指挥部门，并结合瞭望塔和卫星遥感拍摄的森林实景照片，及时发现森林中的温度过高区域或小型火点，进行灭火作业。除了通过无线传感器获取森林数据，也应深化和各地气象部门的合作，实现气象部门实现数据的互通和共享，避免重复建设森林内部传感器，浪费国家资源。同时，气象部门对气象数据进行采集与分析的工作已有数十年的历史，可以通过气象部门的数据库扩展森林防火的气候信息数据库，帮助算法模型更准确地对森林火险进行预警。

4.4 构建空地一体的森林火灾预警体系

(1)应增加森林航空消防的飞机数量，填补我国航空消防飞机总量和需求间的巨大缺口。为了保证消防飞机的使用效率最大化，可以采用中央财政补助飞行费的方式，鼓励航空公司购置森林航空消防的专用飞机。政府在需要，通过向航空公司购买服务的方式使用森林航空消防飞机，确保有限数量的航空消防飞机能够在不同省市范围的快速调动，降低消防飞机的闲置率。政府也需在航空企业购置消防飞机时，通过政策进行引导，针对使用场景的不同，采购不同类型的消防飞机，满足各地林场的多样化需求。

(2)除了需要在数量上进行增加，我国还需提高森林航空消防预警的科技含量。无人机小巧轻便，其在低空飞行不受地形条件的限制，可以用于林场巡视，及时发现森林中的异常情况。无人机还可以进行精准的小范围灭火，搭载灭火弹的多旋翼无人机可以迅速赶到着火点，在消防员就位前先行控制火势，有效避免森林火灾扩大带来更大的损失。森林消防飞机则可以搭载空中水炮、新型吊篮、水囊等空中灭火先进设备，用环保高效水系灭火剂取代传统的以水灭火，及时控制森林火灾的火势并进行扑灭。

(3)在完善升级现有森林航站的基础上，合理布建新航站和无人机起落站，提高我国的森林航空消防覆盖率。可以利用人工智能技术进行林火模拟，确定合适的无人机智能起落站位置。当无人机电量过低或气候条件恶劣时，会自动停落在合适的智能起落站进行充电和修整，待情况允许时再进行巡逻或灭火作业。实现安全有序高效的无人机管理，构建空地一体化的森林航空消防模式，可以充分发挥航空预警的优势。