基于空天地立体监测的防火预警技术及应用
基于空天地立体监测的防火预警技术及应用
森林是陆地生态系统的主体，而火灾是森林大敌，森林火灾不仅带来严重的生态失衡、经济损失，更严重的还可能影响人类的生存环境。据统计，2010年至2019年十年间，我国森林火灾火场总面积达到了48.5万公顷，受害森林面积达到了19.3万公顷。因此，做好森林火灾预警监测工作，提前预警、及早发现是切实保护森林资源的迫切需求。
目前，我国森林防火监测主要采取地面巡护、瞭望塔监测、卫星遥感、航空巡护、无人机巡护等手段。地面巡护火情识别率高、定位准确，但受到复杂林区环境影响，效率低；瞭望塔监测覆盖面较大、效果较好，但受瞭望塔数量及人为因素限制，盲区大，监测准确率低；卫星遥感方式探测范围广、搜集数据快，而且收集资料不受地形条件的影响，但受重复周期及探测分辨率限制，难以对林区进行连续的高精度监测，机动灵活性差；航空巡护视野宽、机动性大、速度快，但巡护成本高、存在安全隐患、视频图像无法实时回传，同时受夜航和环境因素影响大，难以长时间连续监测；无人机巡护空间分辨率高、应急机动性强、数据实时性强，但尚未形成规模化应用。基于我国森林防火特点及对预警监测手段分析可知，应充分发挥各类森林防火技术手段优势，构建空天地立体监测的防火预警技术体系。
体系框架
空天地立体监测是以数据为驱动，以应用为抓手，利用空（无人机遥感）、天（卫星遥感）、地（视频监控+地面巡护）构建完善的森林火灾监测网络体系，提供全方位、无死角、实时、高效的森林火情监测，进而实现信息展示实时化、数据分析智能化、决策评估高效化，实现森林防火工作的科学化、现代化、规范化、高效化，做到灾情早发现、早解决，从而真正将“预防监控为主，积极扑救的方针”贯彻到实处。
空天地立体监测手段是充分利用遥感卫星、无人机、视频监控、护林员巡检，形成时空协调、全天候、全天时的森林火灾预警系统一体化监测体系。其内容主要包括遥感卫星、无人机、监控视频、护林员终端等空天地森林火灾信息资源的实时采集、汇集、交换、存储、分析和服务等环节。空天地立体监测体系框架由数据采集层、数据资源层、应用层、展示层、用户层组成，如图1所示。
图1 空天地立体监测防火预警技术体系建设框架图
1．数据采集层
数据采集层是空天地立体监测体系的基础和重要支撑，包括遥感卫星、无人机动态监测、视频监控设备、护林员手持APP等感知设备，能够对森林火灾进行多方位的全面感知，构建一体化的林业监测采集体系。
2．数据资源层
数据资源层为空天地立体监测的数据中心，存储各类空间和非空间数据，包括公共基础数据库、林业基础数据库、遥感数据库、视频图像库、林业专题数据库、林业综合数据库、林业运营服务库、目录与元数据库、运行支撑数据库等。
3．应用层
应用层主要利用各类数据的挖掘、融合和应用，依据森林防火全流程定制业务应用系统。包括火情应急指挥驾驶舱、灾前监测预警子系统、灾中指挥扑救子系统、灾后灾损评估子系统和监测预警核查APP。
4．展示层
展示层主要包括PC端、移动终端和大屏展示等，可视化展示森林火灾高风险区综合治理的建设成果。
5．用户层
用户层包括部门领导、内部单位用户、外部单位用户。用户通过单点登录、安全认证等实现对各个森林防火监测系统的使用。
关键技术
建立空天地立体监测的防火预警系统，需要在研究系统框架结构的基础上，解决系统所涉及的森林资源分布本底数据、细化森林火险等级、卫星遥感的火点烟雾识别等关键技术问题。
1．森林资源分布本底数据构建
依托雷达和高分辨率光学卫星遥感数据，动态收集区域森林类别样本库和特征向量集，通过融合不同数据源的样本特征，构建多特征森林分类机器学习模型，根据多维分类指标选取区域最优分类模型，提取近实时的高时空分辨率森林分布信息，构建森林资源分布本底基础数据，基于此本底数据对森林资源分布区域进行重点监测和预警，加强监测预警目的性和提高关注度。
2．精细化森林火险等级划分
以地区森林可燃物类型分布、社会性火灾因子、地形地貌特征和气象预报数据为主要参考火险因子，运用大数据融合技术分析地区历史火灾发生特征，依据森林火险和多元参考火险因子的关系构建具有动态优化、适用性强的森林火险等级预报模型，全面评估地区森林火险等级，形成区域精细化的森林火险等级预报，为日常的森林火灾风险防控工作提供客观依据。
3．基于卫星遥感的火点烟雾识别算法
在森林防火监测预警场景中，针对卫星遥感火情精度较低的问题，基于多源遥感卫星数据（静止卫星+极轨卫星）、气象数据、火险因子数据、土地利用类型、地形地貌等数据，构建基于卫星火点烟雾识别算法遥感大模型，利用晴空火点判识、薄云下火点判识、地面固定热源点去除、云污染去除、太阳耀斑区域去除、各通道背景温度计算等方法，选取火点烟雾识别精度最优的模型，并进行符合地区特色的算法定制优化，通过对各类云层对火点监测所产生的影响进行针对性优化，减少火点漏报和误报，整体提高卫星火点监测精度。
具体应用
空天地立体监测的防火预警系统集成多路告警来源，形成空天地一体化预警监测网络，实现地区森林火灾全域、全天候的监测预警。在北京市森林防火遥感监测项目中，利用空天地立体监测的防火预警系统，实现北京市空天地一体化森林火灾实时联动的监测预警。
1．卫星遥感监测
卫星监测具有覆盖面积大、时效性高、连续性强等优点，不仅可对林区的森林资源及火情等进行日常宏观监测，而且还可对森林火险因子、森林火灾的燃烧状况、火灾损失及灾后森林植被恢复等进行长期连续跟踪监测，从而为森林火灾的预防扑救和灾后恢复重建等决策工作提供科技支撑。
空天地立体监测的防火预警系统与北京市气象部门合作，共享气象部门卫星数据接收和处理系统。建立卫星林火监测市级处理机制，承担辖区内的日常监测工作。调阅卫星影像，及时、细致判读卫星热点，快速通知基层核查，跟踪林火扑救动态，提高卫星遥感监测作用。
（1）卫星实时影像数据展示
接入卫星遥感影像图，动态展示最近12小时内卫星云图情况，支持近12小时内任一时间段卫星云图查询播放，并支持分享（图2）。
图2 森林防火遥感监测服务卫星云图查询
（2）卫星遥感火点监测产品展示
在地图上展示卫星遥感火点监测产品，主要包括展示火点时刻表、火点信息表、火点详情和历史记录，展示信息包含火点经纬度、所属行政区划、火点下垫面类型、明火面积、火点像元数等，亦可查看卫星影像真彩合成图、红外影像图以及火点分布图（图3）。
图3 森林防火遥感监测服务火点监测产品
（3）卫星遥感火点查询统计
根据卫星数据源种类、行政区划、时间段选择的条件进行空间和属性查询统计，展示所选择火点分布情况，支持显示火点热力分布图。主要展示内容包括火情列表和火情统计（图4）。
图4 森林防火遥感监测服务火点查询
2．无人机监测
无人机的灵活性较强，可以在较短的时间内获取多个区域的林区信息。与地面人工巡查相比，无人机监测的范围更大，监控的时效性更强。无人机可搭载空中处理模块与地面处理模块共同构成火情监测系统，以既定的线路巡查空中林区概况，将巡查中获取的影像及信息直接反馈给地面指挥中心。另外，无人机也可在巡查中第一时间发现森林火灾，精确火场位置，及时采取扑救措施，一方面可以改进巡查效率，另一方面也能提高监测及管理水平，基层人员的工作压力明显减小，减轻护林人员的劳动强度。
空天地立体监测的防火预警系统建立无人机日常巡护机制，补齐20%的视频监控盲区，实现北京市内的森林火情监测全覆盖。利用无人机搭载红外热成像摄像机，根据地面指令或规划好的航线飞行。无人机可以使用搭载的红外热成像相机实时探测森林指定范围的环境温度，通过嵌入式设备分析可疑火点，同时搭配自动告警功能模块。一旦探测仪检测出超出设定热点阈值的可疑点则自动发出报警信号，同时开启自动定位扫描功能，对着火点进行二次研判，确认为着火点之后立即向平台发出报警信息。
3．视频监控监测
森林火灾视频监测主要运用视频监控技术和网络传输技术将安装在不同位置的大型户外摄像系统拍摄的林区影像信息实时、清晰地传输到森林监测预警中心，基于图像智能识别技术对图像进行自动分析处理，一旦发现烟、火等疑似警情，自动触发报警并联动相关单位，是一种智能森林火灾监测方式。
空天地立体监测的防火预警系统通过合理布局，已建设712路林区视频监控，可覆盖北京市80%的林区。前端的高清网络摄像机通过接入层的光纤收发器接入到视频传输网络中。光纤专线接入监控中心中，通过和汇聚层设备的级联，将前端所有监控区域发送的数据信号，在其内部完成高速的数据交换，内容包括不同数据流格式（如视频、音频、控制、开关量等）和不同的主机地址，以对应后端中心的各种综合应用。通过这些摄像头远程视频监测，为森林防护监测提供了可靠的技术支持，大大提高了系统的科技含量和自动化水平，减轻了值守人员的劳动强度。
4．人工巡护监测
人工巡护是地面巡护人员采取徒步或者利用交通设施按照一定的线路对林区内的森林防火情况进行巡查。地面巡护在预防森林火灾方面起到了重要的作用，是目前森林防火重要的措施之一，在航空和卫星监测下，与视频监控和瞭望塔监测一起形成良好的监测预警效果。
空天地立体监测的防火预警系统开发了森林火灾监测预警核查APP应用，可通过系统自动下发巡查工作内容、巡查对象等信息至APP端，巡查人员根据提示，对火情易发区域和火情高发区域进行巡检，现场采集与发现巡查隐患信息，并通过移动端快速上报，实时预警，最后将巡查结果自动汇总到系统管理平台。同时，监测预警核查APP可根据卫星定位功能，记录护林员巡护轨迹，并在系统综合指挥端进行查询统计。
应用效果
北京市森林面积达80余万公顷，山区大量灌木、杂草、枯枝落叶不断积累，使得森林火灾风险不断提升。同时，存在林火监测有盲区、火情发现不及时和调度效率不足等情况。因此，需加强监控、预警及指挥能力的建设。
空天地立体监测的防火预警系统集成了卫星遥感、无人机监测、712路林区视频监控、282座山区瞭望塔和4.3万余名护林员，实现了空天地一体化森林火灾实时联动的监测预警功能。
1．提升森林防火监测速度与精度
空天地立体监测的防火预警系统使用我国风云系列卫星，日本向日葵9号卫星，以及美国NOAA、EOS、NPP等静止、极轨遥感卫星进行监测。通过卫星组网及算法模型，达到每10分钟一接收、15～30分钟一处理的火点监测频率。同时，林区712路监控覆盖约80%林区，结合无人机日常盲区巡护，实现北京市森林火情监测全覆盖，基于火焰和烟雾识别算法能够精准识别图像中的火点。系统运行以来，卫星共监测372764次，累计预警1423次，监测到火点7起，全面提升了森林火情监测速度与精度。
2．加强森林防火监测响应速度
空天地立体监测的防火预警系统可以对监测预警快速响应，通过火情位置坐标实时联动监控视频确认火情，若在视频监控盲区，则无人机搭载热红外监测设备实时联动巡检。同时，第一时间将火情预警信息及专题产品推送至护林员的手机APP，并规划最短路径，帮助护林员快速到达火情预警现场，及时对火点信息进行核查反馈，现场核实结果快速上传至后台并同步至所有APP用户，使所有业务人员能够快速知道现场核实结果，为接下来的扑救提供支撑。
3．科学调配扑火力量
尽管森林火灾具有突发性，但空天地立体监测的防火预警系统可根据林区的温度、湿度、风向、风速、地表可燃物、地势情况，建立数据分析模型，得到森林火险发生的规律，预测森林火灾发生的概率及灾损情况，进而划分不同的森林火险分级监测区。同时，还可以通过对历史火灾数据的分析实现对现势森林小班进行分析统计，比较分析出最容易发生火灾的区域。各部门可通过系统发布的火险情况科学调配防火力量。
4．夯实巡护责任
空天地立体监测的防火预警系统可实现位置巡护、轨迹查询、火点事件上报等功能。巡护工作中实时记录巡护轨迹并可以上传到服务端，发现火点或可疑事件可以实时拍照上传，位置信息可以在平台实时展示，压实护林员在巡护时间、责任林区和巡护距离等方面的责任。
结论
通过卫星遥感监测、无人机智慧监测、视频智能监测和人工巡护等方式，结合基础地理信息及林业基础信息，运用物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术构建空天地立体监测的防火预警体系，使森林防火监测速度与精度得到提升，防火监测响应速度得到加强，防火力量更加科学调配，夯实巡护责任。同时，空天地立体监测的防火预警体系的建设有利于地区健全林火通信网络，实现资源共享，加强地区森林火灾综合管控能力，指导地区森林防火监测体系的科学发展，推进生态文明建设。