于 淼 ，馮仲科，徐偉恒

（1.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224）

基于測(cè)樹槍的林火行為參數(shù)精準(zhǔn)觀測(cè)研究

于 淼1，馮仲科1，徐偉恒2

（1.北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.西南林業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南 昆明 650224）

利用手持式測(cè)樹槍測(cè)角、測(cè)距功能，根據(jù)三角函數(shù)和相關(guān)數(shù)學(xué)模型計(jì)算提出林火蔓延距離和速度、火焰長(zhǎng)度、火場(chǎng)周邊長(zhǎng)、過(guò)火面積等林火行為參數(shù)的精準(zhǔn)觀測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)了林火行為參數(shù)觀測(cè)數(shù)字化、內(nèi)外業(yè)一體化。在試驗(yàn)區(qū)開展精度驗(yàn)證，結(jié)果證明：雙站測(cè)樹槍觀測(cè)林火蔓延距離的精度為99.28%，火場(chǎng)周邊長(zhǎng)測(cè)量精度為99.29%，過(guò)火面積測(cè)量精度為98.26%，測(cè)樹槍的觀測(cè)精度滿足林火觀測(cè)要求。

森林火災(zāi)；測(cè)樹槍；觀測(cè)；數(shù)字化

森林火災(zāi)在我國(guó)多發(fā)頻發(fā)，是危害我國(guó)森林資源的最大災(zāi)害，長(zhǎng)期以來(lái)制約林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。為搞好森林防火建設(shè)，推動(dòng)林業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，林火預(yù)防與控制的研究迫在眉睫[3-4]。林火觀測(cè)是利用一定的設(shè)備、儀器對(duì)林火進(jìn)行觀測(cè)，獲取準(zhǔn)確的火點(diǎn)、大小、蔓延趨勢(shì)等參數(shù)的行為[5-6]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)觀測(cè)林火的手段主要有遙感圖像分析、瞭望塔視頻監(jiān)測(cè)、基于GIS的森林火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工地面巡護(hù)等[7]，前三者普遍在大視野、大環(huán)境下應(yīng)用，費(fèi)用高，結(jié)果較為粗放，很難獲取林火行為參數(shù)這一數(shù)量級(jí)的精確數(shù)據(jù)。人工地面巡護(hù)方式對(duì)觀測(cè)儀器的要求較高，眾多專家致力于在儀器研發(fā)、觀測(cè)方法上推陳出新。張景忠等[8]研發(fā)的林火行為相關(guān)參數(shù)綜合測(cè)報(bào)儀可獲取林火參數(shù)，不足在于其計(jì)算全部依托經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，很難獲取火場(chǎng)實(shí)時(shí)的真實(shí)數(shù)據(jù)，不能給撲火人員提供準(zhǔn)確的火速度、火蔓延等數(shù)據(jù)支持；曲佳瑞[9]提出可利用全站儀測(cè)定森林過(guò)火面積的方法；馬云超[10]研究表明GPS定位系統(tǒng)在森林火災(zāi)的預(yù)防、控制和災(zāi)后損失評(píng)估等方面發(fā)揮作用明顯。馮仲科等研究基于精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的手持式測(cè)樹槍，集成激光測(cè)距傳感器、測(cè)角傳感器、電子羅盤獲得測(cè)站點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的距離、傾角和磁方位角的功能，可實(shí)時(shí)測(cè)定林火現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)，自動(dòng)存儲(chǔ)并處理數(shù)據(jù)，克服了以往經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪銋?shù)的不精確性、不針對(duì)性，彌補(bǔ)GNSS在林下高郁閉度時(shí)信號(hào)弱難以定位觀測(cè)的問題，儀器手持式工作、體積小、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)也提高人工效率，為人員決策、林火的快速撲救以及災(zāi)后損失評(píng)價(jià)提供有效幫助。

1 原 理

1.1 測(cè)樹槍

電子測(cè)樹槍的硬件組成如圖 1 所示，包括MEMS（micro-electro-mechanical systems）傾角傳感器、激光測(cè)距傳感器、電子羅盤、中央控制單元、存儲(chǔ)器、液晶顯示屏、微型按鍵、USB 數(shù)據(jù)通信接口、電源等[11]。采用鋁合金外殼將硬件進(jìn)行高密度、高可靠集成（如圖2所示）。軟件部分斜距、磁偏角等輔助測(cè)量參數(shù)均能實(shí)時(shí)顯示，測(cè)量數(shù)據(jù)以文件形式保存在存儲(chǔ)器中，可以通過(guò)USB接口導(dǎo)出。技術(shù)參數(shù)參見表1。

圖1 測(cè)樹槍硬件總體框架Fig.1 Framework of software in forest measurement gun

圖2 電子測(cè)樹槍觀測(cè)林火示意Fig.2 Forest measurement gun in fi re observation

1.2 林火觀測(cè)原理

林火行為參數(shù)主要包括火線蔓延速度、火焰長(zhǎng)度、火線區(qū)溫度、火場(chǎng)形狀、周長(zhǎng)和面積等參數(shù)[12-15]。利用手持式測(cè)樹槍測(cè)角、測(cè)距功能，根據(jù)三角函數(shù)和相關(guān)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算能夠?qū)崿F(xiàn)林火行為參數(shù)的精準(zhǔn)觀測(cè)。

表1 電子測(cè)樹槍技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of forest measurement gun

1.2.1 雙站林火蔓延觀測(cè)

垂直于火蔓延方向，架設(shè)兩站測(cè)樹槍同時(shí)觀測(cè)火點(diǎn)，使其組成三角形。以兩站測(cè)樹槍構(gòu)成的邊和該邊的兩個(gè)夾角為測(cè)得的已知量，通過(guò)前方交會(huì)[16]和三角函數(shù)原理可計(jì)算火點(diǎn)坐標(biāo)。由于森林或植被燃燒形成的火不是實(shí)體地物，激光器發(fā)出的信號(hào)會(huì)被吸收或穿透，因此不對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)距，觀測(cè)火點(diǎn)僅使用測(cè)角功能。

在火點(diǎn)C周圍選擇林冠覆蓋較為稀疏且視野開闊的地點(diǎn)，設(shè)置2個(gè)觀測(cè)站A和B，用手持GPS定位出A的坐標(biāo)。如圖3所示，利用測(cè)樹槍在A點(diǎn)觀測(cè)B、C兩點(diǎn)，在B點(diǎn)只觀測(cè)C點(diǎn)，分別獲取距離SAB，方位角φAB、φAC和方位角φBC、φBA，得出夾角α、β。通過(guò)公式（1）算出B點(diǎn)坐標(biāo)，利用前方交會(huì)方法推導(dǎo)的公式（2）得出火點(diǎn)C的坐標(biāo)。林火蔓延的速度可通過(guò)火點(diǎn)移動(dòng)前后的坐標(biāo)C1和C2得出，計(jì)算方法見公式（3）（見圖4）。為保證觀測(cè)火點(diǎn)的明顯性，須在C1和C2放置花桿作為被測(cè)目標(biāo)。

式中：SAB為A，B二點(diǎn)之間的斜距；V為天頂距；θ為方位角。

式中：SAB為 A、B二點(diǎn)之間的斜距；α為AB與AC的夾角；β為BA與BC的夾角。

圖3 雙站測(cè)樹槍火點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量Fig.3 Fire point coordinate measurement with double forest measurement guns

圖4 雙站測(cè)樹槍火蔓延測(cè)量Fig.4 Fire spreading distance measurement with double forest measurement guns

式中：XC1、YC2、ZC3為火點(diǎn) C1的坐標(biāo)；XC2、YC2、ZC3為火點(diǎn)C2的坐標(biāo)；SC1C2為林火蔓延距離；v為林火蔓延速度；Δt為林火蔓延時(shí)間。

1.2.2 火焰高度測(cè)算

火焰高度是指火線處火的底部到連續(xù)火焰最高點(diǎn)的直線距離[7]。實(shí)際觀測(cè)中，應(yīng)根據(jù)林火現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向，選取有利位置，避開火的蔓延方向，立即展開火焰高度的測(cè)量?；鹧娓叨鹊臏y(cè)量原理如圖5所示，觀測(cè)時(shí)將測(cè)樹槍對(duì)準(zhǔn)火焰的頂部和底部，測(cè)得天頂距V1、V2。根據(jù)公式（4）計(jì)算即可得到火焰長(zhǎng)度H。

式中：V1、V2為火焰頂部和底部的天頂距；L為儀器到火焰的水平距離；H槍為測(cè)樹槍到地面的高度。

圖5 測(cè)樹槍火焰長(zhǎng)度觀測(cè)Fig.5 Flame length observation with forest measurement gun

1.2.3 火場(chǎng)周邊長(zhǎng)和過(guò)火面積觀測(cè)

傳統(tǒng)的火場(chǎng)周邊長(zhǎng)和面積觀測(cè)受儀器設(shè)備不足、功能少、精度差的限制，國(guó)內(nèi)外過(guò)往對(duì)火場(chǎng)的周邊長(zhǎng)和面積等數(shù)據(jù)往往采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)估算，為撲火人員提供簡(jiǎn)單咨詢。測(cè)樹槍的任意測(cè)角、測(cè)距功能，實(shí)現(xiàn)了火場(chǎng)周邊長(zhǎng)和過(guò)火面積的高精度測(cè)量，給滅火指揮員的撲打決策提供可靠資料，也為災(zāi)后損失的評(píng)價(jià)提供可依據(jù)材料。

觀測(cè)原理如圖6所示，在火場(chǎng)邊界某一特征點(diǎn)（第1點(diǎn)）使用電子測(cè)樹槍，瞄準(zhǔn)在火場(chǎng)邊界特征點(diǎn)2上豎立的觀測(cè)板，測(cè)得1點(diǎn)至第2點(diǎn)的斜距D1、方位角δ1、傾角τ1并進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)；根據(jù)數(shù)學(xué)模型公式（5）

自動(dòng)求得第2點(diǎn)的坐標(biāo)(X2，Y2)，并存儲(chǔ)；不斷地重復(fù)操作兩個(gè)步驟直至閉合，依次測(cè)得土地的各個(gè)邊界點(diǎn)的坐標(biāo)，再由公式（6）

圖6 測(cè)樹槍火場(chǎng)周邊長(zhǎng)和過(guò)火面積測(cè)量示意Fig.6 Photo of fi re scene circumference and burned area measurement with forest measurement gun

測(cè)算出火線周邊長(zhǎng)L的值。由數(shù)學(xué)模型（7）

求得森林過(guò)火面積。

2 試 驗(yàn)

2.1 林火蔓延觀測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證手持式測(cè)樹槍對(duì)林火蔓延速度觀測(cè)的精度，在房山林果科技中心周邊的野草地布設(shè)5組長(zhǎng)3.5 m、寬0.5 m的長(zhǎng)條型模擬林火實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，實(shí)驗(yàn)地均勻覆蓋7～10 cm的枯草落葉等可燃物。在場(chǎng)地外圍清理出2 m寬的防火隔離帶，選用南方測(cè)繪NTS-352L全站儀（測(cè)距精度為±3 mm+2×10-6×D，測(cè)角精度為±2″）和電子測(cè)樹槍，以全站儀、雙站測(cè)樹槍兩種方法同時(shí)進(jìn)行火線蔓延觀測(cè)。以全站儀測(cè)量的火蔓延距離數(shù)據(jù)為真值，與測(cè)樹槍測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，相對(duì)誤差用公式（8）計(jì)算。

式中：SG為測(cè)樹槍測(cè)量火蔓延距離值，m；ST為全站儀測(cè)量火蔓延距離值，m；ER為相對(duì)誤差，%。

表2表明，雙站測(cè)樹槍觀測(cè)火蔓延距離相對(duì)于全站儀火蔓延距離的誤差最大為1.38%，最小為0.31%，平均相對(duì)誤差為0.72%。

2.2 火場(chǎng)周邊長(zhǎng)和過(guò)火面積觀測(cè)試驗(yàn)

為驗(yàn)證手持式測(cè)樹槍對(duì)火場(chǎng)周邊長(zhǎng)觀測(cè)的精度，在黑龍江大興安嶺地區(qū)翠峰林場(chǎng)布設(shè)5個(gè)點(diǎn)燒樣地（見圖7），選用手持GNSS和測(cè)樹槍，分別對(duì)每塊火燒跡地的周邊長(zhǎng)和面積連續(xù)觀測(cè)10次。以GNSS定位儀的觀測(cè)數(shù)據(jù)為真值，與測(cè)樹槍測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3和表4所示。測(cè)樹槍觀測(cè)火燒跡地周邊長(zhǎng)平均值與手持GNSS觀測(cè)火燒跡地周邊長(zhǎng)平均值偏差為0.21 m，最大誤差為1.01%，最小誤差為0.24%，平均相對(duì)誤差為0.71%；測(cè)樹槍觀測(cè)火燒跡地面積平均值與手持GNSS觀測(cè)火燒跡地面積平均值偏差為2.07 m2，最大誤差為3.36%，最小誤差為0.53%，平均相對(duì)誤差為1.74%。

表3 測(cè)樹槍與手持GNSS觀測(cè)周邊長(zhǎng)比較Table 3 Comparison of forest measurement gun and Hand-Held GNSS fire scene circumference observation

表4 測(cè)樹槍與手持GNSS觀測(cè)面積比較Table 4 Comparison of forest measurement gun and Hand-Held GNSS burned area observation

3 結(jié)論與討論

本研究提出基于電子測(cè)樹槍實(shí)測(cè)火蔓延速度、火焰高度、火場(chǎng)周邊長(zhǎng)和過(guò)火面積等林火行為參數(shù)的方法，為驗(yàn)證測(cè)樹槍觀測(cè)方法和精度，分別在北京房山和黑龍江大興安嶺開設(shè)野外試驗(yàn)區(qū)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：雙站測(cè)樹槍觀測(cè)林火蔓延距離的精度為99.28%，火場(chǎng)周邊長(zhǎng)測(cè)量精度為99.29%，過(guò)火面積測(cè)量精度為98.26%?；饒?chǎng)周邊長(zhǎng)測(cè)量的精度最高，過(guò)火面積測(cè)量精度最低，說(shuō)明測(cè)樹槍的觀測(cè)精度滿足林業(yè)調(diào)查要求。

本研究改善了以往只利用林火行為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算來(lái)獲取數(shù)據(jù)的方法，火場(chǎng)態(tài)勢(shì)千變?nèi)f化，實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)用性更大，可靠性更強(qiáng)。測(cè)樹槍對(duì)林火的精準(zhǔn)觀測(cè)為林火現(xiàn)場(chǎng)撲救和人員滅火決策提供準(zhǔn)確的第一手資料。

基于測(cè)樹槍觀測(cè)林火行為參數(shù)旨在推進(jìn)林火觀測(cè)數(shù)字化、集成化、內(nèi)外業(yè)一體化的有效探索。觀測(cè)數(shù)據(jù)均以數(shù)字形式存儲(chǔ)在電子設(shè)備中，可通過(guò)USB接口連接普通計(jì)算機(jī)，導(dǎo)入內(nèi)業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化的操作模式。儀器的便攜性和操作的靈活性在使用上優(yōu)越于傳統(tǒng)全站儀、電子經(jīng)緯儀。不足之處在于：

（1）測(cè)樹槍觀測(cè)林火參數(shù)的功能數(shù)量上有待擴(kuò)展，量測(cè)面積的精度還有待提升。火場(chǎng)環(huán)境不同于普通森林調(diào)查環(huán)境，對(duì)儀器各功能的環(huán)境檢驗(yàn)還需要做大量研究。

（2）林火蔓延速度測(cè)定中，A點(diǎn)選擇在林冠覆蓋較為稀疏且視野開闊的環(huán)境，坐標(biāo)是由手持GPS定位獲得。然而現(xiàn)實(shí)火場(chǎng)周圍地形復(fù)雜，對(duì)于遮擋嚴(yán)重、GPS信號(hào)弱和目視條件差等情況的坐標(biāo)定位還需進(jìn)一步研究。

（3）為保證雙站測(cè)樹槍觀測(cè)的火點(diǎn)是同一點(diǎn)，采用花桿標(biāo)記火點(diǎn)位置的方法可在風(fēng)力滅火機(jī)的支持下開展，但受到人為經(jīng)驗(yàn)的制約，方法尚有局限性。

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Study of forest fi re behavior parameter precision observation based on forest measurement gun

YU Miao1, FENG Zhong-ke1, XU Wei-heng2
(1. Precision Forestry Key Laboratory of Beijing, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;2. Computer and Information institute, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunan, China)

The study present a precise measure method about forest fi re behavior parameter such as forest fi re spread distance and speed,fl ame length, fi re scene perimeter, burned area and realized forest fi re behavior parameter observation digitization and fi eld surveying and interior work integration, which counting result based on trigonometric function and relevant mathematical models through applying angle measurement and distance measurement functions of electronic forest measurement gun. Through precision test that fi re spreading fi re scene perimeter and burned area in the experiment area by electronic forest measurement gun, the result suggest that double Forest Measurement Gun accuracy was 99.28% to observe fi re spreading distance,the accuracy was 99.29% to observe fi re scene perimeter,the accuracy is 98.26% to observe fire scene area. The results indicate that the instrument can meet the requirements of forest fire observation.

forest fi re; electronic forest measurement gun; observation; digitalization

S762.3+2

A

1673-923X(2016)05-0068-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.05.013

2015-03-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012BAH34B00）

于 淼，碩士研究生 通訊作者：馮仲科，教授，博士生導(dǎo)師；E-mail：fengzhongke@126.com

于 淼，馮仲科，徐偉恒.基于測(cè)樹槍的林火行為參數(shù)精準(zhǔn)觀測(cè)研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016, 36(5): 68-72.

[本文編校：謝榮秀]