森林火災監測及相關技術綜述

摘要 對近年來國內外在森林火災監測及相關技術方面取得的研究成果進行了總結，主要包括地面及近地面監測、航空監測、雷達監測、衛星遙感聯合地理信息系統監測和無線傳感器網絡技術，并對今后的研究和發展方向進行了展望。

關鍵詞 森林;火災;監測;技術

中圖分類號 S762 "文獻標識碼 A "文章編號 0517-6611（2014）32-11355-03

Review of Forest Fire Monitoring and Interrelated Technology

PENG Yu1，2， CAI Bangcheng2

（1. East China Jiaotong University， Nanchang， Jiangxi 330013; 2. Nanjing Institute of Environmental Sciences of the Ministry of Environmental Protection， Nanjing， Jiangsu 210042）

Abstract The recent progress in forest fire monitoring and interrelated technology both domestic and overseas was reviewed， mainly including surface and near surface monitoring， air monitoring， radar monitoring， satellite remote sensing combined geographic information system monitoring， wireless sensor network technology， and future prospect in both research and development directions was presented.

Key words Forest; Fire; Monitoring; Technology

森林火災，也被稱為野生大火，是一種突發性強、危害性極大的自然災害，被認為是21世紀最嚴重的災害之一[1-2]。全球范圍內每年發生森林火災幾十萬次，受災面積達幾百萬公頃，約占森林總面積的0.1%，森林火災在毀滅森林資源的同時會燃燒基礎設施，可能會在城市附近造成重大傷亡事故[3-4]。常見的誘因包括閃電、人為野外違規用火、燃料在熾熱或干旱環境的長時間暴露等[5-7]。森林防火不是消滅一切林火，因為在某些情況下林火是森林生態系統的一部分，它們是本土的很重要的棲息地，所以低強度的地表火對于森林來講大多是有益的[8]。然而，在大多數情況下，其對自然資源和公共安全造成的損害是難以估量的，所以早期檢測和及時控制對于預防森林火災、控制已有火情至關重要[9-10]。

對森林區域環境主要關鍵因子的監測可有效預測區域火災風險，現代的林火管理技術的應用使得森林火災監測已形成以空中衛星、飛機、地面了望臺、護林員巡山護林的立體監測網[11-13]。隨著國內外航天、信息科技的迅速發展，一些新技術，如無人機、地面雷達、衛星遙感和分布式傳感器網絡系統已被用來探測森林火災[14]。已有的森林火災監測及相關技術主要包括地面及近地面監測[15]、航空監測[16]、雷達監測[17]、衛星遙感聯合地理信息系統監測[18]和無線傳感器網絡技術[15-20]。筆者對近年來國內外在森林火災監測技術方面研究成果進行了綜述，旨在為控制森林火災提供參考。

1 地面及近地面監測

近地表觀測主要包括瞭望塔（臺）和視頻監測等手段，是林火立體監測網的硬件基礎，但瞭望臺監測受地形、地勢等諸多條件的限制[21-22]。地面監測主要通過護林人員在林內開展地面巡護以發現和通報火情，阻止進山人員，但該種監測方式人力和時間花費大，且存在疏漏[15，23]。借助地面巡護車輛，能提高護林人員進行地面監測的效率，全地形林火地面巡護撲救車能有效解決傳統巡護摩托車穩定性和越野性不足的問題[24-25]。地面巡護車輛裝配車載衛星定位系統和遠程管理軟件系統能實時精確地采集和回傳災害現場的關鍵信息，為防火指揮部門提供詳細準確的火災現場數據[26]。

2 航空監測

航空監測主要利用航空護林飛機和無人駕駛飛機進行巡護，是監測林火最有效的途徑之一，是構成立體監測網的重要組成部分[16，21]。目前航空巡護主要有固定翼飛機巡護、直升機載人巡護和直升機升高瞭望[27]。航空手段在管理森林火災中除了能輔助森林消防隊員進行滅火和物資運輸，也能用于火災監測和火情探測。航空巡護時采用望遠鏡輔助觀察火情，可在一定程度上提高火情發現率和準確率，減小因植被叢生、喬木郁閉、垂直俯視等因素造成的干擾[28]。可視航拍遙控器在森林航空巡護中的應用有效避免了人工觀察視角小、范圍有限和作業量大的弊端[29]。全球定位系統（GPS）在領航引導飛機進行衛星熱點偵察核實、準確提供火場要素和勾繪火場示意圖中起到了重要作用[30]。在我國，航空護林的發展總體上還處在起步階段，與當前森林防火工作需要還有一定差距[31]。我國南方林區的機型主要有M26、K32、M171直升機和Y12固定翼飛機，其中直升機主要用于航空直接滅火，固定翼飛機主要用于巡護和火場偵察[32]。

無人駕駛飛機（UAV）也叫無人機，已在軍隊中得到廣泛應用，但隨著無人機技術的成熟、傳感器和攝像機的小型化、新型傳輸和控制系統的出現，無人機技術的應用在民用領域得到了拓展，如自然災害、檢驗、搜救、交通監測和執法等[33-34]。相比載人飛行器，無人機的固有風險較小，使用成本較低，且能自動監測火災和探測火情，并及時發送圖像和數據信息到地面基站和控制中心[35]。基于衛星系統的高空、長航程型無人機能增加圖像的分辨率和更新率，但是在火災高發期，其整體性能受系統本身影響較大[36];低空、短航程型無人機彌補了上述缺點，在低空飛行時能夠捕捉到高分辨率的圖像，能及時更新火場信息并提供給消防人員，但由于不能裝填足夠的燃料，導致不能執行時間較長的任務[19，37]。

3 雷達監測

有關雷達探測火災的研究已有較多報道[17，38]。黃克慧等[39]通過分析距離雷達站5～100 km的不同規模的森林火災，發現新一代多普勒天氣雷達CINRAD/SA能對森林火災進行監測，且火災引起的回波不同于氣象回波，具有水平尺度小、頂高度低、強度強的特點。基于上述觀測和分析成果，提出了自動識別火災回波的“火災雜波過濾法”和“降水回波過濾法”，并在此基礎上研制了基于多普勒天氣雷達的火情自動識別系統，其在為期1年的試運行中，對火情預警的命中率（POD）、誤警率（FAR）和臨界成功指數（CSI）分別為79%、4%和76%。Lavrov等[40]通過研究森林火災的煙霧擴散，證明了激光雷達作為一種半定性預測森林火災煙霧的工具，具有一定的靈敏度和可靠的感煙探測范圍。Bozier等[41]通過使用多普勒激光雷達觀測俄羅斯森林大火的煙霧，有效地對其流場進行了連續監測。

4 衛星遙感聯合地理信息系統監測

衛星遙感技術特別是紅外衛星遙感已成為森林火災監測的一種有效手段。借助于衛星遙感和林火地理信息系統（EOS/MODIS），可克服人力和飛機監測所帶來的使用費用高、工作繁雜、盲區監測計算精度低等不足[17-18]。衛星遙感圖像質量決定于衛星自身的性能、衛星工作的外部客觀環境、對遙感圖像處理所采取的技術方法[42]。我國的環境一號衛星A、B星（簡稱HJ1A衛星，1B衛星），搭載了紅外多光譜相機的HJ1B衛星，在早期火災發現、中期災害跟蹤和后期災害損失評估中發揮了重要作用[43]。卿清濤[44]等以四川省農業氣象中心EOS/MODIS資料為基礎，通過試驗研究發現，設置合理的川西山區森林火災遙感監測參數可顯著提高監測的準確性。趙慧穎[45]通過極軌氣象衛星遙感監測植被指數數據顯示植被指數（歸一化）在0.6～0.8的地區火災的次數相對較少，且主要以雷擊火為主。

5 無線傳感器網絡技術

在森林火災探測系統中，最關鍵的問題是如何快速響應以減少災難的規模，這需要不斷地監測森林面積[19，46]。由于分辨率較低、掃描時間較長，當前中、大規模火災監測系統不能實現及時地發現[47]。無線傳感器網絡作為一種解決上述問題的方案已得到廣泛認可，該技術能提供實時災情資料，且具有較高的探測精度[48]。目前，傳感模塊可感知各種現象，包括溫度、相對濕度和煙霧，有利于火災探測系統。此外，最近的協議使傳感器節點能夠自行組織成一個自配網絡，省去繁瑣的手工設置[49]。而且大規模無線傳感器網絡可以很容易地使用飛機進行部署，其成本遠低于森林火災所造成的破壞和損失[50]。

森林火災監測是無線傳感器網絡在環境監測方面的一個研究領域，但由于森林火災的危險性較高，目前缺乏相關的實地試驗研究[51-53]。Kosucu等[54]進行了室外實地試驗研究，分析了各種參數，如鏈路和節點故障、拓撲結構和物理性質（風向、點火點位置和采樣周期）對火災的影響。張新等[55]對基于無線傳感器網絡的森林火災監測系統的火焰探測模塊進行設計研究，實現了探測模塊硬件上對火災信號的采集及處理和軟件上對數字濾波以及火災的識別。張軍國等[56]構建了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的森林火災實時監測系統，該系統能夠監測林區溫濕度等相關環境參數的變化，為有關部門采取相應的防火或滅火措施提供決策依據。

6 展望

森林火災失去人為控制后，將會給生態系統及人類帶來不可估量的危害和損失。早期監測是預防森林火災發生、及時控制火情的有效手段。對森林火災的監測，傳統方法和新技術都有各自的優缺點，為提高早期監測在森林火災防治中的效果，建議如下：①開展已有火災數據分析，加強重點區域和特殊年份的監測工作;②提高設備的監測精度，增加火情評估的準確性，減小火災火情的誤報;③研發火情實時監測系統，發揮傳統方法和新技術各自優勢;④構建全國森林監測體系，實現災情數據共享和防治資源優化。

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