陳新杰 孟 旭 常 印 鄭洪雷 王 琦

（1.天津市規(guī)劃與自然資源局，天津 300399；2.中國鐵塔股份有限公司天津市分公司，天津 300250）

森林在調(diào)節(jié)氣候、美化環(huán)境、提供木材等方面發(fā)揮著重要作用[1]，森林生態(tài)系統(tǒng)物種多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能豐富的特點，特別是在涵養(yǎng)水源、降低溫室效應(yīng)等方面具有重要作用，被譽(yù)為“地球之肺”。然而，隨著近年來氣候變暖導(dǎo)致極端天氣增多，頻繁引發(fā)森林火災(zāi)等自然災(zāi)害，嚴(yán)重危害人民群眾生命財產(chǎn)安全，對生態(tài)環(huán)境帶來較大破壞。森林火災(zāi)逐漸成為世界性的林業(yè)重大災(zāi)害，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織確認(rèn)為世界八大自然災(zāi)害之一[1]。天津市地處華北平原北部，林地面積20.39 萬hm2、森林面積13.64 萬hm2、森林覆蓋率12.07%、森林蓄積量460.27 萬m3，含有平原、山地、丘陵三種地形，氣候多變。且近十年來北部山區(qū)林內(nèi)可燃物普遍增加了2～5倍，重點林區(qū)可燃物載量每公頃已高達(dá)50～60 t，遠(yuǎn)超國際公認(rèn)的可能發(fā)生重特大森林火災(zāi)的臨界值，森林火災(zāi)風(fēng)險隱患增加、監(jiān)測告警任務(wù)加重、森林防火難度加大[2-3]。面對日益嚴(yán)峻的森林防火形勢，天津市始終認(rèn)真踐行“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念，壓實森林防火職責(zé)，創(chuàng)新森林防火治理體制機(jī)制，積極探索和應(yīng)用云計算、AI智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新一代信息技術(shù)，堅持預(yù)防為主、防救并舉原則，全面提高全市森林防火能力，最大限度減少森林防火災(zāi)害發(fā)生及其帶來的損失，保障天津市國土生態(tài)安全[2-5]。

1 森林防火綜合治理現(xiàn)狀分析

近年來，森林火災(zāi)風(fēng)險不斷增大的主要誘因如下：1）異常氣候變化導(dǎo)致極端天氣增多；2）森林公園旅游業(yè)的快速發(fā)展帶來較大的人為誘因風(fēng)險；3）野外火源管理難度增大，導(dǎo)致森林火災(zāi)隱患不斷增加，也增加了森林防火監(jiān)測難度[2，6]。天津市北部山區(qū)作為天津市森林火災(zāi)高風(fēng)險區(qū)中的重點管控區(qū)，全域森林面積5.166 3 萬hm2，占全市森林總面積的27.3%，山區(qū)植被茂密，林木綠化率高達(dá)49.5%，是天津市重要的水源涵養(yǎng)地。同時，山區(qū)境內(nèi)包含眾多生態(tài)自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、文物保護(hù)區(qū)及森林公園等，在推動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展的同時，也為天津市森林防火工作的防治帶來了壓力和挑戰(zhàn)[7-10]。當(dāng)前，經(jīng)過不斷探索和努力，天津市森林防火監(jiān)控能力和防火災(zāi)能力持續(xù)提升：1）森林火災(zāi)預(yù)防體系逐步健全，立體化監(jiān)測告警網(wǎng)格已基本形成；2）森林火情巡防隊伍能力不斷增強(qiáng)，物資保障能力顯著提升；3）森林防火保障體系日趨完善，組織機(jī)制及法律體系不斷完善。天津市實現(xiàn)了在“十三五”期間持續(xù)保持無重大森林火災(zāi)的良好態(tài)勢。

與此同時，面對森林面積不斷增加、火災(zāi)因素增多、火源管控難度加大等火災(zāi)防范壓力不斷增大的嚴(yán)峻形勢和挑戰(zhàn)，如何快速提高和形成高效的森林防火監(jiān)測和告警能力，成為天津市森林防火工作的首要問題。而預(yù)防監(jiān)測是實現(xiàn)森林火災(zāi)“早發(fā)現(xiàn)”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，天津市森林防火工作積極探索和應(yīng)用信息化技術(shù)和現(xiàn)代化科技手段，加強(qiáng)新技術(shù)應(yīng)用，創(chuàng)新預(yù)防模式，強(qiáng)化響應(yīng)措施，加快構(gòu)建完善的森林火險智慧監(jiān)測預(yù)防系統(tǒng)[2，11]。通過智慧監(jiān)測和識別來實現(xiàn)在火災(zāi)初始階段進(jìn)行及時防治和火情控制，提高火災(zāi)撲救指揮調(diào)度的有效性和準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提高森林防火工作效率，從而有效減少森林火災(zāi)損失[12-13]。

2 森林火險智慧監(jiān)測和告警

為有效預(yù)防和遏制森林火災(zāi)發(fā)生，保障森林生態(tài)安全和人民群眾生命財產(chǎn)安全，針對潛在風(fēng)險區(qū)域，利用高點通訊鐵塔資源安裝部署智能監(jiān)控設(shè)施，通過熱成像攝像機(jī)、AI智能算法、云計算、大數(shù)據(jù)、GIS地圖等新一代信息技術(shù)，搭建森林火險智慧監(jiān)測預(yù)防系統(tǒng)[14-16]。以可視化、感知化、智能化、協(xié)同化的方式，更加深入直觀、準(zhǔn)確、高效的為森林防火工作提供數(shù)據(jù)和能力支撐，實現(xiàn)森林防火智能化監(jiān)測告警和管理。通過實時監(jiān)測和告警，第一時間發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和調(diào)度，并實時掌控林區(qū)內(nèi)火災(zāi)火情動態(tài)，從而作為森林防火地面人工巡護(hù)的有效補(bǔ)充和替代，在大大提高森林防火工作效率的同時，有效解放巡護(hù)人員勞動力，同時在森林火災(zāi)早期監(jiān)測、告警以及火災(zāi)撲救過程中發(fā)揮重要作用[17-20]。

2.1 基于AI算法的智能識別技術(shù)運(yùn)用

據(jù)科學(xué)實驗表明：人眼直視監(jiān)控視頻畫面約22 min后，將會對視頻畫面內(nèi)容失去分辨能力，所以通過AI算法識別技術(shù)來代替人眼觀看，將成為技術(shù)發(fā)展的必然。通常被用于森林火災(zāi)識別的AI算法包括可見光林火識別和熱成像林火識別兩類。其中可見光林火識別主要是對畫面內(nèi)容豐富、直觀的視頻畫面或圖片進(jìn)行識別，主要用于白天識別煙霧、晚上識別火光，有利于實現(xiàn)“打早、打小、打了”，有利于人工進(jìn)行火情研判；熱成像林火識別的監(jiān)測畫面主要以黑、白、灰為主，主要用于識別火源（火焰）本身?？梢姽饬只鹱R別與熱成像林火識別特點對比，如表1所示。

表1 可見光林火識別與熱成像林火識別特點對比Tab.1 Comparison of the characteristics of visible light forest fire identification and thermal imaging forest fire identification

森林防火監(jiān)測告警的關(guān)鍵在于要盡可能早的發(fā)現(xiàn)火情并進(jìn)行告警，然而森林火災(zāi)早期監(jiān)測識別的難度通常最大，其主要難點在于目標(biāo)尺寸小、特征不夠明顯，干擾因素較多等。其中最常見的干擾因素可總結(jié)為以下三個方面：1）煙霧自身多變的形態(tài)、復(fù)雜的紋理，是煙霧檢測的難題之一；2）樹梢晃動、反光、云影移動、飛鳥、霧氣等是造成誤報的擾動因子；3）霧霾、云團(tuán)對算法識別的干擾?；诖?，對于AI算法自身而言，需具備計算機(jī)語義分割和識別，能實現(xiàn)讓算法自身可以劃分檢測場景，判別出需要檢測的區(qū)域，實現(xiàn)精準(zhǔn)識別。同時，通過設(shè)置預(yù)置位對特性區(qū)域進(jìn)行重點監(jiān)測，對不同預(yù)置位設(shè)置靈活的識別策略，以此來實現(xiàn)AI算法智能識別的有效性[21-22]。

2.2 “端-邊-云”協(xié)同一體化林火監(jiān)測和告警

當(dāng)前市面上的智能攝像機(jī)可以內(nèi)置不同的AI算法，已初步具備一定的AI算法識別監(jiān)測能力。在攝像機(jī)端發(fā)起智能識別檢測，既可以滿足高精度林火識別的檢測需求，又可以最大限度降低后端網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬壓力，但智能攝像機(jī)內(nèi)置算法種類單一、算力有限且只能識別簡單的應(yīng)用場景。對于森林防火實時監(jiān)測的高架大視野場景，同時考慮到受山區(qū)云團(tuán)、云霧、云影、反光等野外復(fù)雜環(huán)境的影響，對AI算法識別能力提出了更高的要求。因此，可通過架設(shè)邊緣計算節(jié)點，來實現(xiàn)AI算法賦能。較常見的邊緣計算節(jié)點多數(shù)是基于硬件來實現(xiàn)，如邊緣智能盒。邊緣計算節(jié)點可以同時接入多路前端攝像機(jī)，并從前端攝像機(jī)獲取實時視頻流進(jìn)行AI算法識別分析，當(dāng)識別到異常時會自動進(jìn)行錄像、截圖并生成事件告警數(shù)據(jù)上報到云端。而云端則是基于云計算的AI林火智能識別引擎，可以面向全國不同地區(qū)、用戶、應(yīng)用提供林火云端智能檢測，打破了地域限制，避免了重復(fù)建設(shè)問題。同時，云計算檢測方案還具備彈性伸縮優(yōu)勢，依據(jù)不同需求和資源估算，可動態(tài)調(diào)整服務(wù)對象所需的存儲、網(wǎng)絡(luò)和計算能力[23-24]?！岸?邊-云”協(xié)同架構(gòu)示意，如圖1所示。

圖1 “端-邊-云”協(xié)同架構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of "end-edge-cloud" collaboration architecture

通過邊云混合計算的模式來實現(xiàn)災(zāi)情告警的二次研判，可以有效提升AI識別監(jiān)測的準(zhǔn)確率。即前端攝像機(jī)或邊緣計算節(jié)點實時采集監(jiān)控視頻對原始視頻流圖像進(jìn)行初步分析后，將疑似煙火的視頻片段或圖片傳回至云端，由云端部署的AI算法進(jìn)行二次識別驗證，然后將二次識別研判后的結(jié)果作為最終的研判結(jié)果上報給用戶端進(jìn)行處置。邊云混合計算的技術(shù)指標(biāo)分析對比，如表2所示。

表2 邊云混合計算技術(shù)指標(biāo)分析對比Tab.2 Analysis and comparison of technical indicators of edge-cloud hybrid computing

3 森林防火智能化運(yùn)維和保障

構(gòu)建森林火險智慧監(jiān)測預(yù)防系統(tǒng)，需使用大量的攝像機(jī)、監(jiān)測器材、電力及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)然A(chǔ)設(shè)施，而這些設(shè)施的運(yùn)行和工作需要有配套的電力供應(yīng)，在山區(qū)林地這種惡劣的環(huán)境下，電力保障問題無疑成為最大的難點。而通信基站鐵塔自身已具備了良好的電力保障條件，且塔身具有一定高度更適用于高點監(jiān)控。顯然，通信基站鐵塔的資源優(yōu)勢即是森林防火監(jiān)測最基本的資源保障。

森林防火工作需要具備7×24 h實時視頻監(jiān)控能力，因此對攝像機(jī)、計算節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)热溌愤\(yùn)行維護(hù)提出了更高的要求。主要有以下兩點要求：1）電力保障及應(yīng)急備電能力。通訊基站多數(shù)采用市電引入的方式供電，同樣會存在電路斷線導(dǎo)致停電的安全隱患。通過采用蓄電池、光伏等方案提供備用電源，并實現(xiàn)斷電自動切換；2）通信鏈路故障診斷及自恢復(fù)。當(dāng)攝像機(jī)離線時，從云端系統(tǒng)內(nèi)很難直觀、快速地定位問題原因所在。為此，設(shè)計實現(xiàn)了一款基于硬件、用于數(shù)據(jù)采集的智慧物聯(lián)安全終端設(shè)備。當(dāng)出現(xiàn)前端攝像機(jī)網(wǎng)絡(luò)、供電、設(shè)備故障等異常情況時，智慧物聯(lián)安全終端設(shè)備會自動觸發(fā)智能自愈行為，嘗試自行修復(fù)故障，減少人工介入的工作量。對于無法自愈的故障，智慧物聯(lián)安全終端設(shè)備會將故障診斷原因及參考數(shù)據(jù)推送至平臺大屏幕提示，在GIS地圖上對報警點位進(jìn)行標(biāo)定，并聯(lián)動運(yùn)維人員手機(jī)，送達(dá)通知，確保第一時間送達(dá)故障信息。除此之外，智慧物聯(lián)安全終端設(shè)備還具備較好的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力，可以總結(jié)為以下五個方面：1）設(shè)備箱門狀態(tài)監(jiān)測非法開箱報警；2）設(shè)備身份準(zhǔn)入核驗阻止非法入網(wǎng)；3）防火墻黑白名單阻擋非法訪問；4）數(shù)據(jù)包入侵監(jiān)測發(fā)現(xiàn)威脅實時報警；5）日志審計追溯取證。智慧物聯(lián)安全終端設(shè)備外形示意圖如圖2所示。

圖2 智慧物聯(lián)安全終端設(shè)備外形示意圖Fig.2 Intelligent internet of things security terminal device appearance diagram

傳統(tǒng)森林防火方案關(guān)注的火災(zāi)產(chǎn)生的原因多數(shù)是基于防護(hù)體系外部原因，如人為明火、天氣干燥、閃電引火等。而忽略了防護(hù)體系內(nèi)部潛在的可能引發(fā)火災(zāi)的風(fēng)險，如設(shè)備過載、溫度過高甚至線路短路、漏電等引發(fā)的火災(zāi)。而系統(tǒng)中采用的智慧物聯(lián)安全終端設(shè)備內(nèi)集成了支持空開的智能斷路器，當(dāng)出現(xiàn)線路過載等異常情況時，實現(xiàn)自動斷電防止火災(zāi)的發(fā)生。

4 “空天地人”一體化監(jiān)測體系

構(gòu)建“空天地人”一體化、全方位監(jiān)測體系，打造四位一體化的融合平臺能力。通過融合“衛(wèi)星遙感+無人機(jī)航拍+測繪建模+光譜分析+5G+神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”等技術(shù)，充分利用衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、鐵塔通信基站、地面物聯(lián)網(wǎng)（視頻監(jiān)控）和人工巡護(hù)相結(jié)合的手段，形成綜合森林防火監(jiān)管告警平臺，對森林火災(zāi)和森林資源進(jìn)行全域、全天候高效監(jiān)測。運(yùn)用現(xiàn)代科技手段建設(shè)衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)、無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)、地面物聯(lián)網(wǎng)測報（視頻監(jiān)控）系統(tǒng)、人工巡護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)利用遙感衛(wèi)星、無人機(jī)、高點攝像機(jī)以及巡護(hù)移動終端等手段的監(jiān)控形成“空天地人”四位一體化的森林防火監(jiān)管系統(tǒng)，有效整合林木和信息資源，實現(xiàn)林區(qū)的社會、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一[25，27]。“空天地人”四位一體化監(jiān)測如圖3所示。

圖3 “空天地人”四位一體化監(jiān)測示意圖Fig.3 Schematic diagram of "Space，Sky，Earth and People" four integrated monitoring

通過利用“空天地人”四位一體化監(jiān)測體系來實現(xiàn)森林資源生態(tài)環(huán)境因子監(jiān)測，通過自組織的方式構(gòu)成無線生態(tài)因子傳感網(wǎng)，實時監(jiān)測森林植被生長狀況、火情情況、病蟲害情況、干旱缺水情況及生態(tài)環(huán)境因子、氣象因子、土壤肥力、土壤酸堿度等因子變化情況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至大數(shù)據(jù)平臺，為森林林場資源綜合評價提供數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)森林林場資源和環(huán)境的精準(zhǔn)監(jiān)測和保護(hù)[26-27]。

5 結(jié)語

森林防火工作是森林管理中的重要一環(huán)。在加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時代背景下，需緊跟時代步伐加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升森林防火技術(shù)能力，實現(xiàn)監(jiān)測告警智能化、自動化。智能化森林防火監(jiān)測、告警和智能化運(yùn)維保障機(jī)制能全面提升森林防火工作質(zhì)量和效率，能直觀及時地反映森林火險威脅情況，實現(xiàn)自動告警?！翱仗斓厝恕币惑w化監(jiān)測機(jī)制通過全域、全天候高效的數(shù)據(jù)采集為森林林場資源和環(huán)境提供更全面、更精準(zhǔn)的監(jiān)測、預(yù)警和保護(hù)，成為保護(hù)森林資源及人民生命財產(chǎn)安全的技術(shù)手段之一。