我国拥有丰富的森林资源，森林面积为2.08亿hm2，森林覆盖率为21.63％，位居世界第五，但我国森林火灾多发，年均发生森林火灾4000余起，森林受害率居世界首位。森林防火工作任务艰巨，责任重大。党中央、国务院对森林防火工作十分重视，习近平总书记、李克强总理、汪洋副总理曾多次对森林防火工作做出重要指示和批示。目前，我国森林防火监测主要采取地面巡护、瞭望塔监测、卫星遥感、航空巡护、无人机巡护等手段。地面巡护火情识别率高、定位准确，但受到复杂林区环境影响，效率低；嘹望塔监测覆盖面较大、效果较好，但受嘹望塔数量及人为因素限制，盲区大，监测准确率低；卫星遥感方式探测范围广、搜集数据快，而且收集资料不受地形条件的影响，但受重复周期及探测分辨率限制，难以对林区进行连续的高精度监测，机动灵活性差；航空巡护视野宽、机动性大、速度快，但巡护成本高、存在安全隐患、视频图像无法实时回传，同时受夜航和环境因素影响大，难以长时问连续监测；无人机巡护空间分辨率高、应急机动性强、数据实时眭强，但尚未形成规模化应用。基于我国森林防火特点及对预警监测手段分析可知，应充分发挥各类森林防火技术手段优势，构建天地一体化的森林防火监测体系，解决当前森林防火中存在的多源观测数据获取、处理能力不足，数据实时传输能力差，现场态势掌握和态势发布能力不足，指挥手段方式单一等问题。

1、需求分析

《林业科学和技术中长期发展规划(2006—2020年)》中明确提出，综合利用卫星通信技术、遥感技术、地理信息技术、无人机技术来实现中国林业建设的信息化、数字化和智慧化，打造天地一体化的森林资源管理体系；全国森林防火规划中也确定了要利用以上手段实现灾害预警、灾害应急监测、灾后评估等，全面提高森林火灾防治能力。基于此，本文从林火动态监测、数据通信传输、综合指挥决策等3方面分析现代化科技手段融合的全面的创新应用需求。

1)林火动态监测需求。我国林区范围大、分布广，目前支撑森林防火监测的遥感手段还相对滞后。例如：基于国内外气象卫星的林火监测及预警系统，预警周期(30～50min，热源点分辨率1.1km×1.1km)、时空精度均难以满足当前形势下森林防火应用需求；重点林区航空巡护影像分辨率仅达30cm，且定期普查成本高；虽然部分林区建立了扑火队伍GPS跟踪系统，扑火指挥过程中实时掌控扑火队伍动态和火场地理位置，但尚未实现大面积覆盖。

2)数据通信传输需求。我国90％以上面积的林区已建立超短波通信网，基本能满足林区日常工作中的通信需求。但是，在通信盲区，当发生火灾时，仅能使用卫星电话实现简单的语音通信，还不能实现现场视频及图像的实时传输，无法实现一体化指挥调度。此外，林区瞭望塔仍通过无线对讲机实现资源调查的信息传输。日常监测数据、火灾现场监控数据实时传输能力有待提高。

3)综合指挥决策需求。林火信息指挥决策系统建设缺乏前瞻性和系统性，后方指挥中心往往无法第一时间获取火隋现场实时态势，指挥决策需要到第一线。同时，对卫星、嘹望塔、无人机等遥感数据缺乏统一的处理平台，对大型林区防火资源(如设施、车辆、人员等)分布情况缺乏统一的管理平台。

2、系统目标

面向森林防火现状与需求，融合应用卫星遥感、卫星通信、航空巡护、地面遥感等监测手段，以及卫星通信、光纤、微波通信等通信手段，构建天地一体化的森林防火监测系统(图1)。目标是：全面提升火情预警、火情实时态势监控、火情态势分析、灾后评估等方面的能力，形成从森林防火遥感监测数据获取到信息化应用和辅助指挥决策的业务化运行体系。

3、系统设计

天地一体化森林防火监测系统由遥感监测分系统、通信传输分系统和态势指挥分系统等3部分组成。遥感监测分系统采用卫星遥感、航空遥感、地面遥感等，实现天地一体化动态监测以及多源遥感数据处理及各类林业资源数据的存储与管理；通信传输分系统采用卫星通信、自组网通信、光纤通信等，实现“国家一省一市一县”4级森林防火监管部门“现场一前指一后指”3级指挥体系数据的实时传输；态势指挥分系统采用大数据综合处理、深度智能学习、态势分析与发布等，采用“云+网+端”的模式，实现森林火情综合指挥调度、科学决策支持。

图1    天地一体化的森林防火监测系统示意图

3.1 遥感监测分系统

遥感监测分系统是系统数据的主要来源。遥感监测分系统主要包括卫星遥感监测、航空遥感监测和地面遥感监测3个子系统：

1)卫星遥感监测子系统：利用气象卫星发布森林火险预警，实时进行火点监测，利用高分辨率遥感卫星进行火点识别和分析，辅助指挥决策和灾后评估。同时，可作为GIS系统底图，为航空遥感监测的任务规划和管理调度提供支撑。

2)航空遥感监测子系统：具有应用灵活、遥感数据分辨率高的特点，能够及时对林区进行森林火情灾害预警、凝视详查。航空平台能够出动到人员难以到达的偏远地区，执行数据获取任务。

3)地面遥感监测子系统：利用地面火情探测系统将森林防火图像和火灾自动报警信息，传输到监控中心及指挥中心；利用“手持/车载终端”提供扑火力量车辆、人员位置分布信息，辅助指挥调度。

3.1.1 卫星遥感监测子系统

针对国家卫星林火监测中心的森林防火监测系统数据覆盖频次和范围难以满足重点区域需求，数据源(当前为FY一3A/B/C，EOS—MODIS数据)少，以及现有系统火点监测精度较低、虚警率较高等问题造成的卫星遥感时空分辨率不足的问题，建设卫星遥感监测子系统(图2)。采取区域、省级网络传输或建站等多种方式引人高分遥感数据，与气象卫星大尺度数据相结合，实现宏观+微观多尺度监测，实现针对重点区域的高频次、全覆盖观测。同时，针对不同地区建立专题算法模型，提升林火监测精度，降低虚警率。通过卫星遥感监测子系统积累历史数据，不断提升数值预报能力、人工影响天气能力、常规气象要素监测能力(如土壤湿度、干旱指数等)，实现：灾前，火险指数预测；灾中，火势蔓延预测；灾后，灾区重建规划。

图2    卫星遥感监测子系统示意图

1）火险预警。通过基于归一化处理后的遥感气象卫星数据，自动生成与火险相关的定量反演产品，包括：植被指数、干旱指数、降水、土壤湿度、地表温度、气溶胶光学厚度、归一化燃烧指数等；结合数值天气预报和热排放源数据库数据，可建立区域森林火灾风险率分析模型；能够计算未来3～5d森林火灾风险。

2)实时监测报警。能够结合国内外静止、极轨气象卫星数据，实时进行森林火点监测，实时生成火点位置、过火面积图像产品，以及多时相火点位置和过火面积变化监测产品和报告；能够识别火点、识别林火产生的烟雾；确定火点后，能够自动对火点发生前半小时和后1小时以内的图像做变化检测；结合森林火险等级报告，可自动推送最高等级风险火点信息报告。

3)火灾灾情识别及报告。根据火点报警信息，调用国内外高分辨率遥感卫星，对火场区域进行拍摄，结合气象卫星、地面观测数据、预报现场数据等，处理生成高分辨率火场影像及火情分析产品，即火场位置、面积、火线长度、火点温度、扩散趋势、烟、气溶胶等。

4)灾后评估。通过灾前、灾后时序影像获得过火面积、林业资源损失、受灾影响范围，来对火灾情况进行统计分析，生成火场评估报告，制定灾后森林修复计划。

3.1.2 航空遥感监测子系统

基于有人机、大型无人直升机，以及大型固定翼、小型固定翼、多旋翼无人机系统实现林区森林防火监测(图3)。充分利用成熟的无人机系统、森林防火专用载荷，为林区森林防火监测、救灾综合指挥调度提供技术保障。

图3    航空遥感监测子系统示意图

1)火场实时搜索与粗定位。收到上报的火情后，有人机/无人机挂载防火载荷前往确认火场位置信息，获取可见光、红外影像并实时传输，数据处理软件实时判断疑似火源，并对火点进行粗定位，生成报告。

2)火场态势监测。有人机/无人机挂载防火载荷在火场上空凝视监测，实时回传可见光、短波、中波红外影像，实时生成火场态势图。融合红外、地理信息底图数据，生成高精度拼接图，突出火场情况、渲染火场态势，自动化提取火情信息并量化，生成火灾监测报告。

3)灾后暗火识别及灾后评估。火情基本控制后，对整个火场进行隐患排查和灾后评估。飞机垂直对地飞行，载荷采用航拍模式，实时输出可见光、短波、中波红外影像，机载存储可见光照片，并对火场信息进行量化评估。

3.1.3 地面遥感监测子系统

地面遥感监测子系统(图4)将森林防火图像和火灾自动报警信息，通过无线微波或卫星链路将视频流及火灾自动报警信息传输到指挥中心。指挥中心收到信息后，可指挥相关人员采取相应措施处理警隋。

图4    地面遥感监测子系统示意图

1) 火情探测识别。林火摄像头监测数据实时回传，指挥中心实时显示地面红外视频。叠加处理，发现火险后，自动定位火险位置信息并实时报警。2)火情监控。一旦发生火情，指挥中心根据火灾位置选取灾害区域附近监控摄像头，手动控制摄像头姿态，监控火情信息，并回传红外视频，指挥中心实时显示、叠加处理。

3.2 通信传输分系统

以无人机、有人机等为空基平台，自组网、应急监测车为地面监测点，集成卫星通信、微波传输网络等多种通信方式，构建通信传输分系统(图5)，可快速获取、实时处理和输出、实时远程传输火场遥感影像和现场传回的数据，为灾情监测、救援指挥、领导决策提供科学依据，为森林防火提供相关服务。

图5    通信传输分系统示意图

1)自组网子系统。自组网的应用主要是解决在突发事件和一些地理位置受限的情况下，深入林区工作的人员在移动过程中语音、视频、图像及数据的实时传输问题。前方工作人员将采集到的视频图像通过卫星便携站或指挥车传输给后方指挥人员，使后方指挥中心实时掌握现场情况。尤其能够在重要防火时期(清明节、重阳节等)，可实现早发现、早处置。

2)卫星通信便携子系统。用于搭建航站或航空数据接收站与指挥中心的通信链路，实现航空遥感监测数据的实时回传。也可用于搭建短期、临时固定站，并作为临时应急节点，可将自组电台传回的火场数据进行凝视侦查，并将数据实时回传至现场指挥车。

3)北斗导航定位子系统。北斗导航定位子系统可实现对体系内各北斗终端的实时监控，包括北斗终端实时位置、运动方向、运动速度、运动轨迹、短报文等信息的监控。指挥人员可通过平台掌握所有终端用户的实时动态。

3.3 态势指挥分系统

通过对“天一空一地”各类数据进行“大数据”综合处理和基于火情的深度智能学习与态势分析，形成林业火情态势信息，并在“森林防火综合态势图”上进行显示，同时采用“云+网+端”的模式，将重点区域态势图推送到各类林业应急指挥终端以及各级领导的手机终端(图6)。

图6    态势指挥分系统示意图

1）灾害预警。基于遥感技术、地理信息系统以及灾害预警技术，根据气象数据、林业数据、基础地理数据进行综合分析，圈定危险区域，生成灾害指数图，评价危险程度，并生成自然灾害等级图。

2)指挥管理。根据林火预报模型、灾害影响模型以及最佳路线分析模型的综合结果，调出对应的应急预案，根据预案中应急指挥、应急行动、资源调配、应急避险、扩大应急等响应内容，指挥扑救人员利用综合调度系统、卫星通信系统、北斗卫星导航定位系统按步骤完成响应程序规定的操作，从而实现灾害的应急调度。

3)应急预案管理。根据森林火灾历史数据、气象数据、林业数据以及基础地理数据进行综合分析，划分灾害危害程度，制定灾害应急响应措施，生成灾害应急预案，用于预防、处置自然灾害以及灾后生产恢复，以减少森林火灾给林业生产带来的损失。4)专题图表生成。建立森林火灾数据库对灾害历史档案进行相关统计，自动生成报表与专题图以供指挥决策参考。

4、应用实例

以内蒙古大兴安岭林区为例，由于航空护林受机场和费用的制约，无法满足1067.75万hm2森林的航空巡护。森林巡护更多地依靠人工巡护，且指挥调度手段单一，指挥人员无法实时掌握火灾现场状况以及救灾人员工作状况，无法实现全面、高效、智能的火情监控指挥，给扑灭火灾带来很大困难。为满足森林防火监测、监控指挥以及森林资源监测管理需求，融合应用无人机、多源载荷、智能图像处理、卫星通信、北斗导航、GIS等多种手段，结合内蒙古大兴安岭林区森林防火监测现状和需求，搭建森林防火无人机遥感智能监控系统，解决当时存在的卫星遥感分辨率低、有人机反应时间长、成本高、灾害信息传输实时性不足、灾情态势全面监控能力差和辅助指挥决策手段欠缺等问题，为大兴安岭林区森林防火监测、救灾综合指挥调度、灾后评估、森林资源调查等提技术保障。

1)火情预警预报。大型无人直升机系统(系统指标如表1所示)可实时回传可见光/红外视频。其30m定位精度，5km范围内可探测1m2火源，可实时判别疑似火情上报位置，火点检出率75％。火情监测成果如图7所示。

表1    大型无人直升机系统关键指标

图7    火场实时搜索与粗定位

2)火场态势监控。考虑飞机无法直接飞过浓烟火场正上空的实时情况，防火载荷朝向火场一侧保持一定俯仰角度（<45度，可调)，实时输出可见光、短波、中波红外影，实时生成包含火场位置、面积、火线长度、火场蔓、发展方向等信息的火场态势图(定位精度8m，面积精度5％)。火场态势图、监测报告如图8、表2所示。

图8    火场态势图

表2    火场态势报告

地面救灾车辆和人员均配备摄像、卫通和北斗设备，救灾现场配备自组网设备，可实现现场组网通信。指挥中心可实时掌握队伍运动状态和现场情况(图9)，指挥救灾，实现扑救现场一现场指挥中心一后方指挥中心的实时通信、视频会商、指挥调度。

3)灾后评估分析。根据森林火灾情况，出动无人机系统开展受灾区域灾后测绘，可准实时生成林区1：500～1：2000快拼图(定位精度51m，面积精度95％)。待执行任务后，与受灾前卫星遥感数据融合分析，进行灾害趋势估算、受灾面积测算，量化评估受灾情况(受灾前后影像数据如图10所示)。

图9    救灾物资位置分布图

图10  受灾前(卫星遥感)、后(航空遥感)对比图

5、结论

通过天地一体化森林防火监测系统的建设，能够全面提高森林火灾预防、火情控制、灾后评估等方面的能力，提升森林防火技术水平。

1)解决了现有卫星数据来源少、获取渠道长、时效性差的问题。建设气象卫星数据接收站、接入高分辨率遥感卫星数据专线，提高森林防火卫星资源应用效能。

2)完善了航空、地面监测手段。新增无人机系统、地面监控系统，为现有有人机加装设备，解决精细化监测、火场凝视监控、灾后量化评估等问题。

3)打通了前后方即时传输通道。融合应用卫星通信、光纤、微波等多种通信手段，建立语音、视频信息传输通道，解决应急状态下前后方、前线队伍的通信联络、图像传输等问题。

4)提升了态势指挥智能化水平。对天空地信息和基础设施采集数据进行大数据智能化分析，采用“云+网+端”模式，快速推送至各类森林防火应急终端。

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