森林资源监测及防火系统构建方案设计书

xx县森林资源监测及防火系统构建方案设计书xxx有限公司二〇xx年十月1项目概述1.1项目背景森林火灾是一种破坏森林资源和自然生态环境，危及国家和人民生命财产的严重自然灾害。

如何及时、有效、准确地监测火灾对减少灾害损失具有重要意义。

传统的森林火灾监测方法为地面巡护，但存在着巡护面积小、视野狭窄等不足，一旦发生火灾，很难掌握火势。

在森林区域高处建立瞭望台，可以应用一些先进的技术和手段没，如在瞭望台上安装40倍望远镜、地面红外探火仪、激光探火仪、林火定位仪、视频摄像头监测林火装置等，但是这种观察效果受地形地势的限制，覆盖面小，有死角和空白，不能全方位监测。

飞机巡护可以快速有效地对特定森林区域进行火灾监测，如基于机载红外探火装置可实现较好的监测效果，但飞机巡护往往耗费较多。

随着科学技术的发展，森林火灾监测也向着智能化、系统化、综合化的方向发展，其中卫星遥感已成为森林火灾监测的新的技术手段。

卫星遥感具有监测范围广、收集数据快的特点。

通过极轨卫星、静止卫星、低轨卫星的监测，可以实时监测森林火情，发现火点，监测火灾蔓延趋势，估算过火面积等。

近年来快速发展的无人机遥感技术为飞机巡护增添了一种新手段。

无人机可以携带各种载荷进行拍摄，具有机动灵活、快速高效、精细准确、安全、作业成本低等特点，在小区域和飞行困难地区高分辨率影像快速获取方面具有明显优势，是卫星遥感技术的补充。

因此，基于卫星和无人机遥感技术，建立一套完整的森林防火监测系统，提高监测效率，满足森林林业决策和生态建设对森林资源的宏观信息的需求，具有十分重要的意义。

1.2研究区概况xx县地处大渡河流域的干热河谷地区，地貌特征主要以山地为主，地势为西南高、东北低，最低海拔756 m，最高海拔5675 m。

境内属于中纬度亚热带湿润季风气候区，受地形的影响，气候垂直分布较为明显。

xx县是xx省第一批“天然林资源保护工程县”之一，全县国土总面积267820 hm2，其中林业用地218747 hm2，占81.7%，森林覆盖率达61.55%。

由于森林资源丰富，防火点多而广，地理环境复杂，传统的人员地面巡视很难应对大面积的森林火灾监测任务。

一旦遇到大面积森林火灾，防火决策和扑救人员也难以协同应付救灾。

图1 xx 县卫星影像（Landsat OLI ） 2.系统设计随着遥感、无人机等新兴技术的发展，利用计算机建立一套森林防火监测系统，对提高xx 县森林防火监测任务效率十分必要。

该系统拟通过卫星遥感、无人机手段，利用GIS 技术，实现森林资源的动态监测、森林火灾预测预报、森林火情实时监测、森林火灾扑救指挥、森林火灾灾后评估五大功能。

大渡河石棉县卫星影像±0105km影像获取时间2016.03.18图2 系统框架2.1森林资源动态监测森林资源是林地及其所生长的森林有机体的总称，是一种生长在地表的多年可再生资源，它极易受到人为因素和自然力作用而发生动态变化。

森林资源的变化对于全球碳循环、气候变化、生物多样性和生态环境有重要影响。

及时、准确地获取森林资源变化信息，对于森林经营科学决策与可持续发展具有重要意义。

森林资源的变化形式主要表现为林冠覆盖的变化、森林面积的变化和森林类型的变化等，变化原因主要包括森林的自然生长、冠层的季节性变化以及病虫害、火灾、人为砍伐等引起的变化。

森林资源动态监测目标：①通过多时相遥感数据比较，监测森林资源变化地理位置。

②确定森林变化类型（如林地转农田）。

③森林变化的数量和规模。

监测方法：遥感图像与GIS数据集成的分析方法。

基于遥感信息和GIS技术，利用Landsat TM/OLI、高分卫星影像、无人机影像、数字化的1:100万植被类型图以及林业实地调查资料等，进行遥感图像分类和精度验证和校正，进而得到森林变化结果。

图3 森林资源动态监测流程图2.2森林火灾预测预报森林火险等级：森林火险分级首先要对森林火灾发生和发展的成因进行研究。

森林火险等级可分为5个等级，即没有危险（Ⅰ），很小危险（Ⅰ），中等危险（Ⅰ），高度危险（Ⅰ）和极度危险（Ⅰ）。

表1 根据《全国森林火险区划等级》林业行业标准的森林火险分级五级极度危险极易燃烧极易蔓延林火预测预报是综合一定时期内的气象要素、地形、可燃物的干湿程度、可燃物类型特点和火源等，对森林可燃物燃烧危险性进行预测分析。

林火预报方法可归为两类，一类是根据可烧物本身含水量进行林火预报，另一类是根据气象要素进行林火预报。

主要方法：① 依可燃物的湿度确定森林火险程度。

② 聂斯切洛夫法：R =∑(t ×d )n t=1，R 为森林燃烧性指标（也称综合指标），n 为降水后的天数，t 为空气温度，d 为水汽饱和差。

③ 风速补正综合指标法：R =b ∑(t ×d )n t=1，b 为风速参数，其它符号含意同②式。

④ 实效湿度法：E=[h 0+(1/2)h 1+(1/2)2h 2+…+(1/2)n h n ]/[1+1/2+(1/2)2+…+(1/2)n ]，h 0 为当天的平均相对湿度，h 1为前1d 的平均相对湿度，h 2为前2d 的平均相对湿度，h n 为前nd 的平均相对湿度。

⑤ 着火指标与蔓延指标法：着火指标根据每天最低湿度与最高气温确定，蔓延指标根据实效湿度和最大风速确定，最后再根据着火指标与蔓延指标来确定森林火险等级。

此外，利用卫星遥感数据，如MODIS 等可以高效、全面地进行森林火险预报。

数据源：遥感数据（MODIS 、Landsat ）、气象数据（气温、降水、风速、相对湿度）、地形（海拔、坡度、坡向）、植被（植被类型、林木郁闭度、林龄）、其它数据（水系、道路）图4 森林火灾预测预报流程图2.3森林火情实时监测2.3.1卫星遥感目前我国进行森林火情监测的遥感数据主要是NOAA/A VHRR（3-5μm光谱对燃烧的火焰特别敏感，A VHRR第3通道正处于3-5μm光谱范围内）和EOS/MODIS（MODIS 最适合通道4μm和11μm通道监测）。

NOAA/A VHRR是面向全球的免费数据源，具有周期短、密度高、多时相等特点，但空间分辨率低为森林火灾信息进一步提取监测带来了困难。

EOS/MODIS数据不仅可以对森林林火进行直接监测，而且还能开展地表温度、湿度的监测。

EOS/MODIS在林火监测的准确率和定位精度等相对于NOAA/A VHRR都有了较大的提高。

2.3.2无人机监测无人机监测相对于卫星遥感地面分辨率更高，巡护响应更快，主要优点：①能达到与有人飞机监测相同的功能；②低成本的使用与维护；③不挑气象条件和起降场地；④无人员安全的风险；⑤可执行夜航的任务；⑥低能见度下（烟雾等）执行任务；⑦可组成空中飞行监测系统，大范围、多区域同时作业。

无人机配置：GPS、可见光传感器、热红外传感器、摄像及视频实时传输。

图5 KC3400固定翼无人机选用一款垂直起降固定翼无人机KC3400，该无人机采用固定翼结合四旋翼的布局形式，起飞无需辅助设备，解决了固定翼无人机的起降难题。

该无人机特点：①油电混合动力；②智能化操作，1-2人即可作业；③快速拆解为6部分，10分钟内展开撤收，拆装简单便捷；④提供配套工具包，一把螺丝刀即可完成；⑤携带方便，整机拆解后SUV越野车后备箱即可装载；⑥复杂环境使用，无空域要求，2X2M场地即可满足起降要求；⑦具备空中熄火重启、空中发电功能；⑧搭载应急保护伞。

无人机可搭载多种载荷：图6 无人机搭载载荷无人机参数：无人机高清彩色图像判别：无人机地面站接收、显示的真彩色图像均使用RGB颜色空间。

森林火灾区域大多满足以下关系：①R(x , y) – G (x , y) ＞T1②G(x , y) – B(x , y)＞T2其中，T1＞0，T2＞0，当T1，T2取值较小时误检率较高，一般来讲随着T1，T2的增大，检测区域亮度增大、误检率减少、漏检率增大，实际中一般取T1，T2＝40 ~ 60。

无人机热红外图像判别：基于无人机机载可见光热红外传感器得到地表温度，利用自动火点判识算法，对局域图像进行火点自动搜索，生成火点信息二值图。

人机交互火点判识修正：以人机交互方式检验自动判识火点精度，对漏判和误判火点进行修正。

实现功能：①无人机可全天候在空中林区进行监测任务，及时发现火情、报告火情位置；②实时将图像数据传回地面观测站，地面观测站可通过网络将数据传回决策部门；③对已出现火灾的区域进行火灾势态观察，将数据传回地面。

2.4森林火灾扑救指挥森林火灾往往具有突发性的特点，因此森林防火指挥系统的快速、准确、高效地对有效地组织森林扑火显得尤为重要。

在森林火灾扑救过程中，需要及时掌握火场地形地貌、可燃物类型及其分布、气象、水系、交通等火场环境情况，火场态势及扑火人员的位置与行动、预估火场行为变化与火场安全情况等。

基于卫星林火监测、GIS、GPS以及计算机网络通信等技术，建立了由应急指挥辅助决策、三维火灾环境浏览、火险及蔓延预报、扑火队员动态跟踪等一体的森林火灾扑救辅助决策系统，为日常林火管理部门和扑救指挥员提供科技支撑。

数据库建立：①气象数据：气温、降水、风速、相对湿度②基础地理数据（矢量）：行政区划、道路、河流、居民点、森林资源调查数据及重要地物和林区区划数据等③基础地理数据（删格）：DEM高程、卫星遥感数据④防火数据：瞭望台位置、防火工具信息、防火队伍信息、防火隔离带信息、森林可燃物类型、救火水源信息等实现功能：①定位查询：能够查询任意点经纬度、海拔、坡度、坡向、居民点、道路、森林类型、火灾环境浏览等信息②卫星监测：火点快速定位、过火面积监测、林火蔓延方向预报等③快速指挥：最近水源点查找、扑火兵力部署、最佳路径分析和扑火方式选择等2.5森林火灾灾后评估森林火灾发生后，需要及时对起火时间、地点、原因、肇事者、过火面积、扑救情况、财力损失、人员伤亡情况以及对生态环境影响等进行调查评估，以便汲取教训，做好森林防火工作。

灾后评估工作主要包括：①报告火灾起火时间、地点以及扑救情况②利用遥感红外波段通道检测地面高温热源，分析火灾起火点和发生发展规律③通过高分遥感图像、无人机图像，检测过火面积，评估灾后损失情况以及对环境的影响程度。

④监测过火区是否有复燃迹象，制定灾后森林恢复措施。