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        多光譜森林防火系統(tǒng)在大青山的設(shè)計與應(yīng)用

        2021-11-12 08:14:18郝儀萱
        農(nóng)村科學(xué)實驗 2021年27期
        關(guān)鍵詞:林火攝像機火災(zāi)

        郝儀萱

        (呼和浩特市林業(yè)和草原局新城分局,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

        1.設(shè)計背景

        習(xí)近平總書記一直在強調(diào)“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念,由此可見,生態(tài)興則文明興,生態(tài)衰則文明衰。黨的十八大將生態(tài)文明建設(shè)放在治國理政的重要戰(zhàn)略位置,我國的社會主義“五位一體”總體布局中也增加了生態(tài)文明建設(shè)的內(nèi)容。黨的十九大,重點強調(diào)了生態(tài)文明建設(shè),并作出了新論斷,提出了新要求,強調(diào)必須堅持人與自然和諧共生,統(tǒng)籌山水林田湖草治理,建設(shè)美麗中國。

        森林,作為一種可貴的自然資源,不僅產(chǎn)生直接的經(jīng)濟(jì)效益,更會帶來不可比擬的生態(tài)效益??墒?,森林火災(zāi)是目前全球發(fā)生范圍最大、危害性最高、救助難度最大的一類自然災(zāi)害,其不僅會對森林資源帶來毀滅性打擊,還會對國家的生態(tài)安全帶來危害,直接威脅著國家森林資源安全和生態(tài)文明建設(shè)的成果。一旦居民區(qū)、森林與農(nóng)田交叉的地方發(fā)生這類自然災(zāi)害,會對糧食、房屋及畜牧帶來不可估量的影響。一旦出現(xiàn)森林火災(zāi),需要大量的消防人員前往消滅火災(zāi),避免人力和物力的浪費,影響到正常的生產(chǎn)勞動,還會對居民的生命安全帶來威脅。

        2012年,呼和浩特市新城區(qū)啟動了大青山前坡生態(tài)保護(hù)綜合治理工程。經(jīng)過九年的植樹護(hù)綠,全區(qū)林草管護(hù)面積達(dá)80.6萬畝,大青山前坡更在短短幾年內(nèi)新增林地面積近14萬畝,豐富的森林資源已成為新城區(qū)改善生態(tài)環(huán)境、加快經(jīng)濟(jì)發(fā)展和旅游開發(fā)的重要組成部分。

        大青山林業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)健康發(fā)展,在生態(tài)建設(shè)、農(nóng)民增收等方面發(fā)揮重要作用的同時,也給森林防火工作提出了更高要求,帶來了更艱巨、更繁重的任務(wù)。為從根本上消除火災(zāi)隱患,最大限度地減少森林火災(zāi)的發(fā)生,迫切需要采用新的技術(shù)手段為森林火災(zāi)檢測、預(yù)警、撲救、災(zāi)后評估等決策提供技術(shù)支撐和服務(wù),同時也需要兼顧樹木砍伐、野生動物偷獵等常見問題的管控。因此,建設(shè)一套先進(jìn)的火災(zāi)監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)就顯得尤為重要。

        2.設(shè)計目標(biāo)

        通過利用多光譜紅外熱成像熱感應(yīng)技術(shù)和煙火智能檢測算法,全面監(jiān)控新城區(qū)大青山前坡數(shù)公里范圍內(nèi)的森林資源,采取智能森林防火預(yù)警模式,能夠掌握森林資源的各項情況,利用智能化與自動化設(shè)備對大青山前坡森林資源火宅進(jìn)行監(jiān)控、報警和定位。在實現(xiàn)森林防火智能化、可視化的同時,促進(jìn)林業(yè)資源管理、護(hù)林員巡護(hù)及應(yīng)急調(diào)度等多方面業(yè)務(wù)的融合管理,打造一體化、全方位、全天候的智慧林業(yè)。

        3.系統(tǒng)設(shè)計

        在新城區(qū)大青山段的山體制高點,建設(shè)完成光譜火險預(yù)警監(jiān)測雷達(dá)站點和信息指揮中心,選用高清變焦攝像機架設(shè)在生態(tài)觀測臺上,實現(xiàn)全區(qū)生態(tài)監(jiān)測預(yù)警全覆蓋。使森林和草原管護(hù)區(qū)內(nèi)預(yù)警和監(jiān)控全方位無死角,構(gòu)建地面管護(hù)人員瞭望巡邏、高山高清探測相結(jié)合的立體化、全覆蓋的生態(tài)監(jiān)測與環(huán)境保護(hù)、防火預(yù)警與應(yīng)急管理相結(jié)合的森林草原生態(tài)保護(hù)綜合監(jiān)控監(jiān)測體系。對盜砍盜伐、火災(zāi)隱患、私搭亂建、私開盜采等破壞森林資源的行為實現(xiàn)全面監(jiān)控。

        3.1 多光譜火災(zāi)預(yù)警探測裝置的技術(shù)優(yōu)勢

        根據(jù)國家林業(yè)規(guī)范要求和實際火災(zāi)監(jiān)測需要,要求用于火災(zāi)監(jiān)測的攝像機除了具備高清監(jiān)控能力外,要求能在遠(yuǎn)距離對火點進(jìn)行識別,具有較高的準(zhǔn)確性;同時,攝像機還需能對火點位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位,和采集森林草原周邊的氣象信息(風(fēng)力,風(fēng)速等);在性能上要求攝像機具有良好的穩(wěn)定性,防雷抗風(fēng)能力等。

        多光譜攝像機的工作原理是,分析測量對象與背景或其各個部分之間的輻射信號差異,并將這種信號轉(zhuǎn)換為電信號,通過放大處理后,獲得視頻圖像。通俗地講多光譜攝像機的作用,將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭勺R別的熱圖像。由于不需要借助可見光,通過被動接收物體熱量而形成圖像,因此又稱被動紅外成像。

        在火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測方面,采用熱紅外智能煙火檢測技術(shù),實現(xiàn)煙火智能識別,并結(jié)合高清一體化可見光云臺攝像機及后端智能可視化綜合監(jiān)測管理軟件實現(xiàn)煙火智能識別并自動報警,與單一采用可見光檢測方式相比具有更高的準(zhǔn)確性;同時,運用重型數(shù)字云臺轉(zhuǎn)動的方位角和俯仰角、長焦鏡頭的焦距及后端GIS管理軟件平臺實現(xiàn)火點自動精確定位,通過攝像機和傳輸鏈路將視頻圖像和控制信號傳輸?shù)街笓]中心進(jìn)行監(jiān)視、存儲和管理。

        3.2 防盜報警子系統(tǒng)的技術(shù)特點

        森林防火智能監(jiān)測系統(tǒng)前端基站設(shè)備安裝的主要區(qū)域都是在密林深處,這些區(qū)域一般鮮有人跡、無人值守,所以,需要采用具備智能分析自動防盜報警功能的防盜攝像機,并通過雙向語音對講的方式,對野外森林防火監(jiān)測基站設(shè)備的偷盜者、違法打獵者、密林吸煙燒紙等人員起到警告和威懾作用。

        防盜報警系統(tǒng)工作方式為:一旦有人靠近、登上基塔,那么警告系統(tǒng)會開啟,攝像機的錄像信息會傳遞給監(jiān)控中心;同時,現(xiàn)場會放出警示信號,該信號傳遞給監(jiān)控中心后,監(jiān)控中性通過語音對講系統(tǒng)可以實現(xiàn)現(xiàn)場對講。

        上級的監(jiān)控指揮中心則通過對講系統(tǒng)能夠單向的通話,上級單元則可以監(jiān)聽本地的聲音信號。

        利用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠?qū)镜母黜梿巫釉O(shè)備進(jìn)行控制,還能對攝像機、云臺以及鏡頭等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

        前端基站的揚聲器及拾音器,能夠和指揮中心進(jìn)行對話;一旦外來人員進(jìn)入到基站,識別出其會威脅到基站的安全,則通過揚聲器自動播放音頻文件進(jìn)行警告等。

        3.3 頻段選擇

        相比起專用頻段的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,森林防火智能監(jiān)控系統(tǒng)有著極高的性價比,并且由于專用頻段的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與智能化監(jiān)控系統(tǒng)的兼容和匹配度不高,所以,森林防火智能監(jiān)控系統(tǒng)采用了性價比最高的5.8G無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。移動、電信3G網(wǎng)絡(luò)的帶寬目前還無法滿足視頻監(jiān)控實時傳輸?shù)男枰?,并且還未能全面覆蓋森林區(qū)域;而5.8G無線網(wǎng)絡(luò)的采用就解決了以上難題,它不僅費用低、傳輸帶寬高,而且通過自建的方式可以覆蓋眾多森林區(qū)域。

        3.4 火災(zāi)動態(tài)演練

        通過以時間順序顯示和移動標(biāo)繪,動畫模擬火災(zāi)的蔓延、人員的調(diào)動等行為,再現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場撲火過程,并提供開始、暫停、停止、重播等操作,幫助總結(jié)撲火經(jīng)驗?;蛘咄ㄟ^假想火災(zāi),根據(jù)火災(zāi)周邊的情況,制定撲火預(yù)案,進(jìn)行撲火演練,幫助撲火指揮人員提高實戰(zhàn)水平。提供動態(tài)演練的創(chuàng)建、編輯、存檔功能。

        3.5 三維林火定位及最佳路徑的技術(shù)優(yōu)勢

        系統(tǒng)可根據(jù)前端數(shù)字云臺信息及其海拔、塔高、云臺水平角、俯仰角信息結(jié)合DEM數(shù)據(jù),迅速、準(zhǔn)確地鎖定火點位置,同時獲得火點所在的地名,通過智能系統(tǒng)的計算,快速鎖定著火點周圍是否存在危險設(shè)施設(shè)備,對附近的撲火力量(專業(yè)森林撲火隊伍、村鎮(zhèn)應(yīng)急撲火隊伍等)進(jìn)行預(yù)估,并綜合地理信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析功能,快速分析計算出每支撲救力量到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場的時間和最佳路徑,進(jìn)行林火撲救的動態(tài)模擬,使撲火指揮人員就近組織撲火隊伍、物資展開有效的撲救。不僅如此,系統(tǒng)結(jié)合GPS衛(wèi)星定位、軌跡顯示等功能,能夠指引消防人員及車輛的通行,系統(tǒng)三維電子沙盤上顯示出的地理信息為指揮中心提供了清晰的路線,以便于消防人員及車輛可以選擇出最佳的救火路徑,并及時的抵達(dá)現(xiàn)場。

        3.6 林火蔓延動態(tài)模擬

        森林火災(zāi)的蔓延過程,是一個多相、多組分可燃物在不同的氣象條件和地形的影響下,進(jìn)行燃燒和運動的復(fù)雜現(xiàn)象。多光譜森林防火系統(tǒng)結(jié)合惠更斯原理和國際上成熟的林火行為模型(Rothermel的地表火模型,Van Wagner的樹冠火蔓延模型,McAlpine 的林火加速模型),建立了適合呼和浩特市大青山前坡地形的林火蔓延動態(tài)模型,由此開發(fā)出相應(yīng)的動態(tài)模擬模塊。

        通過對火情位置點當(dāng)時的天氣狀況(溫度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速)、地形地貌、周圍可燃物狀況的分析,以及對該區(qū)域森林資源的種類、面積、樹齡和防火線、河流、道路、防火林帶等隔離帶信息的分析,根據(jù)森林火情的蔓延態(tài)勢來模型動態(tài)計算后,自動生成該區(qū)域林火蔓延的模擬效果,第一時間向決策者提供火情燃燒區(qū)域、蔓延速度、火線強度、火場擴展趨勢等重要火災(zāi)行為信息,使指揮人員在辦公室就可看到未來一段時間內(nèi)林火發(fā)展蔓延的趨勢和情況。

        3.7 定制作戰(zhàn)方案

        系統(tǒng)根據(jù)森林火災(zāi)撲救指揮的工作流程,實現(xiàn)火災(zāi)撲救模擬作戰(zhàn)方案的制定,涉及的模塊主要包括:火點自動定位、火險預(yù)警、林火蔓延模擬、輔助決策、指揮調(diào)度、日常管理、林火標(biāo)繪。

        定制作戰(zhàn)方案的流程如圖1所示:

        圖1 定制作戰(zhàn)方案流程

        3.8 林火撲救命令的下發(fā)

        根據(jù)火情的不同情況,系統(tǒng)定制作戰(zhàn)方案后,通過服務(wù)器向移動端發(fā)送林火撲救命令,值班人員、撲防火隊、應(yīng)急部門等會接收到發(fā)送的指令,做出行動。

        3.9 根據(jù)現(xiàn)場回傳的GPS位置信息、圖像、聲音進(jìn)行實時指揮作戰(zhàn)前端撲救隊伍、車輛、指揮中心、聯(lián)動部門等通過平板電腦、手機、電話等多種移動途徑將現(xiàn)場的GPS位置信息、圖像、聲音回傳到系統(tǒng),在地圖中顯示出來,用于系統(tǒng)輔助決策功能。

        3.10 GPS監(jiān)控

        多光譜森林防火指揮輔助決策系統(tǒng)結(jié)合了GPS技術(shù)、無線通信技術(shù)(GSM/GPRS/CDMA) , 對攜帶了GPS終端的護(hù)林人員、撲火隊員和車輛進(jìn)行定位跟蹤、歷史軌跡回放、安全報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控,實時監(jiān)測其所在位置,決策者可以隨時進(jìn)行指揮調(diào)度。

        GPS 監(jiān)控功能包括GPS跟蹤、GPS定位、撲火路徑分析等基本GIS功能。通過GPRS 將被監(jiān)控移動設(shè)備的GPS (可以擴展到北斗)的地理坐標(biāo)系統(tǒng),發(fā)送到服務(wù)器端;查詢用戶可以通過PC或者其他移動設(shè)備,實時查詢被監(jiān)控對象的位置坐標(biāo),并能夠動態(tài)的反映在電子地圖上。配備定位終端設(shè)備給救護(hù)車及撲救人員,可以讓他們實時掌握動態(tài)的信息,以實現(xiàn)不間斷地跟蹤;指揮系統(tǒng)與移動目標(biāo)結(jié)合在一起,能夠讓車輛、人員的信息位置直觀地展現(xiàn)出來,并獲得其對應(yīng)的軌跡信息。系統(tǒng)支持對歷史軌跡進(jìn)行查詢、回放;系統(tǒng)能夠借助強大的GIS系統(tǒng)支持,幫助撲救人員、車輛進(jìn)行綜合分析,確定最優(yōu)路徑和最優(yōu)滅火方案,引導(dǎo)其快速滅火。

        同時,系統(tǒng)還可以通過前端GPS設(shè)備回傳的數(shù)據(jù),直接在系統(tǒng)中自動形成封閉的過火區(qū)域,并自動進(jìn)行過火面積統(tǒng)計計算。

        4.風(fēng)光互補供電子系統(tǒng)

        呼和浩特市新城區(qū)森林區(qū)域日照充足,風(fēng)力較大,能為風(fēng)光互補供電系統(tǒng)提供充足的太陽能、風(fēng)能資源,保障監(jiān)控設(shè)備的正常運行,為森林防火監(jiān)控供應(yīng)電能。

        前端監(jiān)控基站所處位置在野外,除基站附近有市電的情況下可以采用電纜電力輸送,并根據(jù)實際情況配置USP后備電源系統(tǒng)。遠(yuǎn)距離一般不建議采用市電,因為過長的電源線路導(dǎo)致到達(dá)基站時電壓較低,容易造成設(shè)備損害,而且成本高,所以,最好的方案就是在日照比較豐富的地方采用太陽能發(fā)電系統(tǒng),在風(fēng)能比較豐富的地方采用風(fēng)能和太陽能互補的發(fā)電系統(tǒng)。

        5.結(jié)論和意義

        綜合運用多種技術(shù),以林業(yè)專題數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫和防火數(shù)據(jù)庫為支撐,通過多光譜森林防火輔助決策支持系統(tǒng),在呼和浩特市新城區(qū)大青山前坡實現(xiàn)三維場景下的“災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后”全過程、全方位、一體化的動態(tài)管控及決策,以支持森林火災(zāi)的預(yù)測、預(yù)警、撲救及災(zāi)后評估等決策,構(gòu)建一個智能化防火體系。同時,多光譜森林防火輔助決策支持系統(tǒng)使新城區(qū)的森林草原防火實現(xiàn)指揮快速化、決策科學(xué)化、調(diào)度實時化以及防火信息資源化的目標(biāo),及時準(zhǔn)確地提供火災(zāi)初期預(yù)警,把火災(zāi)控制在較小的范圍內(nèi),使損失降低到最低程度;同時,幫助森林防火部門更加方便、快捷和系統(tǒng)化的工作,管理方式逐漸從以前粗放式管理向信息化管理過渡,加強了對監(jiān)控過程的集中管理,保證國家財產(chǎn)安全、降低管理成本,為新城區(qū)的森林草原生態(tài)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮積極的作用。

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