森林火灾动态监测预警技术方案分析

2023-01-04冯奎

农村科学实验 2022年5期

冯奎

（青海省森林草原防火预警监测和物资储备中心，青海西宁 810000）

在我国以及世界范围内，发生过多次森林火灾，因为森林树木具有易燃性，一旦出现火源就会导致火灾快速蔓延，从而导致树木大面积死亡，火灾产生的烟气同时会对环境造成很大污染。我国对于森林火灾的防控管理工作重视程度在不断提升，多项森林防火技术正处于创新的过程中，且一些先进的森林火灾防控方案已经落地，其中动态监测预警技术具有良好的应用效果，能够全面提高森林火灾防控能力，以完善的监测技术对森林整体进行监控。

1.森林火灾动态监测预警应用重要性分析

截至2020年7月28日，澳大利亚丛林大火或已致30亿动物死亡。澳大利亚森林大火的发生，再一次引起世界对森林火灾的关注，使人们更加充分认识到森林火灾的破坏性和危害程度。动态监测预警技术是现代森林防火工程建设中的重要内容，通过采用该防火技术，能够有效解决传统防火技术中存在的缺陷，其主要性主要体现在以下几个方面：

1.1 改善森林环境

森林对于改善生态环境具有重要意义，但是因为森林树木的生长周期较长，如果被火灾破坏，需要很长的时间才能够恢复生态作用。树木在进行光合作用时，需要吸收空气中的二氧化碳，通过森林吸收二氧化碳的作用，能够缓解温室效应，当前世界范围内温室效应较为严重，导致人类的生存环境受到非常严重的破坏。因此保护森林资源就可以有效减缓温室效应，在改善生态环境方面具有重要作用。通过采用森林火灾动态监测预警技术，能够有效控制森林火灾发生，从而改善森林环境。

1.2 促进林业经济发展

林业经济在当前我国社会经济发展中具有重要作用，为了保证社会经济的可持续发展，管理部门必须做好森林火灾防控管理工作。作为对森林资源破坏最严重的灾害之一，通过应用森动态监测预警技术，在降低森林火灾发生率方面具有重要意义，保证相关工作的实效性，可最大程度降低林火发生率，实现对林业资源的充分保护。一旦发生森林火灾，大量的树木就会被烧毁，从而无法作为木材创造经济价值，造成严重的经济损失，不利于我国林业经济可持续发展，所以必须提高森林防火力度。动态监测预警技术能够实现对森林火灾的预防，从而减少火灾发生，同时能够减少火灾发生后造成的经济损失，从而促进我国林业经济发展。

1.3 促进防火技术创新

森林防火工程建设具有复杂性，整体建设难度较高，对于防火技术的要求较为严格。过去我国所采用的森林防火技术较为落后，基本以人工巡检为主，且将防火重点集中在森林火灾的扑救工作中，对于火灾预防工作不够重视。而通过采用动态监测预警技术，能够促进我国森林防火体系全面创新，以动态监测预警技术作为防火工程建设的基础，融合多项信息化技术、物联网技术等，从而能够实现全过程、自动化监测，对于我国森林防火工作高质量开展具有重要意义，所以必须准确掌握动态监测预警技术的关键要点，将其全面落实在森林防火工作中。

2.当前我国森林防火存在的主要问题分析

现阶段，国家对于森林防火工作的重视程度不断提升，在森林防火工作中投入大量的资源，但是受到多种因素的影响，当前我国森林防火工作中依然还存在着一些问题，主要包括如下几项：（1）森林管理部门工作存在问题。森林火灾防控工作对于我国自然环境保护以及林业发展具有重要作用，但是因为缺乏实践经验，森林管理部门当前在森林火灾防控工作中还存在着一些问题，导致森林火灾多项管理规定尚未落实。部分管理人员的森林火灾防控意识不足，导致其对各项工作内容的管理不够到位，不能保证相关监管工作的实效性，从而引起森林火灾防控管理工作过于松懈的问题发生，无法对森林火灾进行实时管理，从而导致森林火灾问题时有发生，造成了严重的经济损失，同时对森林管理人员人身安全造成很大威胁。（2）森林火灾防控工程建设投入不足。森林火灾防火是一项规模较大的工程，需要投入大量的资金、物理资源以及人力资源，但是在我国林业工程建设规模不断扩大的背景下，部分地区却没有投入充足的消防经费，导致森林防火管理可用经费严重不足，且随着科学技术的不断发展，不论是火灾监控设备还是消防设备，都需要充足的资金作为保障，但是显然当前许多地区尚未达到森林火灾防控工程建设投入标准。（3）火灾防控技术缺乏创新。当前我国一些地区，在森林火灾防控管理中，依然采用较为传统的防控技术，主要依靠森林防火管理人员对森林进行巡查，且因为工作性质的关系，森林火灾管理人员普遍年龄较大，缺乏专业的森林火灾防控知识，无法有效识别可能引起森林火灾的危险源。现代化森林火灾防控工程的建设，必须采用科学先进的防控技术，才能够提高火灾防控管理工作实效性，但是显然当前森林火灾防控管理技术严重缺乏创新。

3.森林火灾动态监测技术应用现状分析

当前，世界范围内所应用的森林防火技术主要包括：（1）卫星巡回监测技术。卫星巡回监测技术在我国具有广泛应用，但是因为卫星信息存在15%以上的误差，在通过卫星监测技术发现森林火灾时，森林已经出现较大的燃烧面积，在森林火灾的提早发现和防控中效果较差。（2）护林飞机结合红外遥感技术。美国在采用无人机驾驶森林火灾预警的工作中，虽然取得一定效果，但是需要花费大量的成本，并且部分卫星的运行轨道和周期不科学，导致其在北美上空存在12h以上的空白时间段，在图像传回时间以及图像准确性方面都存在着一定问题。（3）红外线成像技术。加拿大在1975年开始尝试采用红外线成像技术，在其试验过程中，利用AGA750便携式热成像仪对火灾进行监测，但是因为实用性较差，所以没有得到推广；在其他一些国家的试验中，主要采用从地面进行监测的方式，但是因为森林中树木林立，导致火源和热成像仪之间存在较多的树干遮挡，从而难以及时发现火灾。（4）陆地数字化远程监测系统。德国采用的FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统，是一种陆地远程监测系统，能够对大面积的森林实现远距离监控，与我国的传统视频监控技术相似，但是因为该技术数字化程度较高，所以系统综合造价成本较高，不适合大范围使用。

世界各国虽然都在森林防火技术中不断创新，但是当前依然没有产生最佳的方法，受到成本、实用性以及准确率等多项因素的限制，世界范围内森林防火技术始终没有取得较大实用性。

4.森林火灾动态监测预警系统分析

通过上文的分析可以看出，森林火灾防控对于我国发展具有重要意义，但是因为缺乏科学的防护手段，导致森林火灾防控工作尚未全面落实。为了构建完善的森林防火机制，确保森林动态预警监测系统实现，在林业部门改革的大背景下，林业部门需要做好森林防火工程建设工作。因此，青海某地区林业管理部门协同其他部门设计开发一套森林火灾动态监测预警系统，在青海地区进行试验，以下是本次森林火灾动态监测预警系统的具体情况。

4.1 系统测试地点选择

本文选择以青海某高寒地区森林草原过渡带为试验研究对象，在该过渡带内选择2个监测点，通过采用GPS定位确定地理坐标；前端监控点位设置在当地林场的望火楼中，后端设置在当地森林防火办公室，前端监测点位到后端监控中心的直线距离为30km，前端监测点具有高度为35m的铁塔，能够满足监测要求。

所选择的区域在全球气候变暖、极端气候频繁发生的背景下，近些年来出现了严重的持续干旱问题，对于森林火灾防控工作造成十分不利影响；当地每年春耕、造林以及秋季收获时期，野外用火增加，会提高森林草原火灾发生概率；在天气回暖时，外出踏青休闲的人员增多，野外火源管理工作难度较大，会增加火灾隐患。在本次森林火灾动态监测预警系统布置前，对该区域的监测、林火阻隔系统以及航空巡护系统等数据进行采集，对森林火灾以及其特点进行分析。因为森林火灾动态监测预警能够全天候对森林、草原进行监测，每日对瞭望塔周围的数据进行采集，对林火热点进行分析，从而为复杂地形情况下森林火灾的提早发现提供可行方案。

4.2 系统基本构成

本次森林火灾动态监测预警系统在摄像机镜头选择方面，因为前端监测点位视野较为开阔，所以选择采用800mm以上的镜头；用户之间沟通采用微波传输方式，微波不能通视，需要经过一次周转；前端不设置供电，用户交流通过风光互补设备供电，蓄电池单次可工作三天。

4.3 森林火灾动态监测预警系统创新点分析

所选择的青海某高寒地区森林草原过渡带冬季气温极低，该系统测试能够补充高寒地区森林火灾智能预警系统建设中存在的数据缺失问题；该区域云层移动速度较快，对于智能识别会产生较强的干扰，如果能够妥善解决该问题，则能够有效补充森林火灾动态监测预警在这一研究领域中的空白。

4.4 森林火灾动态监测预警系统构成

4.4.1 森林前端监控系统

该部分系统包括红外低照度全天候摄像机、云台控制系统、无线发射前端机、发射天线、供电系统以及基塔等工程，固定安装在森林的制高点中。森林前端监控系统主要用于采集森林监控点的视频信息，经过数字化处理和压缩后通过无线电传输到系统中，且因为多个前端设备安装在野外的较高处，能够保证视野范围，但是存在一定的雷击事故可能性，所以需要做好防雷工作，同时需要采用一定的防盗措施。

4.4.2 用户可编程监控系统

利用摄像头和云台之间的联动，后端控制台能够对前端摄像头进行调节，且采用预位置技术能够提高视频画面清晰度；云台顶部设计能够使其在0°—360°范围内无死角转动，云台高精准度旋转能够捕捉到更多的森林视频信息，同时能够提高摄像机移动率，减少工作周期需要花费的时间；本次森林火灾动态监测预警系统设计超过1020个云台预位置，能够设置多种不同的扫描模式，从而实现云台按照轨迹自动扫描，管理人员能够按照森林的基本特点，依据实际监控需求编程设置预位置和扫描轨迹，从而实现对森林的无缝监控；云台不仅自身能够实现水平转动，同时能够对镜头焦距进行控制，从而在很大程度上提高了视频画面信息完整性。

4.4.3 森林视频和参数采集

利用前端基站的数字云台对摄像机进行控制，摄像机能够实现水平360°、垂直±45°对监控区域进行扫描，将扫描后的信息通过微波发射器传回控制中心；前端利用视频处理模块对视频图像进行编码和压缩，通过微波等方式将信号传输到控制中心。

4.4.4 烟火智能识别技术

利用前端烟火智能识别处理器，对视频所捕捉的图像进行实时分析，从而能够有效避免视频画面经过传输后到控制中心在分析而引起的图片精确度较低的问题；烟火在视频图像中的最小靶向面积设计为10*10像素，通过GIS技术能够对起火点进行定位。

4.4.5 前端设备防盗系统

因为前端设备安装在无人值守的森林甚至，所以为了防止设备被盗，在摄像机后方安装一个智能识别处理器，按照安保摄像机动态摄像的图像，设置丢失类报警功能，当有人靠近或攀爬基塔时，会自动触发报警系统，画面会实时传输到控制中心，同时启动现场喇叭播放报警提示，控制中心还可以通过对讲系统进行现场喊话。

4.5 技术路线分析

本次森林火灾动态监测预警系统设计，所采用的技术路线主要包括：（1）远程监控。具有远程监控功能，能够将监控区域的视频图像实时传输到控制中心。（2）视频存储。针对各个基站上传到控制中心的报警视频图像能够实现集中存储，同时满足三个月图像回放的最低要求。（3）报警功能。能够实现全天候无间断布防，森林火灾动态监测预警能够对森林各区硬盘录像机设置报警功能，同时能够接收到林区发出的报警信号，利用GIS技术显示具体报警位置，当发生火灾报警时能够第一时间定位火灾位置同时联动相关工作人员。（4）救火指挥。控制中心能够按照显示屏幕呈现的现场火情动态化图像，以及GIS技术对火灾进行推演，通过网络传输联动具体的救火人员，对森林火灾的救火工作进行指挥。（5）报警系统自检。报警系统能够实时显示故障发生的位置，比如线路中断、设备死机等，从而提高系统故障运行维护效率。（6）视频图像传输。该系统具有视频前端报警视频图像实时上传的功能，远程监控系统具有网络诊断后自动连接功能，从而能够保证视频图像实时传输。（7）智能检索回放功能。本次森林火灾动态监测预警系统设计中支持图像智能检索功能，用户能够按照时间、检测点位以及报警类型等对视频进行检索，同时能够对视频进行回放，能够帮助管理人员对过往的视频进行调取，有利于提高森林火灾分析效果。