森林火情监测系统研发及可视化

陶 冶，陶立清

（1.中国空间技术研究院杭州中心，浙江 杭州 310024；2.中冶检测认证（安徽）有限公司，安徽 马鞍山 243000）

0 引 言

森林火灾是对森林资源、生态系统造成破坏的最主要因素之一，具有破坏性大、突发性强、灾后修复周期长等特点，被联合国粮农组织列为世界八大自然灾害之一[1]。于2019年发生的澳大利亚火灾造成了33人死亡，近30亿只动物死亡或流离失所，给澳大利亚的经济、生态环境、人们的生命安全带来了巨大的威胁。据统计，2010—2021年9月期间，我国累计发生森林火灾39 500多起，如图1所示，尽管森林火险得到了越来越多的重视，林火发生次数也逐渐呈现下降趋势，但近年来仍然有许多森林火灾发生，使得人们的生命、财产损失严重。为此，采取林火监测措施，对森林火点进行实时监控，并对可能发生的森林火灾进行及时预警是十分必要的，从而能够大幅度减少森林火灾发生的数量、降低森林火灾破坏性程度，尽量避免大型森林火灾的发生。

目前，国家和地方林业局通常所采用的林火预警方式是多种监测方式相结合的立体林火监测系统，如人工地面巡护、航空巡护、搭建瞭望台等，同时融合卫星遥感、地理信息系统（GIS）、无人机、全球定位系统（GPS）等技术[2]。林火监测及快响应预警是森林火灾应急响应过程的第一道防线，及时和准确的灾害预报和预警能够为灾害目标地区赢得宝贵的应急准备时间，提前对各类承灾体进行处置，提高全社会应对森林火灾的能力，从而最大限度地节约应急人力、物力和财力，减少灾害造成的损失，降低灾害对社会秩序的干扰。现有的林火监测系统主要存在下列问题：

（1）时空覆盖性不足

不论是人工巡视、地面火灾监视系统、航空火灾监视系统，均存在时间覆盖性不全、空间覆盖性不全、巡视周期长、代价高昂等缺点，导致不能及时发现偏远地区的森林火灾信息，容易错失最佳的扑救时机。

（2）分辨率不足

目前国际和国内森林火灾卫星遥感监测主要以低空间分辨率的卫星遥感为主，但空间分辨率过低导致无法探测规模较小的火灾及掌握详细火场态势。

（3）高分辨率遥感图像的信息获取时效性不足

全球中高空间分辨率森林火灾监测的主要制约因素是海量卫星数据的预处理及火点信息提取的时效性。考虑到火灾周期的短暂性，如不能实时获取卫星数据，则其应用意义将大打折扣。采用传统方式的用户单景数据下载，然后进行信息提取无论是在时间上还是效率上均无法满足需求，迫切需要创新性的手段解决这一问题[3]。“通导遥一体化”技术主要打通卫星、导航、地球空间要素之间的信息桥梁，利用天地互联、统一基准，实现时空融合，在轨遥感卫星实时监测地表林火，通过北斗卫星将火点信息下发给地面监测系统，可以实时地对地面林火进行监测。

数据可视化作为一门新兴学科，使用统计图形、信息图表和其他工具对数字数据进行编码，以便在视觉上传达定量信息，使得人们可以直观观察数据、理解数据规律[4]。目前，以互联网技术为代表的Web前端技术，为数据可视化提供技术支持PC端、移动端等平台。借助Web前端技术，人们可以在计算机、手机、平板电脑上直观地显示和分析数据，提高数据的可访问性和可理解性。因此，研究数据可视化具有很大的实用价值和现实意义。

Web前端系统自成立以来，在数据可视化领域得到广泛应用。黄智煌等人[5]基于3D GIS和物联网建立了一套三维矿山可视化系统，为矿山的运营及管理提供保障。彭曙光等人[6]利用ECharts对网络疫情数据进行展示，以B/S的形式实现了COVID-19疫情信息可视化系统，使得民众对社会风险信息的感知能力大大提升。石伟等人[7]以内蒙古自治区水利数据为基础建立了水土保持可视化系统，并纳入智慧水利平台，为生态环境的改善提供了重要依据。姜博等人[8]采用HTML5+CSS5+jQUeryMobile软件技术对地震监测设备进行统一的数字化管理，大大提高了管理效率。

在林火监测地面系统中，为了解决数据量大、读写速度慢、数据可视化效率低的问题，设计了基于HTML5的数据可视化系统。通过数据采集层收集火情数据（包括无人机、地理信息、林业、气象数据、林区摄像头、卫星遥感数据、用户终端上传数据），以数据接口框架（IOServer）接入关系数据库（MySQL），再通过HTML5对这些数据进行可视化展示。

1 Web前端架构

林火监测流程如图2所示，首先通过数据采集模块收集多源火情信息（包括红外遥感影像、林火摄像头、北斗短报文传递的火点信息、用户移动终端反馈），将这些数据按照类别进行分类纳入数据库，然后对火情数据进行清洗，筛选出实际需要的数据；经过服务端算法处理生成火情辨识结果，最后通过网络模块向各个用户端提供系统服务。

图2 林火监测流程

服务器端软件架构如图3所示，包括数据库、服务框架、网络接口和反向代理服务器等。本文所采用的数据库为关系型数据库 MySQL。MySQL是一款结构化查询语言数据库引擎开源软件[9-10]，数据保存在不同的表中，使用时按照数据保存路径进行检索；服务器端使用Node.js Express 框架、Python Flask框架搭建 Web服务，对数据库中相关数据进行算法处理，并将服务接口封装成RESTful API，返回JSON至云端；HTML5、CSS、JavaScript使用 Ajax 和 RESTful API 构建前端UI界面；用户通过域名发出访问Web服务器的请求，该域名被DNS服务器解析为反向代理服务器的IP地址，当客户端通过网络向系统请求服务时，Nginx反向代理服务器接收网络的连接请求，在本地缓存中查找请求的内容，找到后直接把内容发送给用户；如果本地缓存里没有用户所请求的信息内容，反向代理服务器会代替用户向服务器端请求同样的信息内容，服务器端进行相应的算法处理，然后将服务器端运行的成果返回给Internet上请求连接的客户端，并同步将信息内容进行缓存。

图3 软件架构

2 系统架构

林火警情信息平台软件研制架构形式为B/S架构。根据林火警情信息平台功能完善、便于扩展和迁移的需求，总体架构中从下往上可以划分为数据采集层、数据交换层、数据模型层、应用层、展现层，如图4所示。

图4 系统架构

数据采集层：主要负责支撑系统平台正常运行所需的数据，包括卫星遥感、无人机、林区摄像头、用户终端上传火情、地理信息数据、林业数据和气象数据。

数据交换层：数据采集层所采集的数据通过数据接口框架单向传递到关系数据库，上层框架实现所需数据与关系数据库进行双向交互。

数据模型层：数据模型层的算法模型实现依赖数据交换层所提供的数据。

应用层：基于数据交换层和数据模型层，使用百度地图引擎，实现各类二维和三维可视化、林火预测预报、火灾综合查询等业务应用功能。

展现层：主要有服务器后台、桌面端软件和用户APP，服务器后台负责整套地面系统的数据交互以及服务应用维护，用户APP和桌面端软件作为用户终端向服务器后台申请，从而获得地面林火警情信息平台的服务。另外用户APP作为系统终端，可以反馈、上报火情及上传巡航路径至系统。

3 系统功能

针对实际火情事件，设计业务流程如图5所示。游客可以查看卫星热点信息，开发人员进行后台数据库的更新与维护，管理员负责用户管理。平时未发生火情时，值班人员通过本平台对林区进行火情监测，对接收到的火情进行初步甄别；当发现疑似火点时，通知终端进行确认，如无火情发生，则继续进行监测；若发生火情，终端发出火情报警，系统接收到实际火情事件，进行警情信息分发，通知消防人员进行灭火、指挥中心从全局角度安排指挥灭火，火情结束后进行灾后评估，将这次火情事件所有信息纳入系统数据库。

图5 业务流程

图5所示的业务流程涉及如下功能：

（1）警情监测

警情监测综合利用火情数据构建“防火一张图”、火险等级预报模型；使用卫星星历数据实现卫星轨道可视化并对用户感兴趣区域做轨道过境预报；采用多种方式对林区进行遥感监测；通过卫星与地面站之间构建的有效数据传输通路接收短报文并实时定位判断火点；火点甄别后，快速将火点信息分发给各级消防部门等用户。

（2）灾时动态

灾时动态参考历史天气状况和火灾事件，根据当地海拔、坡向、可燃物类型、风向、风速等因素建立火灾模型，进而模拟火势蔓延；消防部门通过电子沙盘、救援路径分析辅助决策；林区信号不好时，消防人员可利用本警情平台进行短报文实时通信；通过林区摄像头、无人机巡航对现场进行灾时监控。

（3）灾后评估

灾后评估是通过遥感影像处理得到的过火面积矢量边界，叠加林业小班数据，自动估算受灾面积及经济损失；利用火情信息制作火情专题地图、自动生成火情报告；用户终端可向系统上报火情详情。

（4）历史数据

火灾信息管理是对火灾数据的全面管理，主要是按照火灾区域维度和火灾发生时间维度来进行火灾数据的新增、编辑、删除等。火灾信息管理需要在页面上填写相应的火灾信息，当确认提交后，对火灾的基本信息进行保存，从而方便后续对全部火灾信息基于不同维度进行统一查询和分析等。该部分负责搜集用户感兴趣区域的历史火灾数据、实时天气数据等信息，建立火灾数据库并进行信息管理。

林火警情信息平台软件分为两个模块，分别为林火监测预警、系统管理，如图6所示。林火监测预警模块负责软件的应用层功能，遥感监测发现的林区火点经算法甄别后，与火险等级、基础地理数据、防火基础设施、森林资源叠加，构成“防火一张图”，将算法甄别出来的伪热点纳入后台数据库，火势蔓延模拟的结果和最适救援路径都可在电子沙盘展现，为消防员灭火提供辅助决策，四个功能模块相互依赖，均存在数据交互；系统管理模块负责后台数据库的更新、维护以及用户权限管理。

图6 软件功能逻辑

4 应用实现

基于上述技术手段构建的林火监测系统的应用界面如图7、图8所示，监测界面采用“防火一张图”的方式展现，由森林防火基础设施分布、火险等级、林区火点组成，按照地图图层方式显示林区内防火相关的资源，主要功能包括火险等级预测、卫星轨道预报、遥感林火监测、林火信息甄别等；灾后评估是对火灾数据进行分析，利用ECharts、Bootstable生成图表，增加可视化效果。

图7 林火监测

图8 灾后评估

5 结 语

本文设计了林火监测系统的技术架构。经实践证明，该架构具有以下优势 ：（1）架构中使用的都是轻量级解决方案，灵活、可扩展，能适应互联网地图用户需求及使用环境的快速变化；（2）在服务器端使用异步I/O模型提高了应用在高并发环境下的吞吐能力，并通过Nginx反向代理的方式提升了安全性；（3）将应急灾害遥感影像、林火数据、伪热源数据、火灾事件等纳入数据库中统一进行管理，极大地提升了检索效率；（4）整个架构是全开源方案，大幅节省了软件授权费用。在实践中，可根据具体问题调整其中个别技术。当然，该架构也存在一些不足，如 SPA 模式在移动互联网设备中表现不流畅，移动前端的相关技术方案还需优化，这将是下一步研究的重点。