淺談森林火災的現代監測技術

林發維

摘要：森林資源的珍貴性、森林火災巨大的破壞性和危害性以及我國森林資源相當稀缺的現狀決定了在我國積極開展森林防火工作的緊迫性和重要性。首先需要面對和解決的問題就是如何有效地預防和監測森林火災。因此，利用現有的高效技術和方法實現對森林火災的監測和預警，加強對森林火災監測系統的研究具有極為重要的意義。

關鍵詞：森林火災；監測；現代技術

一、研究背景

森林是人類的寶貴財富，是我們生存和社會發展不可或缺的資源之一。然而，由于人類活動的廣泛性和自然環境的多變等因素，森林火災具有突發性。這就需要具備對森林火災的快速反應能力，力爭把林火撲滅在萌芽階段。森林防火系統的反應速度快，動作準確，高效率就顯得尤為重要，使我們可以極大地提高森林火災的組織效率。森林防火是一個艱巨的任務。一方面和消防設施，技術力量，人員素質，以及裝備等因素有關，另一方面，各種復雜、多變的地理因素和天氣因素也會影響森林地區的地形、水系、道路和植被。

通過建設森林防火預警系統，利用森林的基礎數據、林火科研成果和林木、氣象等相關環境和人類經營活動信息，對林火的各種信息進行自動提取、統計分析、輔助決策等。概括來講，就是掌握林火的真實情況，提高對林火的管理水平，制定森林火災預防和撲救輔助決策。

二、森林火災監測研究現狀

氣象科學、遙感技術、計算機、激光、通訊和航空航天技術的蓬勃發展，為森林防火提供了先進的技術。地理信息系統、集成數學模型、遙感、數據庫技術和網絡一起構成的信息系統已得到大家的重視。

1.基于MODIS數據的遙感監測方法

MODIS（中等分辨率成像光譜儀）是美國國家航天航空局對地觀測計劃（EOS）中用于觀測全球生物和物理過程的傳感器，分別搭載Terra和Aqua衛星之上。MODIS數據波段范圍廣，包括了36個波段，數據空間分辨率包括了250m、500m和1000m三個尺度。衛星遙感具有較高的空間分辨率、時間分辨率及大面積的監測范圍，不僅可以連續跟蹤、監測火災發展的動態過程，還能提供詳細的火區位置、面積、溫度變化等信息。利用衛星遙感監測的這些特點，可以大大提高對森林災害的監測預警能力，在空間和時間上都避免了常規手段如地面航測等所存在的不足。

遙感監測火點原理與流程：地表的草地、水體、森林、建筑等物體自身溫度的不同，具有不同的物理化學性質，它們不同的性質可以對應在不同的狀態下具有不同的波譜特征，可以輻射不同波長的電磁波。森林在沒有發生火災時的輻射稱為背景輻射，當森林發生火災時的主要輻射源是具有較高溫度的碳化物甚至是火焰。它們有自己的輻射帶。利用背景輻射和火災時輻射值的差異，我們就能從遙感信息中及時發現火災，并監視火情動態。森林火災發生時，熱力作用使得火場上空和周圍的空氣溫度上升。可以根據需要將地面的輻射溫度與空氣溫度相互轉化。識別火點的過程比較復雜，高溫點并不完全是火點。存在一定其他的干擾因素，需要我們有針對性地進行判斷。

2.基于GIS的監測系統

地理信息系統（GIS）是一種特定的而又十分重要的空間信息系統。它是以采集，儲存，管理，分析和描述地球表面和地理分布的空間地理相關的空間信息系統，被廣泛用于環境管理、宏觀經濟決策、資源清查、森林防火管理、災害監測、城市規劃等。

基于Web GIS的森林防火系統：網絡地理信息系統（Web GIS）是指基于互聯網的信息傳播，數據共享，交流和合作的平臺，客戶端應用軟件使用的萬維網協議，實現地理信息在線查詢和業務處理的功能。在互聯網上運行的GIS系統是一個利用先進計算機技術來輔助和完善的新型技術，其核心是嵌入在HTTP和TCP/IP標準的地理信息應用系統在互聯網環境下實現空間信息的管理。

整個系統的結構是采用網絡模式進行搭建，防火指揮信息既可以在局域網內發布，對于有些信息也可以接入互聯網，進行公網信息發布。體系結構主要包括GIS服務器、WEB服務器、GIS圖形工作站、GPS服務器、GPS監控工作站、管理工作站及路由器等。

基于嵌入式GIS森林防火導航系統：嵌入式GIS是在嵌入式設備上運行的高度濃縮和高度精簡的GIS軟件系統，與一般的GIS不同，它是運行在硬件資源緊缺的嵌入式設備上。嵌入式GIS和GPS的結合，為獲取最新GIS數據提供了有效的手段。尤其是在測繪工作較難開展的森林、山地等地區，若能結合GIS與GPS技術，實現偏遠地區森林管理和防火導航，將帶來重大的實用價值。

3.基于無線傳感器網絡的監測系統

針對森林火災監測技術和方式存在的成本過高、易受天氣影響、實時性差等問題，還可以考慮一種基于Zig Bee無線傳感器網絡的森林火災監測系統方案。Zigbee技術是一種新興的低功耗、低成本、低速率且具有自組網特性的短距離無線通信技術。

基于Zig Bee無線傳感器網絡的森林火災監測系統由Zig Bee無線傳感器網絡、GPRS網絡和監測中心三部分組成。采集節點主要負責實時采集監測林區的森林環境數據信息，并將數據發送至鄰近路由節點或者直接發送至網關節點；路由節點的功能是對采集節點和其他路由節點發送過來的數據以及自身采集到的環境數據進行初步的數據融合后，然后轉發至網關節點。網關節點在匯聚處理之后，通過GPRS網絡上傳至Internet，然后以無線的方式發送至遠端監測中心。監測中心可以實時顯示整個系統中的森林環境數據信息。

三、森林火災指揮

隨著現代科學技術的發展，森林火災現場指揮的科技含量也不斷增加。森林火災現場指揮硬件平臺是實現森林火災現場指揮的必要條件。森林火災現場指揮硬件平臺的組成主要包括單兵終端模塊和車載終端模塊，其中單兵終端配備在現場撲救人員身上和無人機上，車載終端裝備在現場移動應急指揮車上。

單兵終端主要集成處理器、全球定位設備、無線通信設備、數據采集設備（無線傳感器、視頻攝像頭等）等硬件設備。智能車載終端要進行現場數據的匯集、對人力資源的調配以及導航數據的解析等許許多多的計算工作，同時還要實現人機交互。

當發生森林火災時，森林火災現場指揮中心通過接收從火災現場傳遞過來的火場的地貌、地形、火勢大小的具體信息和森林資源數據，應用GIS對林火行為進行科學的預測，確定現場指揮撲救相關決策。并把指揮中心的決策內容傳送到火災現場，進行及時的指揮。甚至可以建立3D沙盤推演。3D沙盤能讓指揮人員對火場地形有更直觀的認識，合理開辟隔離帶、防火溝等滅火措施。森林火災現場指揮需要的信息是火災現場發回的視頻圖像信息、林火預測模型處理的數據信息、車載GPS定位信息、以及指揮中心與現場指揮撲救人員之間的對講通信信息、撲火隊員手持GPS定位信息、撲救人員的分布信息等。

四、展望

為了盡可能地減少森林火災造成的各種損失，世界各國每年都增加在森林火災預防方面的資金和人力投入，一直都致力于森林火災監測新技術和新方式的研究和開發。森林火災研究是一項復雜的系統工程，涉及的知識多、領域廣，諸多問題還需要在實踐中繼續發現和補充。隨著移動網絡的發展、定位技術的提高、衛星監控的民用化，林業防火系統的開發與使用成本將會越來越低，發展也會越來越快，在林業領域提供更好的服務。