基于物聯網和人工智能技術構建森林火災預警體系思考

張明玥，蔡特金,趙 航

(1.南京林業大學 經濟管理學院，江蘇 南京 210037；2.南京郵電大學 管理學院，江蘇 南京 210023)

1 引言

數據顯示，2019年我國共發生森林火災2345起，受災森林面積約13505 hm2。森林防火工作已經引起了政府和社會各界的高度重視，成為中國防災減災的重點工作之一。但作為突發性強的自然災害，森林火災瞬息萬變，撲滅工作危險重重，如何準確實現對森林情況的實時監測，建立完備、有效的森林火災預警體系，落實“打早、打小、打了”的林火預防撲救方針，已成為我國亟需解決的問題。

2 森林火災預警體系現狀

2013年第八次全國森林資源清查結果顯示，雖然我國的森林總面積已達2.08億 hm2，森林覆蓋率提高到21.63%，但仍是一個缺林少綠、生態脆弱的國家。森林覆蓋率只有全球水平的31%，人均森林面積也只有世界人均水平的20%，要想從根本上改變我國森林資源總量相對不足、質量不高、分布不均的現狀，一方面，要大力發展生態林業民生林業，保證森林蓄積、森林面積雙增長；另一方面，要重視現有森林資源的保護。我國從20世紀中葉開始重視森林火災防控和預警領域的研究，借鑒了其他國家的研究成果和經驗，結合我國國情，不斷完善森林火災預警體系。目前我國的森林火災預警主要有以下幾種方式。

2.1 地面巡邏

地面巡邏是人類應對預防森林火災最早采取的方式之一，主要通過地面人員在一定范圍的森林區域內實地巡邏，來達到預防火災、發現火災的目的。我國各地均有嚴格的野外巡查制度，在森林防火的重點時段和重要部位約有30萬人的護林員隊伍巡查巡護。

2.2 瞭望塔監測

與地面巡邏相比，護林人員只需站在瞭望塔就可以觀測到一定范圍的森林區域，節省人力投入的同時，擴大了監測面積。國家林業局的數據顯示，截至2016年8月，我國已累計建成了9312座人工瞭望塔，提升了森林火災的監測效率。

2.3 航空巡視

相比人工和瞭望塔2種巡視方式，配置相關監測設備的飛機和無人機可以監測更大面積的森林區域，也可以在發生森林火災時，從高空實現對火情走勢的靈活監視。我國現有1.68億 hm2的森林可以實現飛機巡航護林，森林航空消防覆蓋率超過50%。

2.4 衛星遙感監測

我國已在北京、哈爾濱等4地建成了衛星林火監測中心。衛星遙感技術能夠不受地形等因素的影響，全天候、全時段對森林實施監測，通過衛星上搭載的光學攝影機和光譜分析設備，識別異常，并傳送到地面接收站，達到森林火災預警監測的目的。

3 存在的問題

近年來，隨著科技的不斷進步和發展，我國開始將無人機、雷達監測、無線傳感器等新技術應用于森林火災預警體系中，已經形成了地面巡護、高山瞭望、飛機巡航和衛星遙感有機結合的立體森林火災預警體系，火情瞭望覆蓋率達到68.1%，初步實現火情“早發現”。但與加拿大等森林資源總量同樣豐富的國家相比，我國的森林火災預警體系仍不夠完善，存在一些問題。

3.1 森林火災預警系統發展未成體系

我國南北氣候、植被差異性較大，林火預警系統往往由各地區的林業局等機構各自搭建，缺乏統一的森林火險預警平臺建設。已有的火險預報模型不能針對各地特殊的地形地貌和氣象環境特征，適用性較差。且我國現在使用的衛星遙感監測技術，主要通過圖形圖像比對等方法，發現火災并及時發出警報，但我國的衛星遙感空間精度不足，預報結果誤差較大，識別能力有待提高。

3.2 林火監測信息化水平低

我國森林面積廣大，當前全國林區的防火通訊覆蓋率僅有70%，許多區域尚未覆蓋通訊信號，護林人員的機動通訊得不到應有的保障。此外，一些森林防火指揮中心設備老舊，基礎網絡建設滯后，指揮中心、檢查站、瞭望塔和護林人員難以實現信息的互聯互通，大大降低了林火預警的工作效率。

3.3 森林航空消防供需矛盾突出

航空消防是森林防火預警體系中的新生力量，航空巡視能夠覆蓋復雜地理條件下的森林區域，有助于早發現、早撲滅森林火災。近年來，我國森林航空消防能力顯著提升。目前已建成了北方、南方兩大航空護林總站，年租用飛機80架。但同樣森林覆蓋面積廣大的加拿大，有超過1000架滅火飛機為該國3.1 hm2的森林保駕護航。可見，我國的森林航空消防飛機總量不足，缺口巨大，尤其缺少能夠適應高海拔地區作業的大中型滅火飛機，阻礙了森林航空消防發揮其在森林火災預警體系內應有的優勢。

4 構建基于物聯網和人工智能技術的森林火災預警體系

4.1 完善現有森林火災預警體系

森林火災預警是森林火災“早發現”的關鍵環節，我國主要通過護林員地面和瞭望塔巡視、航空巡視和衛星遙感監測4種主要方法預防森林火災。但由于人工巡視范圍有限、瞭望塔布局存在盲區、衛星遙感精度不佳等問題，導致我國的森林火災預警體系綜合應用能力不足，制約了預警體系的實際運用。因而必須完善現有的森林火災預警體系，充分發揮護林員、瞭望塔、航空飛機和衛星監測各自的優勢，協同配合，提升我國的森林火險預警能力。

(1)需要在國內已有森林火險預警系統的基礎上，充分了解森林火災預警的需求，由政府牽頭，與具有實力軟件公司合作，開發基于多源信息融合的森林火險預警模型及與之配套系統軟件，建設全國性的森林火災預警平臺。各省市可以在同一平臺的基礎上，根據地區特點進行針對性的改建，實現平臺落地，并直接負責轄區內監測站點的運行維護和管理工作。

(2)對現有的瞭望塔進行升級改造，配備必要的生活設施、瞭望監測及語音通信設備，適當新建瞭望塔，在林火預警一線形成護林員人工地面巡視和瞭望塔高處瞭望相輔相成的預警體系。護林員發現火情時可以第一時間聯系附近的瞭望塔傳遞信息并獲取支援，瞭望塔在發現異常時也能及時與護林人員聯系實地排除隱患。我國目前采用的衛星火情監測主要采用人工判讀的方式，由值班人員對衛星傳回的影像數據進行分析判讀和火情發布，當衛星監測到的熱點達3個像素時，林火往往已經蔓延開來。隨著我國目前使用的在軌衛星數量的不斷增加，這種人工判讀方式能夠處理數據量已經不適合應對龐大的衛星遙感數據。因此，我國衛星林火監測系統的當務之急就是利用人工智能、大數據等新興技術，搭建森林防火衛星數據收集分析處理的云平臺，提高數據的應用效率和森林防火的信息化、智能化水平。

4.2 建設森林防火通信和信息指揮系統

我國現有森林防火通訊網絡尚未覆蓋全部森林區域，森林防火信息化程度不高、人員和各單位間的信息共享能力較差，未來應依托5G通信、北斗衛星體系，建設森林防火通信和信息指揮系統，全面提高森林防火預警體系的綜合保障能力。

北斗衛星導航定位系統的成功建成，讓中國成為繼美國和俄羅斯之后世界上第3個擁有成熟衛星導航系統的國家，中國從此有了自主研發、具有獨立知識產權的衛星定位與通信系統。北斗衛星導航系統覆蓋了中國及亞太大部分地區，具有定位準確、抗干擾性強和無通信盲區等特點，并且開放了民用通信功能和短報文功能。我國未來應依托北斗衛星構建林火衛星通信網絡，推動衛星通信和已有的森林防火有線網、無線網的深度融合，確保發現森林火情的第一時間，各消防單位就能及時啟動滅火方案，爭取將林火撲滅在萌芽階段。除日常通信系統，還應建設機動通信系統。此外，在發生森林火災或對森林的重要敏感區進行巡查時，還可以使用綜合通信車作為機動通訊手段，保障一線和指揮部的信息暢通。依托森林防火通信系統的構建，我國可以建設覆蓋全國范圍的林火預警綜合智慧調度平臺，實現林火預警信息在國家、省、市、縣各級的自由流通，提升信息共享和資源整合能力，也有利于火情發生時最大限度調動各方資源，及時排除隱患、撲滅林火。

4.3 加強森林火災預警先進技術的研究與應用

物聯網技術的出現被看作是科學技術和人類生活發展的一次重大變革，可以用來解決人們生產生活中實際問題，我國也應將物聯網的先進技術運用到森林火災預警體系中。目前，物聯網架構一般分為三層：感知層、網絡層和應用層。感知層主要是通過各類傳感器感受和采集周邊環境信息，如溫度、濕度等，并將信息轉化為電信號傳遞出去。網絡層是通過通信網和互聯網，將感知層獲取的數據傳遞到不同的終端設備，供人們使用或分析。應用層顧名思義，就是對獲取的數據進行利用，尤其是在有了人工智能之后，計算機算法能夠幫助人類快速有效地處理更加龐大的數據，讓數據分析造福更多人。我國目前較多使用拋物線法、橢圓方程法等林火蔓延模型，但是這些模型往往不能將可燃物、坡度等空間地理信息因素納入分析中，導致在實際使用時不能很好地預判火勢走向，甚至導致林火蔓延和較大的人員犧牲。人工智能可以處理更多的數據，選取最適合森林火災發生地的模型進行推演，協助指揮中心統籌全局，防止森林火災蔓延。

當搭建的物聯網林火預警系統運行時，首先會通過分布在森林地面的無線傳感器節點對周圍的環境數據進行采集，包括溫度、濕度、光照度、煙霧濃度等數據。收集到的數據會通過預設的無線網絡傳輸至調節器節點，匯總至當地林火預警指揮部門，并結合瞭望塔和衛星遙感拍攝的森林實景照片，及時發現森林中的溫度過高區域或小型火點，進行滅火作業。除了通過無線傳感器獲取森林數據，也應深化和各地氣象部門的合作，實現氣象部門實現數據的互通和共享，避免重復建設森林內部傳感器，浪費國家資源。同時，氣象部門對氣象數據進行采集與分析的工作已有數十年的歷史，可以通過氣象部門的數據庫擴展森林防火的氣候信息數據庫，幫助算法模型更準確地對森林火險進行預警。

4.4 構建空地一體的森林火災預警體系

(1)應增加森林航空消防的飛機數量，填補我國航空消防飛機總量和需求間的巨大缺口。為了保證消防飛機的使用效率最大化，可以采用中央財政補助飛行費的方式，鼓勵航空公司購置森林航空消防的專用飛機。政府在需要，通過向航空公司購買服務的方式使用森林航空消防飛機，確保有限數量的航空消防飛機能夠在不同省市范圍的快速調動，降低消防飛機的閑置率。政府也需在航空企業購置消防飛機時，通過政策進行引導，針對使用場景的不同，采購不同類型的消防飛機，滿足各地林場的多樣化需求。

(2)除了需要在數量上進行增加，我國還需提高森林航空消防預警的科技含量。無人機小巧輕便，其在低空飛行不受地形條件的限制，可以用于林場巡視，及時發現森林中的異常情況。無人機還可以進行精準的小范圍滅火，搭載滅火彈的多旋翼無人機可以迅速趕到著火點，在消防員就位前先行控制火勢，有效避免森林火災擴大帶來更大的損失。森林消防飛機則可以搭載空中水炮、新型吊籃、水囊等空中滅火先進設備，用環保高效水系滅火劑取代傳統的以水滅火，及時控制森林火災的火勢并進行撲滅。

(3)在完善升級現有森林航站的基礎上，合理布建新航站和無人機起落站，提高我國的森林航空消防覆蓋率。可以利用人工智能技術進行林火模擬，確定合適的無人機智能起落站位置。當無人機電量過低或氣候條件惡劣時，會自動停落在合適的智能起落站進行充電和修整，待情況允許時再進行巡邏或滅火作業。實現安全有序高效的無人機管理，構建空地一體化的森林航空消防模式，可以充分發揮航空預警的優勢。