森林火灾监控及扑救指挥系统

宋芳妮

北京东方泰坦科技有限公司

(北京市海淀区北四环中路229号海泰大厦522A)

摘要：森林火灾对森林资源、生态环境以及人民生命财产都造成了巨大的威胁，因此，建立森林火灾监测及扑救指挥系统具有重大的意义。本文采用卫星遥感监测、视频监控以及气象卫星监控相结合的方式采集林火信息，可基于卫星影像或电子地图定位着火点，结合地形、天气、树种等信息进行火势蔓延预测，为扑救火灾提供决策依据。在火灾扑救时，可根据扑火力量的分布形成扑救预案，并对扑火队员进行定位跟踪。灾后还可进行损失评估和各类专题图制作。

关键词：火灾监控   火灾扑救 火点定位 火势蔓延预测

1    前言

森林火灾是森林的主要灾害之一，我国每年发生各种大小森林火灾约1万多起，森林火灾严重破坏森林资源，导致水土流失、生态环境恶化、沙尘暴频发造成巨大经济损失。因此森林防火是一个世界性的课题。部署建立一套采用先进技术手段的现代化的防火监控系统，对于有效的保护好我国有限的森林资源，减少因水土流失造成的泥石流等地质灾害,改善我们的生态环境，确保经济建设的良性健康发展，有着重要的现实意义。

卫星遥感监测是我国林火监测的重要方式之一，目前已经形成以国家林业局卫星林火监测处为中心遍布全国林区近200个卫星监测终端站的卫星林火监测网。尽管卫星监测林火取得了可喜的成绩, 但不足之处尚且有之。首先，卫星对于林区同一点每天只能扫描4～1412 次, 且每次时间一般不超过30min, 所以在白天的大部分时间里卫星不能对大部分林区热点进行监测。其次，NOAA  AVHRR等卫星的温度探测范围有限，最高只能达到330k，远远达不到着火区的实际温度，对于准确判定火点造成了很大的困难，误判、漏判在所难免。最后，卫星遥感监测林火受天气影响较大。在接收到的图像中, 凡是天空布满浓云的, 火场情况便不能看清。

本文以建立林业防火系统为目标，采用卫星遥感监控和视频监控相结合的方法，讨论系统研制和实现的技术方法。

2    系统总体目标   

系统的总目标是：以地形数据、林火数据、气象数据等为基础，接入视频监控、卫星监控和气象监控信息，进行林火的识别和预测，并提出有效的林火扑救方案。

3    系统总体架构

系统架构如图1所示：

图1 系统架构图

该系统由四层组成，并在软件工程标准规范以及林业防火工程规范的约束下建设。最底层为硬件设备层，由摄像机、云台、控制解码器、视频解码器、网络传输设备等组成，主要完成系统的数据采集和存储的工作；数据服务层包括数据库及数据库引擎，以及对数据进行处理的中间件，包括TITAN IMAGE遥感图像处理中间件、TITAN GIS中间件以及TITAN三维数据处理中间件；业务逻辑层包括数据库及数据管理子系统、森林防火监控管理子系统以及森林防火扑救指挥子系统；最上层为客户端，包括系统管理端、数据库管理端、监控指挥端，物理分布在防火指挥中心。

1.1    数据库及数据管理子系统

数据库存放各地区林业防火相关的全部地理数据和属性数据。数据库由元数据库、基础地理空间数据库、专题数据库和应用模型数据库四大类组成。

数据库管理子系统为整个综合系统提供一个直接的管理工具，基本功能包括：各种数据的入库、出库、查询、统计、显示、备份。数据库结构如图2所示：

图2 数据库结构图 

1.2    森林防火监控管理子系统

如图3所示为森林防火监控管理子系统的组成结构图。首先，防火监控的数据源有三种，外围视频监控点、商用遥感卫星和气象监测站。外围监控点的数据通过视频采集云台传入视频监控服务器；卫星遥感数据通过数字视频卫星广播传入；气象监测站传输温度、湿度、气压、风向以及风速等气象信息。系统将对这些数据统一进行处理分析，将结果存入监控中心服务器。另外，数据分析处理的结果通过火险报警，成为防火扑救指挥的依据。

图3 森林防火监控管理模块的组成结构图

1.1.1    视频监控

1.1.1.1    基本功能

（1）接收监测视频数据流，对数据流进行处理，取得单帧图像。针对每帧图片进行林火识别报警（第一次报警），唤醒监测人员启动交互式识别系统，进行人工林火识别，同时命令摄像机瞄准目标并固定扫描范围；

（2）通过交互式林火识别，如果排除林火，则命令摄像机继续正常工作；如果林火确实，立即发出正式报警（第二次报警），同时命令摄像机定点扫描，不断地传回现场林火图像；

（3）起火点定位：利用各视频监测点数字云台传回的监测角度值（包括俯仰角度和水平夹角）、摄像机参数和图像采集时间，系统可以自动计算出火点所在的经纬度，并在电子地图上标识出火点位置；当确定火灾发生后，利用系统提供的森林防火扑救指挥功能可以对森林火灾的扑救指挥提供辅助决策；

（4）在地图显示窗口实时显示监控点工作状态、监测区域，并能点击查询开窗显示当前监控点；

（5）视频采集设置：视频质量控制，单帧采集时间，烟火识别敏感度（可根据火险等级自动调整），扫描时间，扫描范围等设置；

（6）手工操控监测：系统提供模拟云台，方便操作员手控控制监测设备检查林区，特别是在初次报警后或者发生火灾时；

（7）监测数据存储入库：采集的视频数据和数据位置信息根据设置存储入库。

1.1.1.2    业务流程

业务流程分为数据采集、图像处理和识别、云台定位和控制、报警等步骤。具体说明如下：

（1） 监测点根据监测员的设置对监测区域循环监测，采集视频，截取单帧图像，进行预处理，并分析其光谱纹理特征，判断是否起火。如果起火，则执行初次报警，并锁定监控位置，等待监测员的人工判定；如果未起火，则继续进行常规的监测；

（2） 初次报警启动后，云台监控位置锁定，持续获取可疑火点视频数据，等待操作员人工交互判定，并在后台计算火点确切位置。

      （3） 操作员在报警后可以操作模拟云台更进一步对可疑区域进行目视确认，如果确定起火，系统发出正式报警信息，持续记录发生林火区域的监测数据，并通知防火扑救指挥子系统进行扑救准备；如果确定未起火，则解锁云台，继续进行常规监控。

1.1.2    卫星监控

通过接收商用遥感卫星数据，并针对卫星数据应用定制的图像处理流程，初步判定可疑火点，并进行初次报警，等待操作员人工判定；如确认起火，则发出正式报警，并通知防火扑救指挥子系统进行扑救准备；如果确定未起火，则解除报警，进行常规监控。

图像处理功能由数据处理子系统提供处理插件嵌入，并可针对不同的商用遥感卫星数据定制处理流程。

1.1.3    气象监控

根据需要在不同区域架设气象监测点，采集温度、湿度、气压、风向、风速等气象数据，根据气象数据、林相数据、基础地理数据生成火险指数图，划分火险等级，并生成火险等级图。

       气象监测数据在发生火灾时，为火势蔓延预测提供重要的气象依据。

1.3    森林防火扑救指挥子系统

林业火灾扑救指挥子系统工作在各级防火办内网的客户机上，并连有GPS信息接收设备，将林业火场和扑火队伍的动态显示，并根据火灾地区的地形、生态、天气情况，采用科学的分析模型对火灾蔓延情况做出预测，以实现远程指挥。

森林防火扑救指挥子系统的业务流程如图4所示：

图4 森林防火扑救流程

1.1.4    可视域分析模块

能够根据分析结果确定了望盲区，规划了望塔布局，同时可以提示对目前了望盲区加强火警监测。

1.1.5    火险预报分析模块

利用地理信息专题数据库，结合地形因子、林区物候、可燃物特性等数据，调用相应区域天气实况和天气预报数据库，建立火险预报分析模型，实现可视化的火险等级预报分析。

1.1.6    卫星监测热点及火点定位模块

能够读取火情监测系统处理的热点文件，或根据上报的火点坐标定位，以火点图标的方式叠加于数字化的地形图或森林资源分布图上。

1.1.7    火情分析及态势标绘模块

创建森林火场专用标号库，根据火场情况标绘火场态势图及扑火方案。在数字化地图上点击火点图标。

可检索火点的相关信息，根据火场属性使用不同的预测模型，对火势蔓延情况做出预测。

1.1.8    最短路径分析模块

结合地形数据和地表情况数据，可以计算出目标点与其周围各点之间的最短路径，为扑火队伍快速到达火场提供保证。

1.1.9    扑火队伍跟踪定位功能接口

创建GPS定位信号接收和处理接口，并提供扩展接口。

1.1.10火灾损失评估

在数字森林资源分布图上圈定火场区域，依据火烧程度创建的火灾损失评估数学模型，估算综合经济损失。

1.1.11专题地图制图管理模块

包括火险区划图、防火行政区划图、防火设施管理图、扑火力量分布图等专题图制图和管理模块。

4    结论

森林防火监控及应急指挥调度系统能够较好的满足日常防火要求，具有很强的实用性。本系统经过北京丰台区林业局、大连林业局、郑州林业局等单位的使用，获得了用户的肯定和好评。