空天地一體化森林防火監測關鍵技術及實現

袁傳武 張維 王崇順 趙虎 張鵬 劉先貴

摘 要： 本文提出了森林火災空天地一體化監測的體系框架，簡要闡述了森林火災空天地一體化監測的關鍵技術，并在九峰國家森林公園進行了實地驗證。指出空天地一體化森林火災監測方式，是森林火災“早預警”、“早撲滅”不可或缺的重要手段，為全方位監測森林各項環境數據提供了技術支撐，為公共安全管理、重大活動監測、污染防治等其它行業監測應用與應急管理提供了良好的示范和解決方案。

關鍵詞： 森林防火;空天地一體監測技術;空間數據存儲及分析

中圖分類號：S757.1 ??文獻標識碼：A?? 文章編號：1004-3020（2021）02-0066-05

Application of Air，Space and Ground Integrated Monitoring Technology in Forest Fire Prevention

Yuan Chuanwu（1） Zhang wei（1） Wang Chongshun（2） Zhao Hu（1） Zhang peng（2） Liu Xiangui（1）

（1.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075;2.Hubei Tailong Interconnection Communication Co.，Ltd. Wuhan 430072）

Abstract：

The authors proposes a system framework for integrated air-space-ground monitoring of forest fires，briefly expounds the key technologies of integrated air-space-ground monitoring of forest fires，and conducted field verification in Jiufeng National Forest Park.It pointed out that the air-space-ground integrated forest fire monitoring method is an indispensable and important means for achieving “early warning” and “early extinguishment” of forest fires.It provides technical support for the comprehensive monitoring of various forest environmental data，and is important for public safety management and major Activity monitoring，pollution prevention and other industry monitoring applications and emergency management provide good demonstrations and solutions.

Key words： forest fire prevention;air-space-ground integrated monitoring technology;spatial data storage and analysis

“空天地”一體化是指對從空、天、地三個角度進行監測，可擴大監測范圍，保障行業健康發展[1]。國內的電網建設、地質災害、水土保持、城鄉規劃、資源監測、智能交通、礦區監測、海洋探測、大氣污染、鐵路勘察等行業的專家學者均對此進行了研究與應用，為各行各業的監控工作提供有力的技術支持[2-13]。

森林是陸地生態系統的主體，是地球之肺，對生態環境保護具有重要作用。森林火災位居破壞森林的三大自然災害（火災、病害、蟲害）之首，它不僅給人類的經濟建設造成巨大損失，破壞生態環境，而且還會威脅到人民生命財產安全。森林火災所具有的極強突發性和破壞性，使得林火監測成為實現森林火災“早發現”的關鍵所在。

傳統的森林火災監測主要是應用視頻、瞭望塔、人工巡護等方式監控火災的發生，這種方式在火災監測、數據共享、監測效率、火險預測等方面存在監測方式獨立、監測數據分散、監測不及時、預測不準確等諸多缺點。針對傳統森林火災監測方式存在的不足，通過遙感衛星、無人機、高點云臺、地面巡護等建立高效的空天地一體化森林火災監測體系，能彌補傳統森林火災監測方式的不足，對森林資源形成有效保護，成為確保森林火災“早預警”“早撲滅”不可或缺的重要環節，在森林防火領域具有廣泛的應用前景。

1 體系框架

空天地一體化監測即在林區構建完善的“空、天、地、人”森林火災監測網絡體系，形成空（衛星遙感）、天（無人機遙感）、地（高點云臺）、人（地面巡護）四位一體的監測網絡，對森林火災進行天羅地網式全面高效的監測，及對森林火災的預防、控制和撲滅做出有效的信息處理和關鍵決策，并形成一套完備有效的空天地一體森林火災監測系統。

其手段是充分利用遙感衛星、無人機、高點云臺、護林員，形成時空協調、全天候、全天時的森林火災預警系統一體化監測體系。其內容主要包括遙感衛星、無人機、監控視頻、護林員終端等空天地森林火災信息資源的實時采集、匯集、交換、存儲、分析和服務等環節?？仗斓匾惑w化森林火災監測體系框架由感知層、網絡層、平臺層、應用層4層組成（見圖1）。

感知層：是“空天地”一體化森林火災監測體系的基礎和重要支撐，能夠實現對森林火災進行多方位的全面感知。包括遙感衛星、無人機動態監測、高點云臺可見光/熱成像視頻監控設備、護林員手持APP等感知設備。感知層具有巨大擴容能力和適應能力，

網絡層：將各類監測數據進行實時高效傳輸，形成可靠的全覆蓋的數據傳輸網絡。包括北斗通訊衛星、窄帶互聯網、4G/5G網絡、光纖專網、微波等通訊設備。將“天上衛星、空中飛機、山頭監控、林間巡護”的監測實時數據，構建成四位一體的森林火災全天候監測網絡。

分析層：對歷史數據和實時監測的海量數據進行挖掘分析，準確地預測、預警森林火災的發生。包括數據存儲及處理、數據挖掘、大數據分析、數據可視化展示等。通過大數據技術，清理整合、分析挖掘，形成完整、標準化、高質量的森林火災監測數據供給源。

應用層：集熱源探測、數據收集、視頻聯動、生態監測、地理信息、預警預測、應急指揮等功能為一體，將各類林火信息資源共享、各種通信網絡互連互通，為森林防火預警監測分析決策和快速指揮調度提供了一個完善的技術體系。保障衛星、無人機、高點云臺以及防火人員等監測數據實時聯動與協同。

該體系結構具有跨區域異構平臺級聯、綜合林火信息全景視圖、森林資源全景高清視頻監視、遠程移動監控桌面、火災視頻智能監視與人工巡檢結合、森林火災高清視頻的圖像矯正與虛擬云臺等特點，是完備有效的空天地一體化監測技術。

2 關鍵技術

其關鍵技術是空間數據存儲及分析。由天上衛星、空中飛機、山頭監控、林間巡護所采集的高精度和現勢性的森林火災監測數據，具有多源、多類型、多尺度、海量的特點，數據類型包括點線面的矢量要素，以像素為單元的柵格要素，以及相互關聯的屬性要素等。必須采用高可靠、高性能和可伸縮地理空間數據分布式計算和存儲管理技術，才能實現高效無縫地分布式存儲管理，包括多尺度地圖矢量數據、多時相高精度衛星遙感數據和無人機高分航空數據、DEM、視頻數據、文本數據等，開發并實現各類TB級地理空間數據的存儲模型、組織模型，矢量數據劃分、柵格數據分塊存儲策略和分布式空間索引等功能。

通過多尺度變換、多時態綜合、多尺度空間數據整合、數據集成，實現森林火災靜態數據和時態數據集成、空間矢量數據與柵格數據集成、拓撲數據和非拓撲數據集成、空間數據和屬性數據集成、離散數據和連續數據集成、結構化數據和非結構化數據集成等，實現各類監測數據的調整匯聚、統一集成和共享應用（圖2）。

數據集成實現兩大功能：一是基礎數據和共享數據的交換服務和路由流程管理，包括：動靜態交換數據、圖形數據及表格、統計資料等屬性數據;二是系統之間的接口實現，實現系統之間的數據共享和傳輸操作。外部系統數據在對接時，各類數據接口遵循系統集成規范。

數據處理與分析主要包括數據導入/導出，數據預處理等功能，并提供數據分析，數據挖掘，數據融合功能。利用GIS空間分析方法、人工智能方法、空間統計方法等，建立地理時空數據動態挖掘方法庫/模型庫，形成動態挖掘模型庫，進行空間數據融合分析應用，基于多源數據融合分析技術，提供各種智能化服務，例如路徑分析，主動推送等?？臻g信息可視化分析將林火數據、數據分析處理結果等采用圖形、圖像，結合圖表、文字、報表，以可視化形式，實現交互處理和顯示。

3 具體應用

九峰國家森林公園位于武漢市東郊，占地面積330 hm2。森林覆蓋率達85%以上，是武漢地區森林面積最大的綠色資源寶庫，也是武漢市城市森林和生態保護區核心區域。園區周邊人員流動頻繁，火源的管理難度大，容易引發重特大森林火災，森林火災一直困擾著該區域。如何準確預測森林火災和林火行為，有效避免林火的發生，成為公園管理部門當前十分重要的研究課題。

公園管理部門在原有森林防火設施基礎上，應用云計算、物聯網、移動互聯網、大數據等新一代信息技術打造了空天地一體化的森林防火預警監測平臺，實現了預防、監控、報警、指揮、撲救、損失評估等全方位數字智能一體化聯動功能。在森林火災監測與預警方面，集成了衛星遙感、無人機監測、高點云臺、地面巡護等監測設備，實現了空天地一體化森林火災實時聯動的監測預警功能。即防火平臺進行國家森林火災遙感衛星告警信息的快速響應，通過位置坐標實時聯動高點云臺攝像機、無人機等確認火情;無人機搭載熱紅外監測設備實時聯動巡檢高點云臺監測盲區;在高點增設視頻智能預警監測設備，實現360°全方位監控和火點的智能識別，發出報警信號在GIS地圖上定位顯示;護林人員通過手機APP平臺，實時聯動并監控林火狀況（圖3）。

具體監測過程：日常的火情監測，通過布設的兩個高點云臺上掃描半徑為5 km的雙光譜攝像機，全天候24 h自動監測330 hm2林地資源面積。一旦發現疑似火情，通過自主研發的智能圖像煙火識別算法，迅速準確定位火點位置。第一時間以3種方式報警，一是監控中心響起警報聲;二是報警信息顯示在監控中心大屏;三是手機APP同步顯示報警信息。平臺會根據發生火場周邊區域內的防火設施情況，自動生成應急預案，第一時間將起火時間、地點、風向、風速、地形、坡度、溫濕度、植被類型、人員布署等相關信息推送給一線撲救人員與指揮人員，供撲火決策使用?；鹎橐坏┐_認，無人機將實時聯動起飛，獲取視頻影像信息實時回傳監控中心。護林員根據平臺提供的最佳路徑，前往起火點進行現場拍照取證。

當發生較大火災時，按照國家防火監測衛星提供的坐標信息，正常巡航的高點云臺將高清攝像鏡頭對準起火點坐標位置，進行火點識別、核準并確認;如果該火點位置位于高點云臺監控的盲區，無人機則實時聯動起飛，將起火點視頻信息回傳監控指揮中心，供值班人員確認;護林員則通過手機APP，按照平臺提供的最優路徑，前往火點進行現場確認，拍攝照片或視頻上傳平臺。值班人員通過各種監控設備的信息整合，綜合判斷并核準該起火點信息。圖4為模擬國家林火監測衛星的坐標信息，通過多旋翼無人機、高點云臺攝像機以及防火人員的實時聯動，成功實現了空天地一體化森林火災的精準監測。

4 結論

（1）空天地一體化森林火災監測方式，是森林火災“早預警”“早撲滅”不可或缺的重要手段。利用遙感衛星、無人機等獲得的整體監測資料與高點云臺、護林員等獲得的地面監測數據，進行互相補充及對照，可獲得更全面的森林火災監測數據。該監測方式在九峰國家森林公園進行了實戰演練，達到了預期效果，做到了森林防火做到了災情早發現、早撲救，實現了森林火災動態監測的科學化、信息化、規范化和高效化。為公共安全管理、重大活動監測、污染防治等其它行業監測應用與應急管理提供了良好的示范和解決方案。

（2）森林火災具有突發性和破壞性的特質，使不同的林火監測設備在時空監測能力和監測數據采集能力方面存在差異，一種監測技術難以實現所有火災數據的采集。傳統的林火監測是以對火情的發現為目標，重點在于發現，而空天地一體林火監測的重點在于監測信息共享和林火信息研判，為林火撲救、科學決策提供數據支撐。因此，需要對各種監測技術進行組合，才能實現全天候、全覆蓋的森林火災實時有效監測與火情及時分析研判。

（3）以云計算、物聯網、移動互聯網、大數據為代表的新一代信息技術正成為推動森林防火科技化、智能化轉型升級的新動力。采用高科技手段，構建森林火災監測體系，創新預警監測模式，對提升森林火災綜合管理水平和效率具有十分重要的意義。而基于5G、人工智能等技術，采用多層級的智能化管理體系，多級部署，前端感知采用邊緣計算技術直接對終端設備進行過濾分析，接入多種傳感器，可全方位監測林區各項森林環境數據，是未來發展的必須趨勢。

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（責任編輯：鄭京津）

收稿日期：2020-11-12

基金項目：湖北林業信息化重點項目“湖北森林防火網絡化預警云平臺建設技術及應用”（HBLY2014-002）

張維為通訊作者。