摘要 對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)及相關(guān)技術(shù)方面取得的研究成果進(jìn)行了總結(jié)，主要包括地面及近地面監(jiān)測(cè)、航空監(jiān)測(cè)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感聯(lián)合地理信息系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并對(duì)今后的研究和發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 森林;火災(zāi);監(jiān)測(cè);技術(shù)

中圖分類號(hào) S762 "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A "文章編號(hào) 0517-6611（2014）32-11355-03

Review of Forest Fire Monitoring and Interrelated Technology

PENG Yu1，2， CAI Bangcheng2

（1. East China Jiaotong University， Nanchang， Jiangxi 330013; 2. Nanjing Institute of Environmental Sciences of the Ministry of Environmental Protection， Nanjing， Jiangsu 210042）

Abstract The recent progress in forest fire monitoring and interrelated technology both domestic and overseas was reviewed， mainly including surface and near surface monitoring， air monitoring， radar monitoring， satellite remote sensing combined geographic information system monitoring， wireless sensor network technology， and future prospect in both research and development directions was presented.

Key words Forest; Fire; Monitoring; Technology

森林火災(zāi)，也被稱為野生大火，是一種突發(fā)性強(qiáng)、危害性極大的自然災(zāi)害，被認(rèn)為是21世紀(jì)最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1-2]。全球范圍內(nèi)每年發(fā)生森林火災(zāi)幾十萬(wàn)次，受災(zāi)面積達(dá)幾百萬(wàn)公頃，約占森林總面積的0.1%，森林火災(zāi)在毀滅森林資源的同時(shí)會(huì)燃燒基礎(chǔ)設(shè)施，可能會(huì)在城市附近造成重大傷亡事故[3-4]。常見(jiàn)的誘因包括閃電、人為野外違規(guī)用火、燃料在熾熱或干旱環(huán)境的長(zhǎng)時(shí)間暴露等[5-7]。森林防火不是消滅一切林火，因?yàn)樵谀承┣闆r下林火是森林生態(tài)系統(tǒng)的一部分，它們是本土的很重要的棲息地，所以低強(qiáng)度的地表火對(duì)于森林來(lái)講大多是有益的[8]。然而，在大多數(shù)情況下，其對(duì)自然資源和公共安全造成的損害是難以估量的，所以早期檢測(cè)和及時(shí)控制對(duì)于預(yù)防森林火災(zāi)、控制已有火情至關(guān)重要[9-10]。

對(duì)森林區(qū)域環(huán)境主要關(guān)鍵因子的監(jiān)測(cè)可有效預(yù)測(cè)區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)代的林火管理技術(shù)的應(yīng)用使得森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)已形成以空中衛(wèi)星、飛機(jī)、地面了望臺(tái)、護(hù)林員巡山護(hù)林的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)[11-13]。隨著國(guó)內(nèi)外航天、信息科技的迅速發(fā)展，一些新技術(shù)，如無(wú)人機(jī)、地面雷達(dá)、衛(wèi)星遙感和分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已被用來(lái)探測(cè)森林火災(zāi)[14]。已有的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)及相關(guān)技術(shù)主要包括地面及近地面監(jiān)測(cè)[15]、航空監(jiān)測(cè)[16]、雷達(dá)監(jiān)測(cè)[17]、衛(wèi)星遙感聯(lián)合地理信息系統(tǒng)監(jiān)測(cè)[18]和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[15-20]。筆者對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)方面研究成果進(jìn)行了綜述，旨在為控制森林火災(zāi)提供參考。

1 地面及近地面監(jiān)測(cè)

近地表觀測(cè)主要包括瞭望塔（臺(tái)）和視頻監(jiān)測(cè)等手段，是林火立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)的硬件基礎(chǔ)，但瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)受地形、地勢(shì)等諸多條件的限制[21-22]。地面監(jiān)測(cè)主要通過(guò)護(hù)林人員在林內(nèi)開(kāi)展地面巡護(hù)以發(fā)現(xiàn)和通報(bào)火情，阻止進(jìn)山人員，但該種監(jiān)測(cè)方式人力和時(shí)間花費(fèi)大，且存在疏漏[15，23]。借助地面巡護(hù)車輛，能提高護(hù)林人員進(jìn)行地面監(jiān)測(cè)的效率，全地形林火地面巡護(hù)撲救車能有效解決傳統(tǒng)巡護(hù)摩托車穩(wěn)定性和越野性不足的問(wèn)題[24-25]。地面巡護(hù)車輛裝配車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理軟件系統(tǒng)能實(shí)時(shí)精確地采集和回傳災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵信息，為防火指揮部門提供詳細(xì)準(zhǔn)確的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[26]。

2 航空監(jiān)測(cè)

航空監(jiān)測(cè)主要利用航空護(hù)林飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī)進(jìn)行巡護(hù)，是監(jiān)測(cè)林火最有效的途徑之一，是構(gòu)成立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)的重要組成部分[16，21]。目前航空巡護(hù)主要有固定翼飛機(jī)巡護(hù)、直升機(jī)載人巡護(hù)和直升機(jī)升高瞭望[27]。航空手段在管理森林火災(zāi)中除了能輔助森林消防隊(duì)員進(jìn)行滅火和物資運(yùn)輸，也能用于火災(zāi)監(jiān)測(cè)和火情探測(cè)。航空巡護(hù)時(shí)采用望遠(yuǎn)鏡輔助觀察火情，可在一定程度上提高火情發(fā)現(xiàn)率和準(zhǔn)確率，減小因植被叢生、喬木郁閉、垂直俯視等因素造成的干擾[28]?？梢暫脚倪b控器在森林航空巡護(hù)中的應(yīng)用有效避免了人工觀察視角小、范圍有限和作業(yè)量大的弊端[29]。全球定位系統(tǒng)（GPS）在領(lǐng)航引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星熱點(diǎn)偵察核實(shí)、準(zhǔn)確提供火場(chǎng)要素和勾繪火場(chǎng)示意圖中起到了重要作用[30]。在我國(guó)，航空護(hù)林的發(fā)展總體上還處在起步階段，與當(dāng)前森林防火工作需要還有一定差距[31]。我國(guó)南方林區(qū)的機(jī)型主要有M26、K32、M171直升機(jī)和Y12固定翼飛機(jī)，其中直升機(jī)主要用于航空直接滅火，固定翼飛機(jī)主要用于巡護(hù)和火場(chǎng)偵察[32]。

無(wú)人駕駛飛機(jī)（UAV）也叫無(wú)人機(jī)，已在軍隊(duì)中得到廣泛應(yīng)用，但隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的成熟、傳感器和攝像機(jī)的小型化、新型傳輸和控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，無(wú)人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用在民用領(lǐng)域得到了拓展，如自然災(zāi)害、檢驗(yàn)、搜救、交通監(jiān)測(cè)和執(zhí)法等[33-34]。相比載人飛行器，無(wú)人機(jī)的固有風(fēng)險(xiǎn)較小，使用成本較低，且能自動(dòng)監(jiān)測(cè)火災(zāi)和探測(cè)火情，并及時(shí)發(fā)送圖像和數(shù)據(jù)信息到地面基站和控制中心[35]?；谛l(wèi)星系統(tǒng)的高空、長(zhǎng)航程型無(wú)人機(jī)能增加圖像的分辨率和更新率，但是在火災(zāi)高發(fā)期，其整體性能受系統(tǒng)本身影響較大[36];低空、短航程型無(wú)人機(jī)彌補(bǔ)了上述缺點(diǎn)，在低空飛行時(shí)能夠捕捉到高分辨率的圖像，能及時(shí)更新火場(chǎng)信息并提供給消防人員，但由于不能裝填足夠的燃料，導(dǎo)致不能執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的任務(wù)[19，37]。

3 雷達(dá)監(jiān)測(cè)

有關(guān)雷達(dá)探測(cè)火災(zāi)的研究已有較多報(bào)道[17，38]。黃克慧等[39]通過(guò)分析距離雷達(dá)站5～100 km的不同規(guī)模的森林火災(zāi)，發(fā)現(xiàn)新一代多普勒天氣雷達(dá)CINRAD/SA能對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且火災(zāi)引起的回波不同于氣象回波，具有水平尺度小、頂高度低、強(qiáng)度強(qiáng)的特點(diǎn)?；谏鲜鲇^測(cè)和分析成果，提出了自動(dòng)識(shí)別火災(zāi)回波的“火災(zāi)雜波過(guò)濾法”和“降水回波過(guò)濾法”，并在此基礎(chǔ)上研制了基于多普勒天氣雷達(dá)的火情自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，其在為期1年的試運(yùn)行中，對(duì)火情預(yù)警的命中率（POD）、誤警率（FAR）和臨界成功指數(shù)（CSI）分別為79%、4%和76%。Lavrov等[40]通過(guò)研究森林火災(zāi)的煙霧擴(kuò)散，證明了激光雷達(dá)作為一種半定性預(yù)測(cè)森林火災(zāi)煙霧的工具，具有一定的靈敏度和可靠的感煙探測(cè)范圍。Bozier等[41]通過(guò)使用多普勒激光雷達(dá)觀測(cè)俄羅斯森林大火的煙霧，有效地對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)。

4 衛(wèi)星遙感聯(lián)合地理信息系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

衛(wèi)星遙感技術(shù)特別是紅外衛(wèi)星遙感已成為森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)的一種有效手段。借助于衛(wèi)星遙感和林火地理信息系統(tǒng)（EOS/MODIS），可克服人力和飛機(jī)監(jiān)測(cè)所帶來(lái)的使用費(fèi)用高、工作繁雜、盲區(qū)監(jiān)測(cè)計(jì)算精度低等不足[17-18]。衛(wèi)星遙感圖像質(zhì)量決定于衛(wèi)星自身的性能、衛(wèi)星工作的外部客觀環(huán)境、對(duì)遙感圖像處理所采取的技術(shù)方法[42]。我國(guó)的環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星A、B星（簡(jiǎn)稱HJ1A衛(wèi)星，1B衛(wèi)星），搭載了紅外多光譜相機(jī)的HJ1B衛(wèi)星，在早期火災(zāi)發(fā)現(xiàn)、中期災(zāi)害跟蹤和后期災(zāi)害損失評(píng)估中發(fā)揮了重要作用[43]。卿清濤[44]等以四川省農(nóng)業(yè)氣象中心EOS/MODIS資料為基礎(chǔ)，通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，設(shè)置合理的川西山區(qū)森林火災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)參數(shù)可顯著提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。趙慧穎[45]通過(guò)極軌氣象衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)植被指數(shù)數(shù)據(jù)顯示植被指數(shù)（歸一化）在0.6～0.8的地區(qū)火災(zāi)的次數(shù)相對(duì)較少，且主要以雷擊火為主。

5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在森林火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的問(wèn)題是如何快速響應(yīng)以減少災(zāi)難的規(guī)模，這需要不斷地監(jiān)測(cè)森林面積[19，46]。由于分辨率較低、掃描時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)前中、大規(guī)模火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)及時(shí)地發(fā)現(xiàn)[47]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種解決上述問(wèn)題的方案已得到廣泛認(rèn)可，該技術(shù)能提供實(shí)時(shí)災(zāi)情資料，且具有較高的探測(cè)精度[48]。目前，傳感模塊可感知各種現(xiàn)象，包括溫度、相對(duì)濕度和煙霧，有利于火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。此外，最近的協(xié)議使傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自行組織成一個(gè)自配網(wǎng)絡(luò)，省去繁瑣的手工設(shè)置[49]。而且大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以很容易地使用飛機(jī)進(jìn)行部署，其成本遠(yuǎn)低于森林火災(zāi)所造成的破壞和損失[50]。

森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的一個(gè)研究領(lǐng)域，但由于森林火災(zāi)的危險(xiǎn)性較高，目前缺乏相關(guān)的實(shí)地試驗(yàn)研究[51-53]。Kosucu等[54]進(jìn)行了室外實(shí)地試驗(yàn)研究，分析了各種參數(shù)，如鏈路和節(jié)點(diǎn)故障、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)（風(fēng)向、點(diǎn)火點(diǎn)位置和采樣周期）對(duì)火災(zāi)的影響。張新等[55]對(duì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的火焰探測(cè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)模塊硬件上對(duì)火災(zāi)信號(hào)的采集及處理和軟件上對(duì)數(shù)字濾波以及火災(zāi)的識(shí)別。張軍國(guó)等[56]構(gòu)建了一種基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)林區(qū)溫濕度等相關(guān)環(huán)境參數(shù)的變化，為有關(guān)部門采取相應(yīng)的防火或滅火措施提供決策依據(jù)。

6 展望

森林火災(zāi)失去人為控制后，將會(huì)給生態(tài)系統(tǒng)及人類帶來(lái)不可估量的危害和損失。早期監(jiān)測(cè)是預(yù)防森林火災(zāi)發(fā)生、及時(shí)控制火情的有效手段。對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)方法和新技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為提高早期監(jiān)測(cè)在森林火災(zāi)防治中的效果，建議如下：①開(kāi)展已有火災(zāi)數(shù)據(jù)分析，加強(qiáng)重點(diǎn)區(qū)域和特殊年份的監(jiān)測(cè)工作;②提高設(shè)備的監(jiān)測(cè)精度，增加火情評(píng)估的準(zhǔn)確性，減小火災(zāi)火情的誤報(bào);③研發(fā)火情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)揮傳統(tǒng)方法和新技術(shù)各自優(yōu)勢(shì);④構(gòu)建全國(guó)森林監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情數(shù)據(jù)共享和防治資源優(yōu)化。

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