森林(lín)防火監測指揮管理(lǐ)平台
解決方案
北京信大普聯信息技術有限公司
一、 建設背景
（1）森林(lín)資源的(de)重要性
随着經濟的(de)發展，社會的(de)進步，人(rén)們生(shēng)活水(shuǐ)平的(de)不斷提高(gāo)，人(rén)們對(duì)環境的(de)要求也越來(lái)越高(gāo)。城(chéng)市(shì)的(de)空氣質量、生(shēng)态環境的(de)好(hǎo)壞，直接影響着城(chéng)市(shì)居民(mín)的(de)健康狀況、生(shēng)活質量；也直接影響城(chéng)市(shì)經濟的(de)可持續發展。城(chéng)市(shì)周邊的(de)有(yǒu)限森林(lín)，正起着調節城(chéng)市(shì)溫度、淨化(huà)城(chéng)市(shì)空氣、保護城(chéng)市(shì)環境的(de)重要作(zuò)用。各級領導非常關心重視(shì)森林(lín)資源的(de)保護和(hé)建設。政府每年(nián)花(huā)費(fèi)大量的(de)人(rén)力、物(wù)力、财力用于植樹造林(lín)，森林(lín)病蟲害治理(lǐ)及火災等防範，為(wèi)擴大林(lín)區(qū)面積，發揮森林(lín)資源在“綠水(shuǐ)青山就是金(jīn)山銀山”重要理(lǐ)論實現(xiàn)中起到了重要促進作(zuò)用。
（2）森林(lín)火災對(duì)林(lín)業(yè)發展的(de)影響
在森林(lín)資源不斷發展、建設的(de)同時(shí)，也遭到不同程度的(de)破壞。這(zhè)種破壞來(lái)自(zì)兩方面的(de)：一方面是人(rén)為(wèi)的(de)破壞；另一方面是“天災”，例如蟲災、火災等。人(rén)為(wèi)地(dì)破壞是小(xiǎo)範圍的(de)局部的(de)亂砍、亂伐。它所造成的(de)損失是有(yǒu)限的(de)、可控的(de)。對(duì)于蟲災造成的(de)損失是巨大的(de)，但(dàn)其發展蔓延有(yǒu)一個(gè)過程，可以有(yǒu)效的(de)控制。對(duì)于森林(lín)火災其損失是巨大的(de)、毀滅性的(de)，要想使火災的(de)損失降低(dī)到最小(xiǎo)程度，必須将火災扼殺在萌芽狀态，即堅持“打早、打小(xiǎo)、打了”的(de)原則，做到早發現(xiàn)火情早撲滅。那(nà)麽如何才能對(duì)森林(lín)區(qū)域進行有(yǒu)效、及時(shí)的(de)監控呢(ne)？這(zhè)是人(rén)力所不能為(wèi)的(de)，必須建立森林(lín)實時(shí)監控預警和(hé)森林(lín)防火指揮管理(lǐ)系統。
（3）森林(lín)防火技(jì)術發展的(de)趨勢
森林(lín)火災具有(yǒu)突發性和(hé)随機(jī)性，短時(shí)間(jiān)內(nèi)能造成巨大損失，因此一旦有(yǒu)火警發生(shēng)，就必須以極快的(de)速度進行撲救，撲救是否及時(shí)，決策是否得當，取決于對(duì)林(lín)火行為(wèi)的(de)發現(xiàn)是否及時(shí)，分析是否準确合理(lǐ)，決策措施是否得當，為(wèi)此國(guó)內(nèi)外(wài)都(dōu)在預防、減少和(hé)控制森林(lín)火災方面進行積極探索和(hé)研究。
目前在火災預警監測方面主要采用兩種主要技(jì)術：一方面是利用衛星、遙感影像技(jì)術對(duì)森林(lín)進行防火監測。衛星将影像不斷傳到地(dì)面衛星接收站，由地(dì)面接收站對(duì)衛星圖像進行處理(lǐ)，監測火災的(de)發生(shēng)、發展過程。該方法主要用于大面積、大區(qū)域森林(lín)火災監測。另一方面是利用視(shì)頻(pín)監控技(jì)術對(duì)林(lín)區(qū)進行實時(shí)監控，然後将圖像傳到指揮中心，通(tōng)過森林(lín)防火指揮管理(lǐ)系統對(duì)火災現(xiàn)場(chǎng)進行準确定位，并通(tōng)過各種業(yè)務功能對(duì)火災進行分析，為(wèi)制定科(kē)學的(de)撲火決策提供依據。
二、 建設意義
通(tōng)過森林(lín)防火監測指揮管理(lǐ)平台的(de)建設，能夠全面提高(gāo)森林(lín)火災預防、火情控制、災後評估等方面的(de)能力，提升森林(lín)防火技(jì)術水(shuǐ)平。（1）引入高(gāo)分辨率遙感衛星數據，提高(gāo)森林(lín)防火衛星資源應用效能。（2）完善航空、地(dì)面監測手段。新增無人(rén)機(jī)系統、地(dì)面監控系統，有(yǒu)效解決精細化(huà)監測、火場(chǎng)凝視(shì)監控、災後量化(huà)評估等問(wèn)題。（3）打通(tōng)前後方即時(shí)傳輸通(tōng)道(dào)。融合應用衛星通(tōng)信、光(guāng)纖、微(wēi)波等多種通(tōng)信手段，建立語音(yīn)、視(shì)頻(pín)信息傳輸通(tōng)道(dào)，解決應急狀态下(xià)前後方協同，通(tōng)信聯絡建設及圖像信息傳輸等問(wèn)題。（4）提升态勢指揮智能化(huà)、科(kē)學化(huà)水(shuǐ)平。對(duì)天空地(dì)信息和(hé)基礎設施采集數據進行智能化(huà)分析，采用“雲+網+端”模式，快速推送至各類森林(lín)防火應急終端。
三、 建設目标
面向森林(lín)防火現(xiàn)狀與需求，融合應用衛星遙感、衛星通(tōng)信、航空巡護、地(dì)面遙感等監測手段，以及衛星通(tōng)信、光(guāng)纖、微(wēi)波通(tōng)信等通(tōng)信手段，構建天地(dì)一體(tǐ)化(huà)的(de)森林(lín)防火監測系統。目标是：全面提升火情預警、火情實時(shí)态勢監控、火情态勢分析、災後評估等方面的(de)能力，形成從(cóng)森林(lín)防火遙感監測數據獲取到信息化(huà)應用和(hé)輔助指揮決策的(de)業(yè)務化(huà)運行體(tǐ)系。
四、 建設思路(lù)
（1）構建天空地(dì)一體(tǐ)化(huà)全方位監測管體(tǐ)系
構建由天上(shàng)遙感衛星、通(tōng)訊衛星、空中大型飛(fēi)機(jī)、防火無人(rén)機(jī)、地(dì)面高(gāo)空瞭望塔系統，全方位立體(tǐ)化(huà)的(de)林(lín)火監測體(tǐ)系，由先進的(de)衛星監測、航空飛(fēi)機(jī)監測與地(dì)面高(gāo)空瞭望塔的(de)視(shì)頻(pín)監視(shì)方式與煙(yān)火智能檢測、目标識别和(hé)動态跟蹤監測方式相(xiàng)結合，實現(xiàn)無人(rén)值守和(hé)高(gāo)效管理(lǐ)。
（2）實現(xiàn)“眼睛”與“大腦”相(xiàng)結合
通(tōng)過空中衛星遙感影像、航空無人(rén)機(jī)，将林(lín)區(qū)各個(gè)監視(shì)點的(de)影像和(hé)視(shì)頻(pín)圖像傳回控制中心，再通(tōng)過煙(yān)火自(zì)動檢測、識别和(hé)報警軟件(jiàn)自(zì)動識别出可能的(de)着火點并發出報警信息，實現(xiàn)“眼睛”的(de)功能。如何實時(shí)地(dì)分析和(hé)判斷點位置、火勢蔓延趨勢？如何動态地(dì)分析火情造成的(de)損失？如何有(yǒu)效地(dì)協調組織森林(lín)防火人(rén)員(yuán)、設施以及實施滅火指揮方案？亦即，上(shàng)述的(de)“眼睛”功能如果不與“大腦”功能相(xiàng)結合，一則很(hěn)難有(yǒu)效地(dì)利用“眼睛”的(de)實時(shí)監測功能，二則難以充分利用森林(lín)防火監控指揮管理(lǐ)涉及到的(de)各類資源，進一步提升森林(lín)防火指揮管理(lǐ)的(de)總體(tǐ)水(shuǐ)平，達到及時(shí)、高(gāo)效、智能的(de)滅火監控指揮管理(lǐ)效果。
（3）實現(xiàn)“平時(shí)”和(hé)“戰時(shí)”管理(lǐ)相(xiàng)結合
森林(lín)防火監控預警管理(lǐ)區(qū)别于森林(lín)防火應急指揮管理(lǐ)，體(tǐ)現(xiàn)在平時(shí)或日(rì)常的(de)預控性管理(lǐ)，實現(xiàn)早發現(xiàn)、早解決和(hé)有(yǒu)效控制是加強森林(lín)防火監控管理(lǐ)的(de)重要環節。如果能夠将“平時(shí)”的(de)森林(lín)防火監控預警管理(lǐ)與“戰時(shí)”的(de)森林(lín)防火應急指揮管理(lǐ)有(yǒu)效地(dì)結合起來(lái)，将有(yǒu)效地(dì)提高(gāo)森林(lín)防火總體(tǐ)監控管理(lǐ)水(shuǐ)平。
（4）實現(xiàn)“平面”和(hé)“立體(tǐ)”管理(lǐ)相(xiàng)結合
森林(lín)防火監控指揮管理(lǐ)是針對(duì)林(lín)區(qū)火情、林(lín)區(qū)地(dì)勢、林(lín)木、人(rén)員(yuán)及設施分布的(de)動态場(chǎng)景進行的(de)分析、判斷和(hé)組織調動等一系列活動，在森林(lín)防火監控指揮管理(lǐ)中，實現(xiàn)“平面”的(de)二維場(chǎng)景與形象、生(shēng)動和(hé)逼真的(de)“立體(tǐ)”三維場(chǎng)景相(xiàng)結合，将有(yǒu)助于森林(lín)防火監控指揮管理(lǐ)的(de)動态分析和(hé)判斷，有(yǒu)利于明(míng)顯改善和(hé)提升森林(lín)防火監控指揮管理(lǐ)的(de)整體(tǐ)效果。
五、 建設內(nèi)容
森林(lín)防火監測指揮管理(lǐ)平台由天空地(dì)一體(tǐ)化(huà)監測系統、通(tōng)信傳輸系統、會商與态勢指揮系統以及災後損失評估系統等組成。天地(dì)空一體(tǐ)化(huà)監測系統采用衛星遙感、航空無人(rén)機(jī)、地(dì)面瞭望台智能系統等，實現(xiàn)天地(dì)一體(tǐ)化(huà)動态監測以及多源遙感數據處理(lǐ)及各類林(lín)業(yè)資源數據的(de)存儲與管理(lǐ)；通(tōng)信傳輸系統采用衛星通(tōng)信、自(zì)組網通(tōng)信、光(guāng)纖通(tōng)信等，實現(xiàn)“國(guó)家(jiā)—省—市(shì)—縣”4級森林(lín)防火監管部門“現(xiàn)場(chǎng)—前指—後指”3級指揮體(tǐ)系數據的(de)實時(shí)傳輸；會商與态勢指揮系統綜合運用多源數據融合、态勢分析、信息共享與深度學習(xí)等技(jì)術，采用“雲+網+端”的(de)模式，實現(xiàn)森林(lín)火情綜合指揮調度，科(kē)學決策支持及災後損失準确評估系統。
圖1 天空地(dì)一體(tǐ)化(huà)監測體(tǐ)系示意
5.1天空地(dì)一體(tǐ)化(huà)監測體(tǐ)系
5.1.1衛星遙感監測
将高(gāo)分辨率遙感數據與氣象衛星大尺度數據相(xiàng)結合，實現(xiàn)宏觀+微(wēi)觀多尺度監測，針對(duì)重點區(qū)域的(de)高(gāo)頻(pín)次和(hé)全覆蓋觀測。同時(shí)，針對(duì)不同地(dì)區(qū)建立專題算(suàn)法模型，提升林(lín)火監測精度，降低(dī)虛警概率。通(tōng)過衛星遙感監測積累曆史數據，不斷提升數值預報能力、常規氣象要素監測能力(如土(tǔ)壤濕度、幹旱指數等)，實現(xiàn)災前火險指數預測，災害發生(shēng)後的(de)态勢分析和(hé)災後的(de)損失情況評估。
圖2 衛星遙感監測示意
5.1.1.1火險預警
通(tōng)過基于歸一化(huà)處理(lǐ)後的(de)遙感氣象衛星數據，自(zì)動生(shēng)成與火險相(xiàng)關的(de)定量反演産品，包括：植被指數、幹旱指數、降水(shuǐ)、土(tǔ)壤濕度、地(dì)表溫度、氣溶膠光(guāng)學厚度、歸一化(huà)燃燒指數等，結合數值天氣預報和(hé)熱排放(fàng)源數據庫數據，可建立區(qū)域森林(lín)火災風(fēng)險率分析模型，能夠計(jì)算(suàn)未來(lái)3～5d森林(lín)火災風(fēng)險。
5.1.1.2實時(shí)監測報警
能夠結合國(guó)內(nèi)外(wài)靜止、極軌氣象衛星數據，實時(shí)進行森林(lín)火點監測，實時(shí)生(shēng)成火點位置、過火面積圖像産品，以及多時(shí)相(xiàng)火點位置和(hé)過火面積變化(huà)監測産品和(hé)報告；能夠識别火點、識别林(lín)火産生(shēng)的(de)煙(yān)霧；确定火點後，能夠自(zì)動對(duì)火點發生(shēng)前半小(xiǎo)時(shí)和(hé)後1小(xiǎo)時(shí)以內(nèi)的(de)圖像做變化(huà)檢測；結合森林(lín)火險等級報告，可自(zì)動推送火災态勢信息報告。
5.1.2航空遙感監測
基于有(yǒu)人(rén)機(jī)、大型無人(rén)直升機(jī)，以及大型固定翼、小(xiǎo)型固定翼、多旋翼無人(rén)機(jī)系統實現(xiàn)林(lín)區(qū)森林(lín)防火監測。充分利用成熟的(de)無人(rén)機(jī)系統、森林(lín)防火專用載荷，為(wèi)林(lín)區(qū)森林(lín)防火監測、救災綜合指揮調度提供技(jì)術保障。
圖3 航空遙感監測示意
5.1.2.1火場(chǎng)實時(shí)搜索與定位
收到上(shàng)報的(de)火情後，有(yǒu)人(rén)機(jī)/無人(rén)機(jī)挂載照(zhào)相(xiàng)機(jī)、紅外(wài)探測儀、視(shì)頻(pín)攝像頭和(hé)雲台等防火載荷前往确認火場(chǎng)位置信息，獲取可見光(guāng)、紅外(wài)影像并實時(shí)傳輸，實時(shí)判斷疑似火源，對(duì)火點進行定位，評估并且生(shēng)成報告。
5.1.2.2火場(chǎng)态勢監測
有(yǒu)人(rén)機(jī)/無人(rén)機(jī)挂載防火載荷在火場(chǎng)上(shàng)空凝視(shì)監測，實時(shí)回傳可見光(guāng)、短波、中波紅外(wài)影像，實時(shí)生(shēng)成火場(chǎng)态勢圖。融合紅外(wài)、地(dì)理(lǐ)信息底圖數據，生(shēng)成高(gāo)精度拼接圖，突出火場(chǎng)情況、渲染火場(chǎng)态勢，自(zì)動化(huà)提取火情信息并量化(huà)，生(shēng)成火災監測報告。
5.1.3地(dì)面遙感監測
地(dì)面遙感監測将森林(lín)防火圖像和(hé)火災自(zì)動報警信息，通(tōng)過無線微(wēi)波或衛星鏈路(lù)将視(shì)頻(pín)流及火災自(zì)動報警信息傳輸到指揮中心。指揮中心收到信息後，可指揮相(xiàng)關人(rén)員(yuán)采取相(xiàng)應措施處理(lǐ)警情。
圖4 地(dì)面遙感監測示意
5.1.3.1火情探測識别
林(lín)火攝像頭監測數據實時(shí)回傳，指揮中心實時(shí)顯示地(dì)面紅外(wài)視(shì)頻(pín)并能夠智能識别，發現(xiàn)火險後，自(zì)動定位火險位置信息并實時(shí)報警。
5.1.3.2火情監控
一旦發生(shēng)火情，指揮中心根據火災位置選取災害區(qū)域附近(jìn)監控攝像頭，控制攝像頭姿态，監控火情信息，并回傳紅外(wài)視(shì)頻(pín)，指揮中心可實時(shí)顯示、智能處理(lǐ)并且生(shēng)成火情态勢報告。
5.2會商決策系統
5.2.1預案管理(lǐ)
根據森林(lín)火災曆史數據、氣象數據、林(lín)業(yè)數據以及基礎地(dì)理(lǐ)數據進行綜合分析，劃分災害危害程度，制定災害應急響應措施，生(shēng)成災害應急預案，用于預防、處置自(zì)然災害以及災後生(shēng)産恢複，以減少森林(lín)火災給林(lín)業(yè)生(shēng)産帶來(lái)的(de)損失。
圖5 火情危險等級評定
5.2.2地(dì)圖操作(zuò)及标繪
系統提供操作(zuò)簡便、形象直觀的(de)各類标繪操作(zuò)功能。包括各種箭頭、阻隔線、建築物(wù)等。在撲火會商過程中，标繪包括二維标繪和(hé)三維标繪。在三維地(dì)圖上(shàng)實現(xiàn)任意的(de)行進的(de)箭頭、隔離帶規劃、前線指揮及衛生(shēng)站分布等內(nèi)容的(de)标繪，可以更好(hǎo)地(dì)與三維地(dì)形地(dì)貌相(xiàng)結合，為(wèi)會商決策提供更好(hǎo)的(de)實景三維技(jì)術支持。
圖6 二維标繪
圖7 三維标繪
5.2.3林(lín)火蔓延分析
以某着火點為(wèi)起始，會商系統可融合風(fēng)力、風(fēng)向等氣象因素，植被、地(dì)形和(hé)地(dì)貌等自(zì)然因素，壕溝和(hé)栅欄等人(rén)工(gōng)阻隔物(wù)因子(zǐ)，基于林(lín)火蔓延模型模拟出設定時(shí)間(jiān)及區(qū)域內(nèi)的(de)林(lín)火蔓延時(shí)空狀态，并自(zì)動評估蔓延結果的(de)可信率；可查詢過火面積內(nèi)的(de)森林(lín)資源數據、高(gāo)壓線、油庫等重要信息，為(wèi)撲火決策提供重要的(de)技(jì)術支撐。
圖8 系統推演各時(shí)間(jiān)段的(de)蔓延趨勢
5.3實戰指揮系統
5.3.1調度中心數據處理(lǐ)
該系統作(zuò)為(wèi)服務器(qì)端，對(duì)多源數據展開(kāi)分析處理(lǐ)，運用對(duì)空間(jiān)信息數據的(de)切割和(hé)析取，支持網絡傳輸，為(wèi)移動單元提供強大的(de)數據分析和(hé)處理(lǐ)能力支持。當三維界面的(de)視(shì)角調至90度俯視(shì)後，即可通(tōng)過鼠标任意切割所選擇區(qū)域，系統可完成該區(qū)域的(de)空間(jiān)矢量、栅格數據以及相(xiàng)關屬性數據的(de)提取和(hé)分析工(gōng)作(zuò)。
圖 9顯示被選區(qū)域的(de)詳細信息
5.3.2移動目标定位調度
配合應急搶險和(hé)指揮車輛(liàng)的(de)GPS等智能終端設備，結合國(guó)科(kē)創公司的(de)WEBGIS系統，提供車輛(liàng)或者人(rén)員(yuán)定位、指令下(xià)達、告警上(shàng)傳、曆史軌迹查詢、視(shì)頻(pín)信息上(shàng)傳和(hé)實時(shí)語音(yīn)通(tōng)話(huà)等服務，通(tōng)過車載電(diàn)話(huà)實現(xiàn)實時(shí)搶險調度，并可以與指揮中心保持雙向聯系，便于指揮中心統籌調度。
圖10 現(xiàn)場(chǎng)消防車輛(liàng)實時(shí)指揮調度
5.4災害損失評估系統
系統通(tōng)過對(duì)火災發生(shēng)前、火災發生(shēng)後、生(shēng)長(cháng)季末期的(de)高(gāo)分系列遙感影像輻射定标、正射校(xiào)正、幾何校(xiào)正等圖像預處理(lǐ)工(gōng)作(zuò)，從(cóng)災後影像中通(tōng)過目标監測分析方法獲取火場(chǎng)過火區(qū)範圍，結合從(cóng)火災現(xiàn)場(chǎng)反饋的(de)視(shì)頻(pín)資料、災前影像中獲取的(de)植被類型專題圖，從(cóng)而求得不同植被類型的(de)過火區(qū)面積；采用深度學習(xí)算(suàn)法，運用燃燒面積指數（BAI）求得過火區(qū)林(lín)地(dì)燒傷等級，獲取火區(qū)價值損失及災後植被恢複情況評估。
圖11 林(lín)地(dì)過火區(qū)損失等級評估
圖12 林(lín)地(dì)過火區(qū)植被恢複分布評估