森(sēn)林防火(huǒ)監測指揮管理平台
解決方案
國科創（北(běi)京）信息技術有限公司
一(yī)、 建設背景
（1）森(sēn)林資(zī)源的重要性
随着經濟的發展，社會的進步，人們生(shēng)活水平的不斷提高，人們對環境的要求也越來越高。城市的空氣質量、生(shēng)态環境的好壞，直接影響着城市居民的健康狀況、生(shēng)活質量；也直接影響城市經濟的可持續發展。城市周邊的有限森(sēn)林，正起着調節城市溫度、淨化城市空氣、保護城市環境的重要作用。各級領導非常關心重視森(sēn)林資(zī)源的保護和建設。政府每年花費(fèi)大(dà)量的人力、物(wù)力、财力用于植樹(shù)造林，森(sēn)林病蟲害治理及火(huǒ)災等防範，爲擴大(dà)林區面積，發揮森(sēn)林資(zī)源在“綠水青山就是金山銀山”重要理論實現中(zhōng)起到了重要促進作用。
（2）森(sēn)林火(huǒ)災對林業發展的影響
在森(sēn)林資(zī)源不斷發展、建設的同時，也遭到不同程度的破壞。這種破壞來自兩方面的：一(yī)方面是人爲的破壞；另一(yī)方面是“天災”，例如蟲災、火(huǒ)災等。人爲地破壞是小(xiǎo)範圍的局部的亂砍、亂伐。它所造成的損失是有限的、可控的。對于蟲災造成的損失是巨大(dà)的，但其發展蔓延有一(yī)個過程，可以有效的控制。對于森(sēn)林火(huǒ)災其損失是巨大(dà)的、毀滅性的，要想使火(huǒ)災的損失降低到最小(xiǎo)程度，必須将火(huǒ)災扼殺在萌芽狀态，即堅持“打早、打小(xiǎo)、打了”的原則，做到早發現火(huǒ)情早撲滅。那麽如何才能對森(sēn)林區域進行有效、及時的監控呢？這是人力所不能爲的，必須建立森(sēn)林實時監控預警和森(sēn)林防火(huǒ)指揮管理系統。
（3）森(sēn)林防火(huǒ)技術發展的趨勢
森(sēn)林火(huǒ)災具有突發性和随機性，短時間内能造成巨大(dà)損失，因此一(yī)旦有火(huǒ)警發生(shēng)，就必須以極快的速度進行撲救，撲救是否及時，決策是否得當，取決于對林火(huǒ)行爲的發現是否及時，分(fēn)析是否準确合理，決策措施是否得當，爲此國内外(wài)都在預防、減少和控制森(sēn)林火(huǒ)災方面進行積極探索和研究。
目前在火(huǒ)災預警監測方面主要采用兩種主要技術：一(yī)方面是利用衛星、遙感影像技術對森(sēn)林進行防火(huǒ)監測。衛星将影像不斷傳到地面衛星接收站，由地面接收站對衛星圖像進行處理，監測火(huǒ)災的發生(shēng)、發展過程。該方法主要用于大(dà)面積、大(dà)區域森(sēn)林火(huǒ)災監測。另一(yī)方面是利用視頻(pín)監控技術對林區進行實時監控，然後将圖像傳到指揮中(zhōng)心，通過森(sēn)林防火(huǒ)指揮管理系統對火(huǒ)災現場進行準确定位，并通過各種業務功能對火(huǒ)災進行分(fēn)析，爲制定科學的撲火(huǒ)決策提供依據。
二、 建設意義
通過森(sēn)林防火(huǒ)監測指揮管理平台的建設，能夠全面提高森(sēn)林火(huǒ)災預防、火(huǒ)情控制、災後評估等方面的能力，提升森(sēn)林防火(huǒ)技術水平。（1）引入高分(fēn)辨率遙感衛星數據，提高森(sēn)林防火(huǒ)衛星資(zī)源應用效能。（2）完善航空、地面監測手段。新增無人機系統、地面監控系統，有效解決精細化監測、火(huǒ)場凝視監控、災後量化評估等問題。（3）打通前後方即時傳輸通道。融合應用衛星通信、光纖、微波等多種通信手段，建立語音、視頻(pín)信息傳輸通道，解決應急狀态下(xià)前後方協同，通信聯絡建設及圖像信息傳輸等問題。（4）提升态勢指揮智能化、科學化水平。對天空地信息和基礎設施采集數據進行智能化分(fēn)析，采用“雲+網+端”模式，快速推送至各類森(sēn)林防火(huǒ)應急終端。
三、 建設目标
面向森(sēn)林防火(huǒ)現狀與需求，融合應用衛星遙感、衛星通信、航空巡護、地面遙感等監測手段，以及衛星通信、光纖、微波通信等通信手段，構建天地一(yī)體(tǐ)化的森(sēn)林防火(huǒ)監測系統。目标是：全面提升火(huǒ)情預警、火(huǒ)情實時态勢監控、火(huǒ)情态勢分(fēn)析、災後評估等方面的能力，形成從森(sēn)林防火(huǒ)遙感監測數據獲取到信息化應用和輔助指揮決策的業務化運行體(tǐ)系。
四、 建設思路
（1）構建天空地一(yī)體(tǐ)化全方位監測管體(tǐ)系
構建由天上遙感衛星、通訊衛星、空中(zhōng)大(dà)型飛機、防火(huǒ)無人機、地面高空瞭望塔系統，全方位立體(tǐ)化的林火(huǒ)監測體(tǐ)系，由先進的衛星監測、航空飛機監測與地面高空瞭望塔的視頻(pín)監視方式與煙火(huǒ)智能檢測、目标識别和動态跟蹤監測方式相結合，實現無人值守和高效管理。
（2）實現“眼睛”與“大(dà)腦”相結合
通過空中(zhōng)衛星遙感影像、航空無人機，将林區各個監視點的影像和視頻(pín)圖像傳回控制中(zhōng)心，再通過煙火(huǒ)自動檢測、識别和報警軟件自動識别出可能的着火(huǒ)點并發出報警信息，實現“眼睛”的功能。如何實時地分(fēn)析和判斷點位置、火(huǒ)勢蔓延趨勢？如何動态地分(fēn)析火(huǒ)情造成的損失？如何有效地協調組織森(sēn)林防火(huǒ)人員(yuán)、設施以及實施滅火(huǒ)指揮方案？亦即，上述的“眼睛”功能如果不與“大(dà)腦”功能相結合，一(yī)則很難有效地利用“眼睛”的實時監測功能，二則難以充分(fēn)利用森(sēn)林防火(huǒ)監控指揮管理涉及到的各類資(zī)源，進一(yī)步提升森(sēn)林防火(huǒ)指揮管理的總體(tǐ)水平，達到及時、高效、智能的滅火(huǒ)監控指揮管理效果。
（3）實現“平時”和“戰時”管理相結合
森(sēn)林防火(huǒ)監控預警管理區别于森(sēn)林防火(huǒ)應急指揮管理，體(tǐ)現在平時或日常的預控性管理，實現早發現、早解決和有效控制是加強森(sēn)林防火(huǒ)監控管理的重要環節。如果能夠将“平時”的森(sēn)林防火(huǒ)監控預警管理與“戰時”的森(sēn)林防火(huǒ)應急指揮管理有效地結合起來，将有效地提高森(sēn)林防火(huǒ)總體(tǐ)監控管理水平。
（4）實現“平面”和“立體(tǐ)”管理相結合
森(sēn)林防火(huǒ)監控指揮管理是針對林區火(huǒ)情、林區地勢、林木、人員(yuán)及設施分(fēn)布的動态場景進行的分(fēn)析、判斷和組織調動等一(yī)系列活動，在森(sēn)林防火(huǒ)監控指揮管理中(zhōng)，實現“平面”的二維場景與形象、生(shēng)動和逼真的“立體(tǐ)”三維場景相結合，将有助于森(sēn)林防火(huǒ)監控指揮管理的動态分(fēn)析和判斷，有利于明顯改善和提升森(sēn)林防火(huǒ)監控指揮管理的整體(tǐ)效果。
五、 建設内容
森(sēn)林防火(huǒ)監測指揮管理平台由天空地一(yī)體(tǐ)化監測系統、通信傳輸系統、會商(shāng)與态勢指揮系統以及災後損失評估系統等組成。天地空一(yī)體(tǐ)化監測系統采用衛星遙感、航空無人機、地面瞭望台智能系統等，實現天地一(yī)體(tǐ)化動态監測以及多源遙感數據處理及各類林業資(zī)源數據的存儲與管理；通信傳輸系統采用衛星通信、自組網通信、光纖通信等，實現“國家—省—市—縣”4級森(sēn)林防火(huǒ)監管部門“現場—前指—後指”3級指揮體(tǐ)系數據的實時傳輸；會商(shāng)與态勢指揮系統綜合運用多源數據融合、态勢分(fēn)析、信息共享與深度學習等技術，采用“雲+網+端”的模式，實現森(sēn)林火(huǒ)情綜合指揮調度，科學決策支持及災後損失準确評估系統。
圖1 天空地一(yī)體(tǐ)化監測體(tǐ)系示意
5.1天空地一(yī)體(tǐ)化監測體(tǐ)系
5.1.1衛星遙感監測
将高分(fēn)辨率遙感數據與氣象衛星大(dà)尺度數據相結合，實現宏觀+微觀多尺度監測，針對重點區域的高頻(pín)次和全覆蓋觀測。同時，針對不同地區建立專題算法模型，提升林火(huǒ)監測精度，降低虛警概率。通過衛星遙感監測積累曆史數據，不斷提升數值預報能力、常規氣象要素監測能力(如土壤濕度、幹旱指數等)，實現災前火(huǒ)險指數預測，災害發生(shēng)後的态勢分(fēn)析和災後的損失情況評估。
圖2 衛星遙感監測示意
5.1.1.1火(huǒ)險預警
通過基于歸一(yī)化處理後的遙感氣象衛星數據，自動生(shēng)成與火(huǒ)險相關的定量反演産品，包括：植被指數、幹旱指數、降水、土壤濕度、地表溫度、氣溶膠光學厚度、歸一(yī)化燃燒指數等，結合數值天氣預報和熱排放(fàng)源數據庫數據，可建立區域森(sēn)林火(huǒ)災風險率分(fēn)析模型，能夠計算未來3～5d森(sēn)林火(huǒ)災風險。
5.1.1.2實時監測報警
能夠結合國内外(wài)靜止、極軌氣象衛星數據，實時進行森(sēn)林火(huǒ)點監測，實時生(shēng)成火(huǒ)點位置、過火(huǒ)面積圖像産品，以及多時相火(huǒ)點位置和過火(huǒ)面積變化監測産品和報告；能夠識别火(huǒ)點、識别林火(huǒ)産生(shēng)的煙霧；确定火(huǒ)點後，能夠自動對火(huǒ)點發生(shēng)前半小(xiǎo)時和後1小(xiǎo)時以内的圖像做變化檢測；結合森(sēn)林火(huǒ)險等級報告，可自動推送火(huǒ)災态勢信息報告。
5.1.2航空遙感監測
基于有人機、大(dà)型無人直升機，以及大(dà)型固定翼、小(xiǎo)型固定翼、多旋翼無人機系統實現林區森(sēn)林防火(huǒ)監測。充分(fēn)利用成熟的無人機系統、森(sēn)林防火(huǒ)專用載荷，爲林區森(sēn)林防火(huǒ)監測、救災綜合指揮調度提供技術保障。
圖3 航空遙感監測示意
5.1.2.1火(huǒ)場實時搜索與定位
收到上報的火(huǒ)情後，有人機/無人機挂載照相機、紅外(wài)探測儀、視頻(pín)攝像頭和雲台等防火(huǒ)載荷前往确認火(huǒ)場位置信息，獲取可見光、紅外(wài)影像并實時傳輸，實時判斷疑似火(huǒ)源，對火(huǒ)點進行定位，評估并且生(shēng)成報告。
5.1.2.2火(huǒ)場态勢監測
有人機/無人機挂載防火(huǒ)載荷在火(huǒ)場上空凝視監測，實時回傳可見光、短波、中(zhōng)波紅外(wài)影像，實時生(shēng)成火(huǒ)場态勢圖。融合紅外(wài)、地理信息底圖數據，生(shēng)成高精度拼接圖，突出火(huǒ)場情況、渲染火(huǒ)場态勢，自動化提取火(huǒ)情信息并量化，生(shēng)成火(huǒ)災監測報告。
5.1.3地面遙感監測
地面遙感監測将森(sēn)林防火(huǒ)圖像和火(huǒ)災自動報警信息，通過無線微波或衛星鏈路将視頻(pín)流及火(huǒ)災自動報警信息傳輸到指揮中(zhōng)心。指揮中(zhōng)心收到信息後，可指揮相關人員(yuán)采取相應措施處理警情。
圖4 地面遙感監測示意
5.1.3.1火(huǒ)情探測識别
林火(huǒ)攝像頭監測數據實時回傳，指揮中(zhōng)心實時顯示地面紅外(wài)視頻(pín)并能夠智能識别，發現火(huǒ)險後，自動定位火(huǒ)險位置信息并實時報警。
5.1.3.2火(huǒ)情監控
一(yī)旦發生(shēng)火(huǒ)情，指揮中(zhōng)心根據火(huǒ)災位置選取災害區域附近監控攝像頭，控制攝像頭姿态，監控火(huǒ)情信息，并回傳紅外(wài)視頻(pín)，指揮中(zhōng)心可實時顯示、智能處理并且生(shēng)成火(huǒ)情态勢報告。
5.2會商(shāng)決策系統
5.2.1預案管理
根據森(sēn)林火(huǒ)災曆史數據、氣象數據、林業數據以及基礎地理數據進行綜合分(fēn)析，劃分(fēn)災害危害程度，制定災害應急響應措施，生(shēng)成災害應急預案，用于預防、處置自然災害以及災後生(shēng)産恢複，以減少森(sēn)林火(huǒ)災給林業生(shēng)産帶來的損失。
圖5 火(huǒ)情危險等級評定
5.2.2地圖操作及标繪
系統提供操作簡便、形象直觀的各類标繪操作功能。包括各種箭頭、阻隔線、建築物(wù)等。在撲火(huǒ)會商(shāng)過程中(zhōng)，标繪包括二維标繪和三維标繪。在三維地圖上實現任意的行進的箭頭、隔離(lí)帶規劃、前線指揮及衛生(shēng)站分(fēn)布等内容的标繪，可以更好地與三維地形地貌相結合，爲會商(shāng)決策提供更好的實景三維技術支持。
圖6 二維标繪
圖7 三維标繪
5.2.3林火(huǒ)蔓延分(fēn)析
以某着火(huǒ)點爲起始，會商(shāng)系統可融合風力、風向等氣象因素，植被、地形和地貌等自然因素，壕溝和栅欄等人工(gōng)阻隔物(wù)因子，基于林火(huǒ)蔓延模型模拟出設定時間及區域内的林火(huǒ)蔓延時空狀态，并自動評估蔓延結果的可信率；可查詢過火(huǒ)面積内的森(sēn)林資(zī)源數據、高壓線、油庫等重要信息，爲撲火(huǒ)決策提供重要的技術支撐。
圖8 系統推演各時間段的蔓延趨勢
5.3實戰指揮系統
5.3.1調度中(zhōng)心數據處理
該系統作爲服務器端，對多源數據展開(kāi)分(fēn)析處理，運用對空間信息數據的切割和析取，支持網絡傳輸，爲移動單元提供強大(dà)的數據分(fēn)析和處理能力支持。當三維界面的視角調至90度俯視後，即可通過鼠标任意切割所選擇區域，系統可完成該區域的空間矢量、栅格數據以及相關屬性數據的提取和分(fēn)析工(gōng)作。
圖 9顯示被選區域的詳細信息
5.3.2移動目标定位調度
配合應急搶險和指揮車(chē)輛的GPS等智能終端設備，結合國科創公司的WEBGIS系統，提供車(chē)輛或者人員(yuán)定位、指令下(xià)達、告警上傳、曆史軌迹查詢、視頻(pín)信息上傳和實時語音通話(huà)等服務，通過車(chē)載電話(huà)實現實時搶險調度，并可以與指揮中(zhōng)心保持雙向聯系，便于指揮中(zhōng)心統籌調度。
圖10 現場消防車(chē)輛實時指揮調度
5.4災害損失評估系統
系統通過對火(huǒ)災發生(shēng)前、火(huǒ)災發生(shēng)後、生(shēng)長季末期的高分(fēn)系列遙感影像輻射定标、正射校正、幾何校正等圖像預處理工(gōng)作，從災後影像中(zhōng)通過目标監測分(fēn)析方法獲取火(huǒ)場過火(huǒ)區範圍，結合從火(huǒ)災現場反饋的視頻(pín)資(zī)料、災前影像中(zhōng)獲取的植被類型專題圖，從而求得不同植被類型的過火(huǒ)區面積；采用深度學習算法，運用燃燒面積指數（BAI）求得過火(huǒ)區林地燒傷等級，獲取火(huǒ)區價值損失及災後植被恢複情況評估。
圖11 林地過火(huǒ)區損失等級評估
圖12 林地過火(huǒ)區植被恢複分(fēn)布評估