森林烟火预警与定位系统方案

森林烟火自动识别预警与定位系统 中国科学院沈阳自动化研究所 • 机器人学国家重点实验室第一章系统概述1.1引言林业是生态建设的主体，在保持经济和社会发展中有着不可或缺的作用，在生物的进化过程中起着巨大的作用。

然而，森林的头号天敌——森林火灾，不仅时时刻刻威胁着森林的安全，造成森林资源的重大损失而且引起全球性的环境污染。

我国是一个森林资源大国，然而又是一个森林资源小国，人均森林资源不足世界品均水平的50%，保护森林资源的重要性不言而喻。

然而，新中国成立以来，森林火灾频频发生严重地威胁着森林资源的安全。

1987年5月的大兴安岭森林火灾，共计烧毁70万公顷林地、85万立方米原木、2488台各种设备、677座桥梁和涵洞、9.2公里铁路线、483公里通讯线路、284公里输变电线路、325万斤粮食、61.4万平方米房屋等，直接经济损失达到5.2666亿元，间接经济损失达到63.37亿元；1997年6月“6·22喀纳斯森林火灾”，共计烧毁100公顷林地、150立方米原木、8000平方米房屋等，直接经济损失达到385万元，间接经济损失达到2356万元；2005年7月“7.27乌玛森林火灾” 共计烧毁80公顷林地、125立方米原木、6572平方米房屋等，直接经济损失达到327万元，间接经济损失达到1895万元；2005年9月黑龙江嫩江“9·29特大草地森林火灾”，火灾过火面积约1.033万公顷,受害森林面积2231公顷，共计烧毁2.3万立方米原木，1.27万平方米房屋等，直接经济损失达到5325万元，间接经济损失达到3.24亿元； 2007年4月福建省“安仁乡森林火灾”，共计烧毁53公顷林地、76立方米原木、4583平方米房屋等，直接经济损失达到254万元，间接经济损失达到1235万元；2009年4月黑龙江省伊南河森林火灾，共计烧毁321万公顷林地、123万立方米原木、73.5万平方米房屋等，直接经济损失达到3.57亿元，间接经济损失达到38.6亿元。

森林火灾不仅严重地吞噬着森林资源，而且给人民的生活和生命安全带来了严重地威胁。

目前我国的森林面积为19545.22万公顷，森林覆盖率为20.36%，人均森林资源不足世界平均水平的50%。

近些年来森林火灾频频发生，使我国的森林资源造成巨大的损失。

表1-1为2000年到2009年由于森林火灾造成的森林资源损失以及直接经济损失。

通过表1-1可以看出，近10年来，平均每年我国森林火灾造成森林资源损失达到40.76万公顷，直接财产损失13.645亿元，由于森林火灾我国每年损失了大量的森林资源，森林火灾已经严重威胁了森林资源的安全、人民生活的安全和人类社会的安全，并给国家造成巨大的经济损失。

因此，保护森林资源免受森林火灾的侵袭不仅是保护森林生态系统，更重要的是保护人民生活和生命的安全。

及早发现火情并及时对其扑救对于森林保护就显得尤为重要。

1.2目前森林防火技术森林火灾不仅对人民生活的稳定造成极大的影响，而且对人类生存的环境造成极大的威胁，因此森林火灾成为世界上每个国家防范自然灾害的重中之重。

然而，由于各个国家科技实力的不同所采用的森林火灾防火技术也不相同，国外主要采用飞机巡逻或卫星监控为主，国内主要采用人工瞭望或卫星遥感为主。

1.2.1 国外通常森林防火技术1)德国：FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统德国投入使用的FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统，是一种陆地数字化远距离观察系统，能够对大面积的森林地区进行观察，系统被安装在30-65米高的地方，正常监测半径10公里，安装该系统每套需7.5万欧元，而在勃兰登堡州安装需要120-130套，约1000万欧元。

2)美国：护林飞机和红外遥感火灾预警飞机巡逻美国利用“大地”卫星在离地面大约705公里的轨道上绕地球运转，装备“中等分辨率成像分光辐射谱仪”来探测地面上的高温地区、浓烟地带以及火灾遗址。

而美国国家航空航天局于1999年发射“大地”，耗资却超过13亿美元。

有两颗卫星发回的图像画面清晰度、精确度和详细程度都较低。

另有五颗卫星的运行轨道和周期不合理，在北美地区上空留有12小时的空白时段。

美国开始使用无人驾驶林火预警飞机进行24小时监测，虽获得了成功，但耗费了巨额资金。

3)澳大利亚：澳大利亚的林火监测系统由多部分组成一是全国各地无偿开通了“000”紧急报警电话，群众发现森林火情后可迅速举报；二是高山了望塔了望，高火险时24小时观测；三是消防队员巡逻；四是飞机巡护；五是使用红外监测、GPS在空中定位；六是卫星遥感技术监测；七是采用可光的方式进行航拍；八是空中扫描探测。

4)加拿大：加拿大采用卫星巡回监测系统加拿大采用两颗卫星每天在该国上空飞行5次，每次检测1000平方公里，从卫星上发射电磁射线检测林区温度，当检测出某一林区局部温度上升到150℃～200℃，红外线波长达3.7微米时，便是火灾前兆，立即测定具体温度，采取措施及时防火.同时，发布短期和中长期气象预报，但卫星信息有14%误差，因此，加拿大林区采用多架配备先进的直升飞机轮流监测森林火灾，以此作为卫星信息的重要补充，但仍然存在误差，飞行费每小时需5000-6000加元。

国外的技术有的虽然可靠，但需要借助高空卫星，且施工太复杂；有的技术方案基础实施投资太大，多达几十万美元，投入成本过高，这些难以满足我国森林资源监测的实际需要。

1.2.2国内通常森林防火技术1)地面巡护主要是通过宣传群众，控制人为火源，同时深入了望台观测的死角进行巡逻，并且对来往人员及车辆，野外生产和生活用火进行检查和监督。

地面巡护森林防火监控技术的缺点：(1)巡护面积小、视野狭窄、确定着火位置时，常因地形地势崎岖、森林茂密而出现较大误差；(2)在交通不便、人烟稀少的偏远山区，无法进行地面巡护，需用各种交通工具费用及人员工资费用，只能用视频监测方法来弥补。

2)瞭望台监测主要是通过瞭望台来观测林火的发生，确定火灾发生的地点，报告火情，然后根据瞭望员对于当地地形的了解进行交叉定位，推算出火情的大致经纬度信息。

瞭望台森林防火监控技术的优点：(1)覆盖面较大、效果较好。

瞭望台森林防火监控技术的缺点：(1)雷电天气无法上塔观察，无法及时观测到雷电天气出现的森林火灾；(2)瞭望是一种依靠了望员的经验来观测的方法，准确率低，误差大；(3)野外缓降使得了望员人身安全受雷电、野生动物、森林脑炎等威胁；(4)它的观察效果受地形地势的限制，覆盖面小，有死角和空白，观察不到，对烟雾浓重的较大面积的火场、余火及地下火无法观察。

3)航空巡护主要是利用巡护飞机进行林火的探测。

航空巡护森林防火监控技术的的优点：(1)巡护视野宽、机动性大、速度快同时对火场周围及火势发展能做到全面观察，可及时采取有效措施。

航空巡护森林防火监控技术的缺点：(1)夜间、大风天气、阴天能见度较低时难以起飞，同时巡视受航线、时间的限制，而且观察范围小；(2)只能一天一次对某一林区进行观察，如错过观察时机，当日的森林火灾也观察不到，容易酿成大灾；(3)固定飞行费用2000元/小时，成本高，租用飞机费用昂贵，飞行费用严重不足。

4)卫星遥感主要是利用极轨气象卫星、陆地资源卫星、地球静止卫星、低轨卫星探测林火。

发现热点之后，实时监测火场蔓延的情况，及时提供火场信息，用遥感手段制作森林火险预报，用卫星数字资料估算过火面积。

卫星遥感森林防火监控技术的优点：(1)探测范围广、搜集数据快、能得到连续性资料，反映火的动态变化，而且收集资料不受地形条件的影响，影像真切。

卫星遥感森林防火监控技术的缺点：(1)热点达到3个像素时，火已基本成灾；(2)从卫星过境到核查通知扑火队伍时间过长，起不到“打早、打小、打了”的作用。

1.3中科院沈阳自动化研究所森林火灾预警与定位系统方案森林火灾具有突发性、随机性等特点，利用普通的瞭望塔人工监控技术(我国目前的森林监控主要以瞭望塔人工监控技术为主)无法解决日益紧缺的森林资源与森林火灾造成大面积的森林资源损失之间的矛盾。

因此，一种全新的森林资源保护技术的开发与实现势在必行。

为满足新时期林业管理信息化建设遇到的各种需求，中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室计算机视觉课题组适时推出“森林烟火自动识别预警与定位系统”全面解决方案。

该系统是一套应用光电技术、电子技术、高精度机械设计技术、图像处理技术、计算机视觉技术、模式识别技术、地理信息(GIS)技术、遥感(GPS)信息技术等开发的智能视频监控系统，能够对森林火灾实现自动识别，并对其进行精确定位。

该系统主要分为硬件子系统、软件子系统和运行安全管理体系三部分。

硬件子系统主要包括视频采集子系统、网络传输子系统、云台控制子系统、气象信息子系统、防雷子系统、系统安全保护子系统以及中心分析子系统。

软件子系统分为两大部分：(1)森林防火专题数据库系统，包括火情自动识别子系统、监控视频图像调节子系统、地理信息子系统(GIS)、火情报警信息平台发布子系统；二是林政管理和生态建设管理等其它林业数据库系统，两部分通过地理信息数据库系统和森林资源数据库系统互相有机连接，实现数据共享利用。

森林烟火自动识别预警与定位系统的结构图如图1-1：首先，视频采集子系统采集当前的视频，云台控制子系统执行和查询当前的命令和状态，气象信息子系统获取当前的气象信息；其次，通过网络传输子系统将当前的视频、云台的状态以及气象信息回馈给中心分析子系统(PC机或服务器)；再次，森林烟火自动识别与预警子系统对当前的视频进行分析、判断是否有疑似火情发生，若有火情发生则将回馈的云台状态信息(角度信息等)传递给地理信息子系统；然后，地理信息子系统根据接收的云台状态信息计算出火情目标的精确经纬度，对其进行精确定位，并给出火点的地形信息(海拔，坡度等)以及最佳扑救路线，并将这些信息传递给短信平台子系统；最后，短信平台将获取的火情信息通过无线网络发送给森林火灾扑救部门，以便其部门进行组织扑救。

运行安全管理是贯穿于硬件和软件的保障体系。

三个方面相互之间并非完全独立，软件的运行要基于计算机、网络的硬件环境，而系统运行安全管理包括了硬件安全管理和软件安全管理等诸多方面。

森林防火信息系统与其它林业管理信息系统结构关系总图如图1-2所示：系统中每个前端采集站有独立地址编码，且每个前端采集站的坐标与地理信息系统中的位置一一对应，通过安装在前端采集站的数字云台巡回监控覆盖区域的林区火情，一旦发现火情，GIS系统接收到特定地址编码的数字云台回传的位置数据，即可实现火点定位功能。

同时，启动后台的短信发布平台第一时间通知防火相关领导和人员。

系统还可以提供最近扑火队前往火情点最短路径以及通往现场的主要道路和通行能力，提供防火隔离带的位置和阻火能力，以及赶赴火场的时间等重要信息，相关领导可以在监控中心进行远程调度指挥。