楊燕麗 范 超 李 穎 張 威 張 烈 韓仁江

(成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730)

0 引言

火災(zāi)是破壞森林最為嚴重的自然災(zāi)害。森林中出現(xiàn)火災(zāi)不僅會破壞植被，還會對其他生物造成危害，降低森林的再生能力。一般而言，森林火災(zāi)范圍廣，撲救難度大。因此，將火勢止于萌芽初期顯得尤為重要。隨著科技水平日益發(fā)展，利用信息技術(shù)預(yù)防森林火災(zāi)具有重要意義。

1 森林火災(zāi)現(xiàn)狀

目前，森林火災(zāi)已經(jīng)成為生態(tài)系統(tǒng)危害較大的自然災(zāi)害之一。我國因為地形復(fù)雜，森林分布較廣，森林火災(zāi)也頻繁發(fā)生。近年來，人為活動導(dǎo)致火災(zāi)的事情時常發(fā)生，人為因素森林起火約占95%。而全世界每年平均火災(zāi)將近20萬余次，燃燒的森林面積占總數(shù)的百分之一以上，而中國森林火災(zāi)面積約占5%以上。因此，如何防范森林火災(zāi)是全球面臨的主要問題之一。

2 國內(nèi)外森林火災(zāi)預(yù)警的主要方式

隨著計算機系統(tǒng)迅速發(fā)展，全世界范圍內(nèi)對森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)有了越來越多的預(yù)警系統(tǒng)。國內(nèi)外許多研究者就森林火災(zāi)預(yù)警問題，提出了途徑及方法，旨在獲得行之有效的可行性價值。

2.1 國外森林防火技術(shù)

國外森林防火技術(shù)種類繁多，其中林火預(yù)警包含火險天氣預(yù)報、林火發(fā)生預(yù)報以及林火行為預(yù)報三種。德國采用FIRE-WATCH自動預(yù)警森林火災(zāi)系統(tǒng)。美國主要采用紅外遙感火災(zāi)預(yù)警飛機巡邏以及護林飛機對森林火災(zāi)進行預(yù)警。利用衛(wèi)星可在距離地面八百千米的位置，圍繞地球探測森林范圍地面的溫度以及煙霧進行檢測。無人駕駛的林火預(yù)警飛機能夠做到24小時適時監(jiān)測，雖然在森林火災(zāi)預(yù)警方面防范效果較好，但資金耗費也相對較多。利用衛(wèi)星可通過發(fā)射電磁射線對森林地區(qū)的溫度進行監(jiān)測，當(dāng)檢測到某一地區(qū)的溫度上升超過150℃時，紅外線波長就會達到3.7微米，預(yù)示著該地區(qū)火災(zāi)險情。

2.2 國內(nèi)森林防火技術(shù)

2.2.1 地面巡護

地面巡護，主要任務(wù)是宣傳群眾，控制人為火源，深入瞭望臺觀測的死角進行巡邏。對來往人員及車輛，野外生產(chǎn)和生活用火進行檢查和監(jiān)督。存在的不足是巡護面積小、視野狹窄、確定著火位置時，常因地形地勢崎嶇、森林茂密而出現(xiàn)較大誤差；在交通不便、人煙稀少的偏遠山區(qū)，無法進行地面巡護，需用各種交通工具費用及人員工資費用，只能用視頻監(jiān)測方法來彌補。

2.2.2 瞭望臺監(jiān)測

瞭望臺監(jiān)測是指通過一個方向來監(jiān)測林火的發(fā)生情況，從而確定火災(zāi)發(fā)生的大致位置及火勢范圍，探測范圍較廣，且準確性較高。倘若遇到偏遠的森林地區(qū)就不能夠設(shè)置瞭望臺，由于該監(jiān)測設(shè)備觀察受到地勢限制，覆蓋面就小，容易出現(xiàn)空白、觀察不到的現(xiàn)象，甚至當(dāng)火場出現(xiàn)大面積燃燒時仍無法觀察。另外，瞭望臺需要依靠瞭望員的經(jīng)驗以及專業(yè)的方法進行監(jiān)測，且準確性較低。由于瞭望員觀測時所處位置較高，常常會面臨雷電擊、野生動物攻擊的威脅。

2.2.3 航空巡護

通過飛機對森林火災(zāi)進行監(jiān)測。飛機探測范圍較大且機動性強、速度較快，對火場范圍能夠做到實時觀察，并能及時采取相應(yīng)的撲救措施。但是當(dāng)遇到夜間、能見度較低的天氣時，由于時間范圍及航線的限制，觀察范圍就會明顯縮小。倘若由于天氣的原因錯過觀察的最佳時機，又恰好火災(zāi)出現(xiàn)就會釀成大禍。另外飛機飛行成本較高，需要設(shè)置定點的視頻來監(jiān)測，彌補飛機受天氣影響的不足。

3 多層級多樣化的森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)原理

森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)主要是通過溫度以及無線網(wǎng)絡(luò)模塊運用到檢測系統(tǒng)中。利用信號傳遞，以數(shù)據(jù)的形式接收溫度以及無線網(wǎng)絡(luò)傳送到基站節(jié)點的每個子網(wǎng)上面。而每個子網(wǎng)節(jié)點上由多個傳感器構(gòu)成，通過網(wǎng)絡(luò)連接的形式，實現(xiàn)通信的目的。首先，系統(tǒng)初始化時，GPS節(jié)點首先初始化自身位置信息，再加入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而形成一個完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并處于監(jiān)測狀態(tài)。當(dāng)一個子節(jié)點采集到火情預(yù)警數(shù)據(jù)時，就會經(jīng)過多跳錄像基站節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。某一節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)向遠程控制中心發(fā)出火警預(yù)警信號時，這個過程大大節(jié)約了成本，提高了效率，使得預(yù)警設(shè)施為零的森林上鋪設(shè)傳感器監(jiān)測成為可能，還可以將發(fā)現(xiàn)火情的具體位置以及溫度通過多條路傳到相應(yīng)的基站節(jié)點。隨后基站節(jié)點再通過基站網(wǎng)絡(luò)向遠程控制中心發(fā)送火情消息，演成控制中心在接受到信息之后進行數(shù)據(jù)分析，以確定火災(zāi)發(fā)生的地點，從而為森林防火員提供重要的技術(shù)支持，在無需人多干涉的情況下，既能夠節(jié)約成本，又能夠提高火情發(fā)現(xiàn)的準確性及監(jiān)控能力，為實現(xiàn)林業(yè)跨越式發(fā)展，保護生態(tài)環(huán)境提供有力保障。

3.2 系統(tǒng)特點

本次系統(tǒng)設(shè)計的森林防火報警系統(tǒng)主要由總控系統(tǒng)、傳輸以及監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)組成。系統(tǒng)建設(shè)具有以下功能：

(1)連續(xù)不間斷：一整天不間歇，能夠?qū)崟r反映檢測區(qū)域情況，有問題可及時反饋。

(2)語音偵測系統(tǒng)：有異樣便會通過指示燈進行警示，監(jiān)察員通過燈色(紅、黃、藍、綠)掌握監(jiān)測區(qū)域火情狀況，并能通過系統(tǒng)語音播報掌握前方狀況。

(3)GIS管理系統(tǒng)：該系統(tǒng)是GPS與地圖的結(jié)合，監(jiān)測員能夠通過GIS管理系統(tǒng)掌握起火地點位置以及火勢，并根據(jù)系統(tǒng)狀況組織人員及時擴散，綜合信息做出相應(yīng)的決策。

(4)林火定位功能：該功能原理是，接借助前端采集數(shù)字的云臺對每個指定位置的監(jiān)控點的信息進行編碼，并將具體位置信息坐標(biāo)直接綁到相應(yīng)的電子地圖，這樣指定位置就會向云臺傳送信息，通過數(shù)字坐標(biāo)模型，進行定位及人工定位。

(5)太陽能供電：該供電設(shè)計，充分響應(yīng)了國家綠色、協(xié)調(diào)的理念，太陽能供電既節(jié)約環(huán)保，且在系統(tǒng)組建時期能夠大量節(jié)約人力、物力、財力的成本；值得一提的是組裝簡單、小巧，且使用期限長，由于是無電纜式，所以不用考慮距離問題。

(6)視頻采集圖像：該視頻界面簡單易懂，美觀清晰且易被人操控。當(dāng)防火員登錄到某個系統(tǒng)權(quán)限時，就會自動分配到相應(yīng)的模塊，而將菜單去除多余的版面。例如，當(dāng)森林發(fā)生火災(zāi)時，就會在視頻上演示火災(zāi)著火的動畫，通過動態(tài)的形式把著火的消息傳遞給終端，從而實現(xiàn)實時播報的目的。這種特點能夠在科學(xué)上直觀的通過云平臺將圖像傳遞給防火員，并且能夠時時反復(fù)播放。

(7)資源管理：該系統(tǒng)能夠整合資源，將撲火車數(shù)量、人員以及物資等多個方面數(shù)據(jù)進行管理。

(8)防雷接地系統(tǒng)：該裝置具備防電防雷功能，即便遇到雷雨天氣也可以起到接地保護作用，使得裝置正常使用。

(9)提供協(xié)助信息：該軟件能夠通過以往火情發(fā)生情況，根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖鉅顩r、保護對象以及現(xiàn)有資源為決策者提供輔助信息。

(10)達到緊急指揮服務(wù)：通過數(shù)據(jù)分析判斷當(dāng)?shù)鼗鹎?，并根?jù)定位調(diào)撥附近區(qū)域的人員、車間，從而做好實時監(jiān)控。

(11)評估火災(zāi)：在火災(zāi)發(fā)生后，進行火情備案處理，并對火災(zāi)造成的損失進行評估，評估內(nèi)容包含：①通過視頻或圖片查看要保護的對象，根據(jù)視頻或圖片估算火災(zāi)造成的各項損失；②火情識別報警：監(jiān)測區(qū)域一旦出現(xiàn)火點，就會通過系統(tǒng)識別判斷，從而提醒觀看視頻的監(jiān)測員及時掌握火點情況以采取相應(yīng)措施。

(12)三維電子沙盤功能：包含三維林火標(biāo)繪、地圖瀏覽、檢索、圖例控制、三維標(biāo)注控制、三維飛行模擬、維地圖輸出、圖層控制、三維林火定位、三維最佳路徑、三維地圖上矢量信息疊加以及同步顯示等。

(13)其他特點：能夠防震動、抗壓且防塵，不會受到天氣的影響，專門為露天、偏遠地區(qū)及高寒地段設(shè)計。

3.3 系統(tǒng)任務(wù)

3.3.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

該項目主要是通過GPRS鏈路為無人機站與服務(wù)器之間進行網(wǎng)絡(luò)連接，傳輸速率較高，但無人機發(fā)現(xiàn)火情時，就會通過GPRS系統(tǒng)發(fā)到無人機站進行數(shù)據(jù)分析，隨后將火情信息發(fā)送到相關(guān)服務(wù)器并能在管理人員的手機上面形成畫面。此時管理人員就能夠適時了解到附近發(fā)生的著火點，而后臺的管理人員就能夠通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)準確掌握整個森林生態(tài)系統(tǒng)的運行，從而達到遠程發(fā)出控制指令的目的。

3.3.2 無人機自動巡航技術(shù)

該項目在借鑒已有森林火災(zāi)預(yù)警的基礎(chǔ)之上，采用攜帶火焰?zhèn)鞲衅饕约凹t外傳感器對所覆蓋的森林區(qū)域定時巡航，通過反復(fù)不斷地實驗發(fā)現(xiàn)無人巡航技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自主起飛、降落、規(guī)避障礙，從而實現(xiàn)全智能化。

3.3.3 煙霧及火焰信號檢測

煙霧信號監(jiān)測是指當(dāng)森林某一區(qū)域出現(xiàn)煙霧時，對煙霧進行監(jiān)測也是一個重要的發(fā)展方向。經(jīng)過反復(fù)實驗證明，氣敏傳感器與CCD圖像處理系統(tǒng)相互協(xié)同，能夠準確判斷煙霧在無人機站安裝煙霧信號傳感器能夠通過云平臺進行觀察。而火焰信號是指將紫外光譜信號以及紅外熱信號經(jīng)過實驗反復(fù)檢測。該方案的靈敏度較高且抗干擾能力強，能夠準確識別火源達到預(yù)期效果。

4 結(jié)語

通過了解森林的火災(zāi)現(xiàn)狀，掌握國內(nèi)外現(xiàn)有的火災(zāi)防控技術(shù)，突破原有的森林火災(zāi)檢測、撲救技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上為其設(shè)計合理的火災(zāi)自動監(jiān)控報警系統(tǒng)彌補傳統(tǒng)系統(tǒng)不足。驗證了溫度傳感器與無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合運用到森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)具有可行性。系統(tǒng)將視頻軟件、語音系統(tǒng)、錄像識別系統(tǒng)以及報警系統(tǒng)功能相結(jié)合的方式通過無線網(wǎng)絡(luò)信號傳遞的形式，形成數(shù)據(jù)報表發(fā)送到防火員所轄的系統(tǒng)平臺上，以提高實用性，從而對森林實現(xiàn)防護作用。