趙麗宏 牛立成 魏何坤 王文革

(黑龍江省尚志國(guó)有林場(chǎng)管理局，黑龍江 尚志 150600)

森林是我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的重要主體，在保持經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展中具有重要的作用，同時(shí)對(duì)保持生物多樣性也影響巨大。我國(guó)擁有森林面積1.75億hm2，總林木蓄積量約為124.56億 m3，當(dāng)前森林覆蓋率18.21%，我國(guó)既是森林林木資源利用大國(guó)，也是原始森林火災(zāi)事故多發(fā)的國(guó)家。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，全世界平均每年發(fā)生森林火災(zāi)高達(dá)20余萬(wàn)起，森林燒毀破壞林木640多萬(wàn) hm2，在全球森林總面積占比為0.018%。森林火災(zāi)具有極強(qiáng)的突發(fā)性、極大的破壞力，已成為當(dāng)今世界生態(tài)安全的最大威脅之一。國(guó)家森林防火指揮部辦公室提供的資料表明，1950—2012年這60多年間，全國(guó)累計(jì)發(fā)生的森林火災(zāi)高達(dá)79.8萬(wàn)多起，因火災(zāi)損害的森林面積3 800多萬(wàn) hm2，相當(dāng)于目前植樹(shù)造林年均面積的6倍之多，每年為緊急撲救森林大火耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。可以說(shuō)森林大火對(duì)森林資源和自然生態(tài)環(huán)境的破壞所造成的損失是巨大的，難以估量的。只有做好森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)，提高預(yù)警監(jiān)測(cè)能力，確?；鹎榛鹁脑绨l(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早處置和早撲滅，才能有效避免森林火災(zāi)發(fā)生和降低火災(zāi)造成的損失。

1 尚志國(guó)有林區(qū)現(xiàn)狀

1.1 自然地理?xiàng)l件

黑龍江省尚志國(guó)有林場(chǎng)管理局(以下簡(jiǎn)稱尚志管局)始建于1958年，隸屬黑龍江省林業(yè)和草原局。地處黑龍江省東南部尚志市境內(nèi)，境內(nèi)交通網(wǎng)較發(fā)達(dá)，高鐵(哈—牡)客運(yùn)專線、哈綏鐵路東西橫貫，綏滿高速公路、301國(guó)道、229國(guó)道、省、市、縣和鄉(xiāng)公路縱橫交錯(cuò)。尚志管局主管8個(gè)國(guó)有林場(chǎng)，森林總經(jīng)營(yíng)面積20.06萬(wàn)hm2，其中，有林地面積149 078.9 hm2(天然林面積103 568.8 hm2，人工林面積45 510.1 hm2)，森林覆蓋率為74.3%，林木綠化率為74.6%。活立木蓄積15 065 265 m3。尚志管局的施業(yè)區(qū)氣候條件屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，為低山丘陵地貌，多為淺山區(qū)，農(nóng)林鑲嵌，是森林火災(zāi)高危區(qū)，森林防火壓力較大[1-3]。

1.2 森林防火面臨的嚴(yán)峻形勢(shì)

(1)全球的氣候逐漸變暖，極端天氣現(xiàn)象明顯增多，森林火災(zāi)的威脅加劇。世界氣象組織在2015年的報(bào)告中表明，過(guò)去的10年，氣候變暖持續(xù)，升溫、強(qiáng)風(fēng)和干燥等天氣增多，為最熱的時(shí)期。近年來(lái)，美國(guó)、俄羅斯等很多國(guó)家出現(xiàn)了歷史罕見(jiàn)的森林火災(zāi)事件。據(jù)氣象部門分析，目前全世界出現(xiàn)干旱氣候的可能性正呈明顯增加態(tài)勢(shì)，我國(guó)遭受干旱天氣的影響趨勢(shì)也明顯增加。據(jù)有關(guān)部門分析，未來(lái)的10年全球氣溫仍會(huì)持續(xù)攀升，極端氣候現(xiàn)象仍會(huì)顯著增多，對(duì)森林防火將十分不利。

(2)生態(tài)保護(hù)政策持續(xù)發(fā)力，森林內(nèi)的可燃物載量將不斷上升，森林防火壓力也將進(jìn)一步加重。近年來(lái)，天然商品林全面停伐，國(guó)有林場(chǎng)加大森林培育力度，森林資源的逐年增長(zhǎng)，林內(nèi)的可燃物載量不斷增加。據(jù)相關(guān)部門調(diào)查統(tǒng)計(jì)，相當(dāng)一部分林區(qū)林分可燃物載量遠(yuǎn)超全球認(rèn)定的可能引起重特大森林火災(zāi)每公頃30 t的計(jì)算量，森林火災(zāi)極易發(fā)生。同時(shí)，隨著近年人工造林力度的持續(xù)加大，中、幼齡林面積比例越來(lái)越大，存在林木自身抵御火險(xiǎn)能力不足的特點(diǎn)，如果發(fā)生火災(zāi)，森林資源將遭受重大損失，甚至造成毀滅性的后果。

(3)受農(nóng)耕方式和文化習(xí)俗的影響，野外用火日益增多，以及休閑旅游、林副產(chǎn)品采摘等林內(nèi)活動(dòng)逐年活躍，造成森林防火難度加大。尚志管局地處淺山區(qū)，林農(nóng)交錯(cuò)嚴(yán)重，雖然近幾年黑龍江省實(shí)施了秸稈禁燒，但“燒荒”“煉山”“燒秸稈”“燒地頭”和群眾傳統(tǒng)祭祀習(xí)俗等因素影響，農(nóng)事用火依然普遍存在，重大傳統(tǒng)節(jié)日上墳謁祖、焚香燒紙和防火期野炊等現(xiàn)象也較為普遍，林區(qū)野外火源管理難度加大。隨著集體林權(quán)制度改革的逐步推進(jìn)及國(guó)有林區(qū)、國(guó)有林場(chǎng)改革的逐步實(shí)施，森林內(nèi)的各種生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)更加活躍，林下種植規(guī)模逐漸增加，森林休閑旅游迅速發(fā)展，進(jìn)入林區(qū)的人員日益增多。以上這些造成林內(nèi)人員活動(dòng)增多，野外火源隱患加大，森林防火形勢(shì)嚴(yán)峻。

2 林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 預(yù)警監(jiān)測(cè)手段現(xiàn)狀

2.1.1 天空—衛(wèi)星監(jiān)控

衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)是近年來(lái)衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林防火工作中的新應(yīng)用。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大面積森林進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這不但能夠及早發(fā)現(xiàn)早期森林火災(zāi)，尤其是在偏遠(yuǎn)地區(qū)和人煙稀少區(qū)域的重特大森林火災(zāi)。同時(shí)它也能夠?qū)σ殉霈F(xiàn)的森林火災(zāi)，尤其是對(duì)重大森林火災(zāi)蔓延狀況能夠?qū)嵤┏掷m(xù)追蹤監(jiān)控，為撲火工作進(jìn)行輔助策略，也能夠?yàn)槿粘Ｉ址阑鸷秃娇兆o(hù)林工作提供氣象、地理等信息。

衛(wèi)星林火監(jiān)測(cè)雖然具有監(jiān)測(cè)范圍廣、數(shù)據(jù)收集傳送快、信息推送連續(xù)，且不受地形條件的影響等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在因衛(wèi)星偏角影響，出現(xiàn)位置偏差，需要地面人員現(xiàn)地核實(shí)，浪費(fèi)較大的人力、物力和財(cái)力。對(duì)偏遠(yuǎn)和交通不便的地方，火情核實(shí)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。從衛(wèi)星過(guò)境，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，再組織隊(duì)伍撲救，整個(gè)過(guò)程用時(shí)較長(zhǎng)，容易延誤火災(zāi)撲救的最佳時(shí)機(jī)[4]。

2.1.2 高空—瞭望塔人工瞭望

防火瞭望塔一般都建設(shè)在森林腹地的制高點(diǎn)，瞭望塔人工瞭望可以發(fā)揮高度優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大森林防火監(jiān)測(cè)范圍,可以說(shuō)是相當(dāng)于為地面巡護(hù)人員安裝了“千里眼”，有效解決了地面巡護(hù)無(wú)法顧及的區(qū)域，從而提高火情監(jiān)測(cè)效率。依托瞭望塔的高度優(yōu)勢(shì)，可提高監(jiān)管范圍，站得高看得更遠(yuǎn)，并且可作為巡護(hù)人員的長(zhǎng)期駐點(diǎn)，從而延長(zhǎng)巡邏值班的時(shí)間。

瞭望塔人工瞭望具有覆蓋面較大、效果較好的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在觀測(cè)受地勢(shì)影響，有觀測(cè)死角和盲區(qū)；受天氣影響，觀察距離不確定；受煙霧影響，火場(chǎng)實(shí)際情況觀察不到；受瞭望員自身影響，地位準(zhǔn)確性不高，誤差大。同時(shí)，林區(qū)天氣多變、雷電天氣時(shí)有發(fā)生，瞭望塔生活工作條件簡(jiǎn)陋、野生動(dòng)物襲擊，都影響瞭望員正常開(kāi)展瞭望。

2.1.3 地面—人工巡護(hù)

全局森林資源管護(hù)人員在森林防火期內(nèi)負(fù)責(zé)本責(zé)任區(qū)內(nèi)的森林防火巡查，對(duì)特殊天氣和重點(diǎn)部位加大巡視力度，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，并對(duì)初發(fā)火情進(jìn)行早期控制，同時(shí)通知專業(yè)隊(duì)伍開(kāi)展撲救[5]。進(jìn)入防火期，資源管護(hù)站兼具防火檢查站的功能，對(duì)入山人員進(jìn)行防火宣傳，禁止火種入山，及時(shí)制止野外非法弄火行為。

人工地面巡護(hù)具有靈活機(jī)動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)決策的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也因夜間或霧天不能觀測(cè)，瞭望視野小，環(huán)境影響大，容易造成誤判的缺陷。野外巡查還具有一定的危險(xiǎn)性，具有很大的局限性和不穩(wěn)定性。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

尚志管局深入分析當(dāng)前森林防火工作的形勢(shì)，準(zhǔn)確把握森林防火工作發(fā)展趨勢(shì)，堅(jiān)持預(yù)防為主、防滅結(jié)合的方針，為了完善森林資源保護(hù)的無(wú)死角、全天候和實(shí)時(shí)監(jiān)控，為實(shí)現(xiàn)“預(yù)防為主、積極消滅”和“打早、打小、打了”的目標(biāo)，與中國(guó)鐵塔公司哈爾濱分公司合作，充分利用鐵塔存量資源、數(shù)據(jù)傳輸資源，以購(gòu)買服務(wù)的方式建設(shè)了林火視頻監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，基本建成“衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控和人工巡護(hù)”的天空地立體化森林防火預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2.1 系統(tǒng)規(guī)劃和布局

根據(jù)全局森林資源分布情況，結(jié)合林區(qū)村屯坐落，利用尚志管局范圍內(nèi)通信基站的高點(diǎn)站址、電力保障和傳輸資源等得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，利用現(xiàn)有防火瞭望塔高點(diǎn)資源，規(guī)劃布設(shè)林火視頻監(jiān)控點(diǎn)位，如圖1所示。由供應(yīng)商協(xié)調(diào)電力供應(yīng)以及傳輸資源，布設(shè)遠(yuǎn)距離高清攝像機(jī)晝夜實(shí)時(shí)監(jiān)控。在管護(hù)站附近道路設(shè)置卡口攝像機(jī)，方便林業(yè)管理人員對(duì)上下山人員、車輛進(jìn)行安全防火檢查及管理。同時(shí)，為日后取證追溯提供可靠信息支撐。前端設(shè)備通過(guò)專線傳輸，將監(jiān)控信號(hào)統(tǒng)一匯集到專用平臺(tái)，由平臺(tái)進(jìn)行智能處理。發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)后，定位火點(diǎn)位置，推送預(yù)警信息，智能提供路徑規(guī)劃、行軍導(dǎo)航等功能，可通過(guò)移動(dòng)端上傳火場(chǎng)情況、立地條件等信息[6-4]。

圖1 黑龍江省尚志國(guó)有林場(chǎng)管理局防火視頻監(jiān)控點(diǎn)位規(guī)劃圖

2.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺(tái)是森林防火物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的核心和人機(jī)交互窗口，是森林防火物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)用戶的唯一面向的對(duì)象，森林防火軟件應(yīng)具備更好的針對(duì)性、易用性和專業(yè)性。

平臺(tái)采用主流的技術(shù)架構(gòu)，分5層框架實(shí)現(xiàn)，分別為應(yīng)用層、應(yīng)用接口層、平臺(tái)層、設(shè)備接口層和采集層等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、配置靈活、便于拓展和升級(jí)、與第三方系統(tǒng)無(wú)縫對(duì)接等，平臺(tái)對(duì)上下兩層提供統(tǒng)一接口、屏蔽具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)、支持CS架構(gòu)和BS架構(gòu)的客戶端和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式靈活多變。平臺(tái)通過(guò)客戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)森林防火視頻信號(hào)、信號(hào)的展現(xiàn)和保存。平臺(tái)軟件架構(gòu)如圖2所示。

2.2.3 系統(tǒng)功能

森林防火監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)通過(guò)對(duì)采集層提供的氣象、地理和視頻等多傳感器時(shí)空數(shù)據(jù)信息進(jìn)行序列分析、預(yù)測(cè)分析、聚類分析、連接分析、判別分析和邏輯分析。通過(guò)對(duì)時(shí)空大數(shù)據(jù)的深度多維度分析，可全面掌握森林實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、災(zāi)情的區(qū)域分布、行業(yè)分布、時(shí)段分布和起火原因等信息。通過(guò)對(duì)林火因子、火災(zāi)蔓延模型進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，對(duì)林火分析、林火發(fā)生規(guī)律和林火發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行綜合評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)林火進(jìn)行智能預(yù)測(cè)、智能報(bào)警和智能指揮的綜合管理體系[8]。

圖2 平臺(tái)軟件架構(gòu)圖

(1)平臺(tái)可以對(duì)所有前端視頻監(jiān)控設(shè)備 (包括高點(diǎn)熱成像攝像機(jī)、人車卡口)的集中視頻監(jiān)控、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、管理和控制。

(2)平臺(tái)支持同時(shí)管理10 000個(gè)前端網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控設(shè)備。

(3)平臺(tái)可兼容接入支持(ONVIF)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及GB/T28181協(xié)議的前端視頻設(shè)備，可對(duì)其中全部功能和參數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

(4)平臺(tái)可對(duì)前端監(jiān)控設(shè)備支持云臺(tái)控制功能的設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制，可以定位到指定位置，對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)焦和變倍功能，方便用戶進(jìn)行精細(xì)化操作和定位。

(5)系統(tǒng)對(duì)道路卡口視頻監(jiān)控采集的人車數(shù)據(jù)采集的人車數(shù)據(jù)，從而實(shí)時(shí)監(jiān)控人類、車輛活動(dòng)。

(6)系統(tǒng)中可以顯示無(wú)人機(jī)航跡顯示、無(wú)人機(jī)圖像與視頻播放和視頻接入，并支持設(shè)置查詢巡檢軌跡。

(7)系統(tǒng)支持對(duì)所有告警信息的查詢、包括告警類型、告警時(shí)間和告警狀態(tài)等。

(8)系統(tǒng)可以展示告警信息的詳情信息包括圖片和視頻信息，同時(shí)結(jié)合地圖標(biāo)繪出告警信息點(diǎn)位置和告警信息詳情描述。

2.2.4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

由于林區(qū)地理位置偏遠(yuǎn)，基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展落后，很多地方?jīng)]有道路，從而導(dǎo)致地面巡查人員巡視不到位，監(jiān)控手段不暢，一旦發(fā)生火災(zāi)，無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確報(bào)告，常常引發(fā)小火釀成大災(zāi)，造成了重大損失。通過(guò)森林資源保護(hù)實(shí)時(shí)監(jiān)控項(xiàng)目建設(shè)，提高林業(yè)資源監(jiān)管水平，減少破壞林業(yè)火災(zāi)事件發(fā)生；減少巡護(hù)費(fèi)用、撲火費(fèi)用以及相關(guān)撲火物資管理費(fèi)用；進(jìn)一步提高森林火災(zāi)的預(yù)防能力、監(jiān)控能力和預(yù)警能力；進(jìn)一步提高保護(hù)區(qū)的科學(xué)技術(shù)化、信息化一體化和智能化管理水平，有效保護(hù)森林資源安全；進(jìn)一步提高對(duì)森林大火的緊急撲救指揮力量，加強(qiáng)專業(yè)撲火隊(duì)伍的快速反應(yīng)能力，達(dá)到合理保護(hù)森林資源，鞏固造林綠化成效從而實(shí)現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)大保障[9]。

林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用端可以通過(guò)pc端瀏覽，主要包含綜合控制模塊：本模塊包括基本信息、氣象信息、預(yù)警推送信息等；系統(tǒng)預(yù)警管理模塊：包括預(yù)警信息的詳情，信息處置等；監(jiān)控視頻預(yù)覽模塊：可以全部或部分顯示監(jiān)控視頻畫面，通過(guò)平臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)端監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)運(yùn)行3個(gè)防火期，累計(jì)推送預(yù)警信息37 000余條，隨時(shí)監(jiān)視農(nóng)用火等野外火源，使林緣附近的火源得到有效監(jiān)管，以便及時(shí)采取預(yù)防措施。

3 林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)使用存在的問(wèn)題

林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行近2年以來(lái)，在森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了很大的作用。但在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些缺點(diǎn)和不足，主要表現(xiàn)在成本費(fèi)用、監(jiān)控范圍和預(yù)警精度等。

3.1 通信成本費(fèi)用高

該系統(tǒng)是與鐵塔公司合作，數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)移動(dòng)光纖傳送，通信費(fèi)用占到總費(fèi)用的13.6%，占比較大。

3.2 監(jiān)控范圍較小

該系統(tǒng)主要依托鐵塔存量資源，22個(gè)高點(diǎn)監(jiān)控中，防火瞭望塔僅有3個(gè)。因鐵塔布設(shè)主要在村屯附近，離森林較遠(yuǎn)，對(duì)農(nóng)林結(jié)合部監(jiān)控范圍尚可，林區(qū)內(nèi)部監(jiān)控不到。

3.3 智能算法還不夠精準(zhǔn)

系統(tǒng)前端對(duì)同一熱點(diǎn)連續(xù)多次推送，對(duì)已經(jīng)確認(rèn)為誤報(bào)的點(diǎn)位仍然持續(xù)跟緊，對(duì)農(nóng)用車、水面、鐵皮房蓋和太陽(yáng)等景象誤報(bào)率高。

3.4 系統(tǒng)功能還需進(jìn)一步拓展

該系統(tǒng)除進(jìn)行森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)，在資源監(jiān)測(cè)、森林病蟲(chóng)害監(jiān)控等方面功能尚未得到有效開(kāi)發(fā)。

4 解決措施

4.1 加大無(wú)線傳送應(yīng)用

通過(guò)加大無(wú)線微波信號(hào)傳送應(yīng)用力度，減少光纖使用，實(shí)現(xiàn)1次投入多年使用，從而減少數(shù)據(jù)傳輸成本。

4.2 充分利用防火瞭望塔高點(diǎn)資源

防火瞭望塔在建設(shè)選址時(shí)都充分考慮了森林資源分布情況，使森林能夠得到有效監(jiān)測(cè)。今后需要加大在防火瞭望塔高點(diǎn)資源上多布設(shè)前端設(shè)備，減少村屯附近鐵塔資源的使用，從而實(shí)現(xiàn)森林資源監(jiān)控范圍更加合理化。

4.3 拓展系統(tǒng)應(yīng)用范圍

通過(guò)深入研究，挖掘視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林資源管護(hù)、森林病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)方面的功能，形成多功能合一，提高系統(tǒng)應(yīng)用效果。同時(shí)，加強(qiáng)技術(shù)人員的培訓(xùn)，完善基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，加強(qiáng)系統(tǒng)維護(hù)，發(fā)揮系統(tǒng)最大效益[10-11]。

5 結(jié)語(yǔ)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林防火工作的應(yīng)用能夠拓寬預(yù)警監(jiān)測(cè)的范圍，能夠24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)并及時(shí)推送預(yù)警信息，彌補(bǔ)人工巡護(hù)的不足，提高自動(dòng)化、科技化水平，能夠?qū)崿F(xiàn)火情早發(fā)現(xiàn)、早處置，從而有效降低森林火災(zāi)造成的損失。值得注意的是，在規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中要充分考慮防火瞭望塔與鐵塔的位置、重點(diǎn)森林資源分布情況和信號(hào)傳輸方式等因素，合理布設(shè)遠(yuǎn)端點(diǎn)位，從而達(dá)到功能完善、重點(diǎn)監(jiān)視范圍得到覆蓋、成本費(fèi)用低的要求。