森林火灾监测综述()

森林火灾监测

摘要：该文章重点讨论现阶段森林火灾监测应用的情况，主要讨论了无线传感器网络（WSN）在森林火灾监测中的技术应用，极其发展和未来的展望情况。另外还介绍其他的监测技术，例如GIS、DDRS等。

关键词：森林火灾监测；WSN

森林是人类赖以生存及社会发展最重要和不可缺少的资源之一, 更是地球生态平衡的保护者。但是, 由于人类活动中的某些失控及异常自然因素影响等原因, 森林火灾时有发生。每次大火都会带来巨大的损失。因此, 预防和监测森林火灾已成为世界各国森林防火部门的一个重要研究热点。目前森林防火措施普遍采用在防火期间派出防火人员到林区巡逻、瞭望塔人工观测以及卫星探测[ 1--2] 。人工望塔方式虽然简单易行, 但是需要投入很多财力、物力、劳力, 存在防火人员主观麻痹大意、擅离岗位、无法实时监测、覆盖范围有限等。卫星监测系统的扫描周期长、分辨率低、图像像素点的饱和、扫描期间云层的遮挡以及火灾参数很难实时数量化等原因[ 3--5] 限制了卫星探测系统的使用范围, 降低了森林火灾的监测效果。

基于传统森林火灾监测方法存在的不足，需要引进新的方法应用到森林火灾的监测中。无线传感器网络是计算机技术、通信技术和传感器网络技术相结合的产物, 被认为是影响人类生活的十大新兴技术之一, 无线传感器网络由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成, 集成有传感器、数据处理单元和通信模块的智能传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位,各节点通过协议自组成一个分布式网络, 再将采集来的数据数( 例如

温度、相对湿度等)集中到网络协调节点进行优化处理, 并与正常的气象数据以及该地区森林资源基础数据相比较, 判断是否具有林火发生的潜在危险, 最终传输给信息处理中心的监控主机, 为有关林业专家或决策者提供直观信息[ 6 - 7 ] ，并为有关部门采取相应的防火或灭火措施提供决策依据。

1传统的卫星遥感火灾监测应用

MODIS( 中分辨率成像光谱辐射计) 是EOS( 美国新一代的地球观测系统) 的主要探测仪器［8］，也是当前世界新一代“图谱合一”的光学遥感仪器，具有36 个光谱通道，光谱波长0． 415 ～ 14． 235 μm，分辨率为250、500、1 000 m。与NOAA/AVHRR 比较: 具有相同的时间分辨率，但MODIS 提高了空间分辨率，其最高分辨率是NOAA 的18 倍; MODIS 量化精度远比NOAA/AVHRR 的高，因此在发现和测定火灾方面具有优势; MODIS 具有多个可用于火灾检测的通道，它不仅避免了原来NOAA/AVHRR 的饱和问题，而且还可以对火灾的性质进行定性、定量分析; MODIS 具有极好的定位精度，NASA还专门设计了不仅依靠卫星轨道和姿态计算，同时还考虑地面控制点和高程点的定位方式，使地面几何定位精度达到星下点0． 1 像元、边缘0． 3 像元，并且不需要用户进行复杂的操作，这就大大提高了火灾定位的精度。EOS /MODIS 还具有实时性强、覆盖面广、其中红外通道对高温敏感的特点。

极轨气象卫星 NOAA/AVHR（(NOAA-12,NOAA-16）卫星林火监测系统具有对火敏感的探测通道，井具有高的时间分辨率(每天过境4次)、很宽的监侧带幅(270W 和高时效(从卫星资料的接受到处理只需20分钟左右)等优点，很适宜于森林火灾的监测。目前用于我国森林火灾监测的主要是美国NOAA系列气象卫星，我国的FY_1C FY-1D卫星也已开始应用于林火监测。

(1) 林火卫星监测是以卫星作为空间平台，通过光电光谱传感器信息传输、接收、解译、发现林火，并监测其行为的航天遥感技术手段。(2) NOAA/VHRI气象卫星信息源是面向全球的无偿信息源，具有周期短、密度高和多时相动态遥感的特殊能力。依靠地面接收站和处理手段，可获得对林火监测准确度高、功能独特、成本低廉等效应，是目前建立林火卫星监测系统主要的无可取代的航天遥感信息源。(3) 通过对FY系列卫星资料的定量处理，可以获得全球的气象和环境参数，能为更精确的林火监测提供必要的基本资料。FY卫星的信息量大，内容丰富，还可以在灾害监测和环境遥感中发挥巨大的作用。(4) EOS 卫星在林火监测中具有很好的应用前途，不仅可应用于对林火的直接监测，同时可以开展地表温度、湿度的监测。在林火监测的准确率和定位精度等方面较NOAA卫星有较大的提高，但目前尚处于实验开发阶段，其通道选择的方法和不同区域判识指标的确定还有待进一步细化和完善。(5 )目前用于我国森林火灾监测的主要是美国NOAA系列气象卫星，我国的FY卫星也开始应用于林火监测。NOAA系列气象卫星为森林火灾的监测提供了可靠、稳定的服务，但分辨率低给森林火灾信息的进一步监测带来了一定困难。应用美国EOS卫星进行林火监测，可以提高监测精度和准确度，为火灾的扑救提供更多、更可靠和更细致的监测成果。

2基于无线传感器网络(WSN)的森林火险监测预报系统

系统结构图如图1 所示, 该系统由传感器节点、网关、任务管理者节点3 部分组成。WSN 是由大量的具有温度、湿度采集功能、无线通信与计算能力的微小传感器节点构成的自组织分布网络系统, 每个节点具有数据采集与路由功能。节点最后把数据都发送到网关处, 网关负责融合、存储数据, 并把它传送到Internet 或卫星网络上。用户管理节点可以远程接收、分析, 对森林火险进行监测预报[ 9 -12] 。

图1 基于无线传感器网络的森林火灾监测系统结构

森林火灾监测系统是一个典型的基于WSN 的应用系统, 具有如下优点:(1)采用了低功耗的集成化器件, 提高了系统稳定性和可靠度, 缩减了系统体积;(2)信号传输采取了曼彻斯特编解码、GFSK 调制、CRC 校验等技术, 保证了数据传输的准确性;(3)在野外空旷处节点离地面1m 高度时传输距离可达200m 以上。本系统能够实时地监测森林环境的温湿度, 不但起到火险等级预报的作用, 而且一旦发生火灾, 能够迅速判断出何时何地发生火灾, 帮助防火人员及时做出反应。

2．1 基于ZigBee 无线传感器网络的森林火灾监测系统

该系统可以实时监测有关被测参数( 例如温度、相对湿度等) 并发送给监控中心的计算机, 监控中心的计算机对采集到的数据进行分析处理, 并与正常的气象数据以及该地区森林资源基础数据相比较, 判断是否具有林火发生的潜在危险, 为有关部门采取相应的防火