袁嘉栗 曹家寶 何勝文 胡江偉

0 引言

受極端高溫干旱等影響，森林火災(zāi)在各地頻繁發(fā)生。目前我國在森林防火監(jiān)測預(yù)警救援方面雖然已有長足發(fā)展，但仍存在預(yù)測難、發(fā)現(xiàn)晚、救援難、損失大等問題，因此如何通過科學(xué)手段減少火災(zāi)發(fā)生、減少災(zāi)后損失，是挽救國家人民生命財(cái)產(chǎn)安全，有效提升我國林火綜合監(jiān)控能力的重大研究課題。

本文針對森林防火應(yīng)急救援需求，采用天空基遙感、北斗定位、多網(wǎng)通信、移動指揮手段，結(jié)合大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了天空地一體化林火監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，為森林火情預(yù)報(bào)、發(fā)現(xiàn)、救援和評估提供重要技術(shù)支撐。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 林火監(jiān)測手段應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的監(jiān)測方法在森林火災(zāi)持續(xù)時(shí)間短、影響范圍大的情況下，常常采用實(shí)地測量、調(diào)查或空中飛行等航空手段進(jìn)行常規(guī)監(jiān)測，然而這些方法獲取的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不高，而且不具備實(shí)時(shí)性。而目前的林火監(jiān)測常采用多手段融合的方法，利用衛(wèi)星遙感、航空遙感和地面攝像機(jī)可以解決復(fù)雜地形所帶來的預(yù)測誤差大、預(yù)警不及時(shí)、監(jiān)測不到位、識別不準(zhǔn)確等難題，同時(shí)這對于應(yīng)急指揮救援和災(zāi)后評估來說都是非常高效的。

1.2 火點(diǎn)識別能力現(xiàn)狀

目前，利用遙感技術(shù)、熱紅外技術(shù)和深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行火點(diǎn)識別已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)展。遙感技術(shù)能夠提供覆蓋廣闊和實(shí)時(shí)監(jiān)測的遙感圖像，深度學(xué)習(xí)算法通過訓(xùn)練大規(guī)模的火點(diǎn)遙感圖像數(shù)據(jù)集，能夠?qū)W習(xí)到火點(diǎn)的特征和模式，實(shí)現(xiàn)在新圖像中的準(zhǔn)確檢測和主動識別，從而為應(yīng)急救援提供可靠參考資料。熱紅外技術(shù)則通過探測火災(zāi)釋放的紅外輻射，能夠在夜間或煙霧較多的情況下準(zhǔn)確識別火點(diǎn)。但是，在防滅火和應(yīng)急救援過程中往往需要多角度、多手段、多方位的火點(diǎn)識別結(jié)果為行動的參考依據(jù)，多源手段融合進(jìn)行火點(diǎn)識別依然是未來火點(diǎn)識別的要點(diǎn)。

1.3 航空遙感林火監(jiān)測研究現(xiàn)狀

航空遙感具備分辨率高、機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)。無人機(jī)航拍作業(yè)是目前完成森林防火和火點(diǎn)應(yīng)急監(jiān)測救援任務(wù)的重要技術(shù)手段，但航拍視頻的每一幀圖像只能展示較小范圍的地表信息，無法將完整的測繪或監(jiān)測區(qū)域的地表信息進(jìn)行整體呈現(xiàn)；對航拍圖像進(jìn)行拼接雖然可以生成地理覆蓋范圍較大的影像數(shù)據(jù)，但傳統(tǒng)的圖像拼接工作均是在飛行作業(yè)完成后進(jìn)行，且需專業(yè)人員進(jìn)行長時(shí)間的操作，實(shí)時(shí)性較差。利用改進(jìn)模型估計(jì)的無人機(jī)偵察視頻快速拼接方法，能實(shí)時(shí)快速地輸出覆蓋范圍較大并附帶地理坐標(biāo)信息的影像數(shù)據(jù)，提高了拼接速度，同時(shí)改善了拼接效果[1]。

1.4 邊遠(yuǎn)林區(qū)應(yīng)急通信研究現(xiàn)狀

森林火災(zāi)部分發(fā)生在人跡罕見的地方，通信設(shè)備稀少，信號較弱。在火場前線指揮中，衛(wèi)星通信、無人機(jī)自組網(wǎng)和地面公共網(wǎng)絡(luò)成為主要通信手段。但是，在斷電、斷路、斷網(wǎng)的極端惡劣條件下“應(yīng)急指揮調(diào)度最后一公里”仍是火場前線指揮部所面臨的重大待解決問題[2]。

1.5 林火救援指揮研究現(xiàn)狀

在撲火指揮決策中，對極端林火行為進(jìn)行預(yù)測是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。目前國內(nèi)外關(guān)于森林火災(zāi)行為的研究主要集中于理論模型構(gòu)建及應(yīng)用方面。利用多種基于數(shù)據(jù)的計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)時(shí)氣象信息和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)提供的多種碼值和數(shù)據(jù)，可以預(yù)測森林火災(zāi)的蔓延趨勢，并計(jì)算出林火行為的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)森林火災(zāi)救援問題的獨(dú)特性質(zhì)，根據(jù)不同火災(zāi)點(diǎn)的嚴(yán)重程度和火勢的蔓延速度，將火災(zāi)救援任務(wù)劃分為多個(gè)不同的優(yōu)先級級別?；谠搫澐?，構(gòu)建一個(gè)混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，旨在最小化消防車輛的救援時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)消防救援車輛路徑的優(yōu)化[3]。

2 天空地一體化林火監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

天空地一體化林火監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)主要包括衛(wèi)星資源籌劃與接收處理、衛(wèi)星遙感監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警、多手段林火識別、動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、應(yīng)急通信指揮、應(yīng)急救援指揮決策與災(zāi)后評估以及運(yùn)行支撐等分系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

該系統(tǒng)在日常模式下通過衛(wèi)星遙感等手段進(jìn)行火險(xiǎn)火點(diǎn)監(jiān)測預(yù)警；在監(jiān)測到可疑火點(diǎn)或收到舉報(bào)后進(jìn)入應(yīng)急模式；通過衛(wèi)星、無人機(jī)、地面攝像裝備對可疑火點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，并將驗(yàn)證結(jié)果上報(bào)后端指揮中心；指揮中心通過衛(wèi)星遙感、航空遙感和地面攝像頭對火點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)指揮中心調(diào)動通信設(shè)備進(jìn)行動態(tài)救援指揮。系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

2.1 衛(wèi)星資源籌劃與接收處理分系統(tǒng)

衛(wèi)星資源籌劃與接收處理分系統(tǒng)主要在日常模式下，以風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星、日本向日葵8 氣象衛(wèi)星、韓國GK2A靜止衛(wèi)星為主，以風(fēng)云三號、NPP 等極軌衛(wèi)星為輔，開展全國范圍的林火監(jiān)控業(yè)務(wù)；在應(yīng)急模式下，統(tǒng)籌全部衛(wèi)星資源進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 衛(wèi)星遙感監(jiān)測預(yù)報(bào)預(yù)警分系統(tǒng)

2.2.1 森林火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)報(bào)分析子系統(tǒng)

森林火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)報(bào)分析子系統(tǒng)從氣象監(jiān)測站、氣象衛(wèi)星中獲取氣象數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)推送數(shù)值模式系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)，計(jì)算FWX 指數(shù)，同時(shí)根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、林相數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，劃分出1～5 的火險(xiǎn)等級，生成全國范圍火險(xiǎn)等級圖，為向救援指揮人員進(jìn)行火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)提供支撐[4]。

2.2.2 森林火點(diǎn)識別與成果分析應(yīng)用子系統(tǒng)

森林火點(diǎn)識別與成果分析應(yīng)用子系統(tǒng)主要利用FY4、Himawari-8、GK2A 等衛(wèi)星資料高頻次及高空間分辨率觀測的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)的自動檢測，保存并制作火情監(jiān)測圖形圖像產(chǎn)品，提高火點(diǎn)監(jiān)測時(shí)效性。

2.3 多手段林火驗(yàn)證分系統(tǒng)

2.3.1 多源衛(wèi)星驗(yàn)證子系統(tǒng)

在靜止衛(wèi)星識別到林火之后，將該系統(tǒng)生成的疑似火點(diǎn)位置信息上報(bào)到衛(wèi)星籌劃與數(shù)據(jù)接受分系統(tǒng)，并調(diào)度極軌/高分等衛(wèi)星進(jìn)行二次驗(yàn)證，從而獲取目標(biāo)區(qū)域火點(diǎn)詳細(xì)情況，通過影像分析，完成假火點(diǎn)排除，實(shí)現(xiàn)林火的驗(yàn)證確認(rèn)。

2.3.2 航空遙感驗(yàn)證子系統(tǒng)

航空遙感驗(yàn)證子系統(tǒng)通過無人值守?zé)o人機(jī)系統(tǒng)對疑似火點(diǎn)位置航線自動規(guī)劃，自主前往目標(biāo)區(qū)域采集視頻，并采用一種基于運(yùn)動編碼的方法實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)與遙測數(shù)據(jù)的同步實(shí)時(shí)回傳[5]。應(yīng)急指揮中心通過視頻實(shí)時(shí)拼接技術(shù)，快速地輸出覆蓋范圍較大并附帶地理編碼信息的影像數(shù)據(jù)，同時(shí)依據(jù)地理編碼信息和重疊度實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幀的提取[6]，再根據(jù)火點(diǎn)識別算法獲取目標(biāo)區(qū)域火點(diǎn)詳細(xì)情況。

2.3.3 地面識別攝像機(jī)驗(yàn)證子系統(tǒng)

配備的熱成像夜視儀熱成像視頻能看到熱源超過地表溫度時(shí)所有熱源，并且能錄像及圖像抓拍。通過前端網(wǎng)絡(luò)中數(shù)字云臺的旋轉(zhuǎn)角度，焦距和位置來精確地確定火點(diǎn)出現(xiàn)的方位角及距離，并在電子地圖中，對火點(diǎn)進(jìn)行自動定位并精確地標(biāo)注其位置。

2.4 動態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測分系統(tǒng)

2.4.1 衛(wèi)星遙感動態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

利用衛(wèi)星遙感的實(shí)時(shí)監(jiān)測能力，及時(shí)獲取火災(zāi)信息并采取緊急措施，同時(shí)根據(jù)衛(wèi)星遙感監(jiān)測到的多個(gè)火災(zāi)點(diǎn)和潛在危險(xiǎn)區(qū)域，提供全面的火災(zāi)信息和準(zhǔn)確評估火災(zāi)的擴(kuò)散趨勢和影響范圍，為及時(shí)疏散人群和指揮救援提供依據(jù)。

2.4.2 航空遙感動態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

無人機(jī)快速部署和操控，實(shí)時(shí)獲取火災(zāi)現(xiàn)場的高分辨率圖像和視頻數(shù)據(jù)，并將災(zāi)情信息實(shí)時(shí)傳輸給火場前線指揮部，促使迅速的應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)害管理。利用消防無人機(jī)自帶的定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)的定位,然后通過對火燒持續(xù)時(shí)間、火場像素面積間接衡量火場強(qiáng)度信息，最后,結(jié)合著火點(diǎn)位置進(jìn)行火場蔓延趨勢的預(yù)測[7]。

2.4.3 地面攝像動態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)

地面攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測火災(zāi)的起火點(diǎn)和火勢擴(kuò)展情況，通過連續(xù)拍攝和實(shí)時(shí)傳輸為火場前線指揮部相關(guān)工作組提供高分辨率的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，同時(shí)與其他監(jiān)測設(shè)備和傳感器相結(jié)合，形成多元化的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提供更全面和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

2.5 林火通信指揮分系統(tǒng)

推進(jìn)森林防火有線網(wǎng)、無線網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)的深度融合，以全國信息網(wǎng)為支撐，實(shí)現(xiàn)要素整合、信息共享和功能擴(kuò)展，從而促進(jìn)森林防火的可持續(xù)發(fā)展。

2.5.1 火場通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

火場通信系統(tǒng)主要針對的是前后方各級調(diào)度指揮語音網(wǎng)的組織建設(shè)，目前以火災(zāi)撲救小隊(duì)為基礎(chǔ)組成，主要以通信超短波加中繼的方式實(shí)現(xiàn)區(qū)域通信，但同時(shí)由于信號覆蓋范圍的問題存在通信距離短的弊端。在此基礎(chǔ)上，用短波通信作為超短波通信的補(bǔ)充，利用分組節(jié)點(diǎn)的短波電臺實(shí)現(xiàn)以戰(zhàn)斗小組為單元的遠(yuǎn)程無線調(diào)度[8]。

2.5.2 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

構(gòu)建以通信衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)為核心、新一代移動通信衛(wèi)星為補(bǔ)充的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。同時(shí)配備視頻圖傳系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)重要火場音、視頻及其他重要信息的實(shí)時(shí)傳送，從而建立了星地結(jié)合的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。省級及重點(diǎn)地級市要建成衛(wèi)星固定小站、衛(wèi)星便攜站和視頻圖傳系統(tǒng)；大范圍林區(qū)、偏遠(yuǎn)林區(qū)，尤其是公網(wǎng)覆蓋率不高的縣級單位都要配置衛(wèi)星便攜站和視頻圖傳系統(tǒng)；縣以上森林防火機(jī)構(gòu)安裝衛(wèi)星電話終端；森林防火指揮中心將安裝北斗指揮機(jī)，各防火部門及專業(yè)隊(duì)伍按需安裝車載、機(jī)載北斗設(shè)備及北斗手持機(jī)。

2.5.3 應(yīng)急通信系統(tǒng)建設(shè)

為滿足撲救重特大林火和重要敏感區(qū)林火的需求，計(jì)劃建設(shè)集超短波，短波與衛(wèi)星于一體的應(yīng)急通信系統(tǒng)。

通過該系統(tǒng)對火場區(qū)域組網(wǎng)能力進(jìn)行了增強(qiáng)，同時(shí)在各級指揮中心之間設(shè)置了語音、數(shù)據(jù)、圖像等各類信息傳輸通道以保證信息通暢，以適應(yīng)撲火前期指揮調(diào)度需要。在應(yīng)急指揮通信實(shí)際工作中，依靠可視調(diào)度及移動視頻技術(shù)將調(diào)度中心和現(xiàn)場緊密地聯(lián)系起來，使應(yīng)急指揮更加精準(zhǔn)有效，這一系統(tǒng)將使指揮中心能實(shí)時(shí)掌握火場情況和迅速作出決策來應(yīng)對森林火災(zāi)帶來的各種挑戰(zhàn)[9]。

2.6 林火應(yīng)急救援輔助決策分系統(tǒng)

2.6.1 林火救援輔助決策分析子系統(tǒng)

林火救援輔助決策分析子系統(tǒng)是以植被類型，風(fēng)力風(fēng)向和地形條件為主要依據(jù)，對地圖中林火進(jìn)行多種情況下的動態(tài)模擬，利用模型進(jìn)行動態(tài)計(jì)算，自動產(chǎn)生對火情發(fā)展和蔓延預(yù)測結(jié)果，為火災(zāi)撲救指揮工作提供重要參考依據(jù)。

2.6.2 林火應(yīng)急救援指揮與在線監(jiān)督子系統(tǒng)

林火應(yīng)急救援指揮與在線監(jiān)督子系統(tǒng)主要利用帶北斗定位的對講機(jī)在森林中保持聯(lián)絡(luò)，并與指揮中心傳遞空間位置信息，便于指揮中心了解各撲火的位置、分布。并在二三維一體化的指揮沙盤上電子展示，及時(shí)掌握當(dāng)前火勢蔓延范圍、火勢強(qiáng)度等信息，利于指揮人員了解撲火相關(guān)資源、人員分布，并快速做出更為完善的撲火任務(wù)部署[10]；同時(shí)消防員可通過手持終端進(jìn)行制定巡查與逃生避難路線。

2.6.3 災(zāi)損評估子系統(tǒng)

對林火后情況進(jìn)行損失評估及檔案整理，根據(jù)無人機(jī)影像數(shù)據(jù)確定受災(zāi)范圍，通過過火范圍，自動計(jì)算過火面積、過火日期、過火時(shí)間等，并計(jì)算出森林資源損失，對受災(zāi)林業(yè)面積，受災(zāi)程度等做出定量評估，供決策部門參考。

2.7 運(yùn)行支撐分系統(tǒng)

運(yùn)行支撐分系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)云存儲、高性能計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)集成等先進(jìn)技術(shù)，建設(shè)林火監(jiān)控大廳、大數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)中心。

林火監(jiān)控大廳主要包括監(jiān)控大屏、視頻會議、錄音設(shè)備等裝備組成。通過監(jiān)控大屏可完成火險(xiǎn)火點(diǎn)監(jiān)控、火勢蔓延仿真、救援指揮部署等工作；通過視頻會議和錄音設(shè)備可實(shí)現(xiàn)與各級應(yīng)急管理部門會商，現(xiàn)場消防隊(duì)員通信指揮等，實(shí)現(xiàn)林火救援部署決策指揮。

大數(shù)據(jù)中心主要采用主備策略完成對存儲服務(wù)器組、計(jì)算服務(wù)器組、各分系統(tǒng)軟件部署和數(shù)據(jù)庫軟件等部署。存儲服務(wù)器組主要完成遙感影像與林火業(yè)務(wù)信息存儲，部署計(jì)算服務(wù)器組完成日常衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)自動化并行處理與火點(diǎn)分析等工作。

網(wǎng)絡(luò)中心主要由有線網(wǎng)、衛(wèi)星通信終端、無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈終端、5G 終端等組成，實(shí)現(xiàn)與上下級、前后方互聯(lián)互通。各級部門也可通過有線網(wǎng)等方式訪問大數(shù)據(jù)中心，獲取林火監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)資源。

森林防火應(yīng)急救援指揮體系圍繞災(zāi)前預(yù)防、預(yù)警和預(yù)測，災(zāi)時(shí)動態(tài)監(jiān)測、實(shí)時(shí)上報(bào)、緊急救援和合理調(diào)度，災(zāi)后災(zāi)損評估進(jìn)行。在火場指揮救援過程中，各級指揮部、基層指揮部、撲火隊(duì)伍等多級協(xié)同作戰(zhàn)，確?；馂?zāi)撲救工作的高效進(jìn)行。

3 結(jié)語

本文針對森林防火應(yīng)急救援需求，采用通導(dǎo)遙一體化手段，結(jié)合大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建了天空地一體化林火監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，有效提升了森林防火監(jiān)控預(yù)警能力，為森林火情預(yù)報(bào)、發(fā)現(xiàn)、救援和評估提供技術(shù)支撐。