卫星遥感在智慧森林防火监测预警系统的应用.pdf

第 卷第期年月计算技术与自动化C o m p u t i n gT e c h n o l o g ya n dA u t o m a t i o nV o l ,N o J u n 收稿日期:作者简介:徐海文(),男,湖南汨罗人,硕士,高级工程师,研究方向:政府部门信息化,大数据,森林防火等.通信联系人,E m a i l:q q c o m文章编号:()D O I:/j c n k i j s j s y z d h 卫星遥感在智慧森林防火监测预警系统的应用徐海文(湖南省林业局,湖南 长沙 )摘要:近年来,气候异常多变,森林火灾频发,森林资源受损严重.森林火灾监测预警的准确和及时是减少森林火灾发生的关键,为切实解决森林防火中“监测预警不及时、不准确”的突出问题,结合森林防火监测预警的现状、面临的形势和存在的问题,研究利用卫星遥感等信息化技术建设智慧森林防火监测预警系统的设计与实现过程.系统的建成,尤其是卫星遥感在系统中的应用,对森林防火监测预警有较大帮助和辅助作用,有利于提升各级林业部门对火情的监测预警统一指挥和协调能力.关键词:智慧森林防火;监测预警;森林火灾;卫星热点;遥感中图分类号:T P 文献标识码:AA p p l i c a t i o no fS a t e l l i t eR e m o t eS e n s i n g i nI n t e l l i g e n tF o r e s tF i r eP r e v e n t i o nM o n i t o r i n ga n dW a r n i n gS y s t e mXU H a i w e n(T h eF o r e s t r yD e p a r t m e n to fH u n a nP r o v i n c e,C h a n g s h a,H u n a n ,C h i n a)A b s t r a c t:I nr e c e n ty e a r s,t h ec l i m a t eh a sb e e nu n u s u a l l yc h a n g e a b l e,f o r e s t f i r e sh a v eo c c u r r e df r e q u e n t l y,a n df o r e s tr e s o u r c e sh a v eb e e ns e r i o u s l yd a m a g e d T h e a c c u r a c ya n d t i m e l i n e s so f f o r e s t f i r em o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g i s t h ek e y t or e d u c et h eo c c u r r e n c e o f f o r e s t f i r e I no r d e r t oe f f e c t i v e l y s o l v e t h e o u t s t a n d i n gp r o b l e mo f“u n t i m e l ya n d i n a c c u r a t em o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g”i n f o r e s t f i r ep r e v e n t i o n,t h i sp a p e r s t u d i e s t h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s so f b u i l d i n g i n t e l l i g e n t f o r e s t f i r ep r e v e n t i o nm o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n gs y s t e mu s i n gs a t e l l i t e r e m o t e s e n s i n ga n do t h e r i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g i e s i nc o m b i n a t i o nw i t h t h e c u r r e n t s i t u a t i o n,s i t u a t i o na n de x i s t i n gp r o b l e m so f f o r e s t f i r ep r e v e n t i o nm o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g T h ec o m p l e t i o no f t h es y s t e m,e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no f s a t e l l i t er e m o t es e n s i n g i nt h es y s t e m,i so fg r e a th e l pa n da s s i s t a n c e t o f o r e s t f i r ep r e v e n t i o nm o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g,a n d i s c o n d u c i v e t o i m p r o v i n g t h eu n i f i e dc o mm a n da n dc o o r d i n a t i o na b i l i t yo f f o r e s td e p a r t m e n t sa t a l l l e v e l s f o r f i r em o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g K e yw o r d s:i n t e l l i g e n t f o r e s t f i r ep r e v e n t i o n;m o n i t o r i n ga n de a r l yw a r n i n g;f o r e s t f i r e;s a t e l l i t eh o t s p o t;r e m o t es e n s i n g近年来,在国外,森林火灾监测预警技术如红外线测火、雷达测火、微波测火和卫星监测等发展相当迅速,这些技术的应用大大提高了森林火灾监测预警的及时性和准确性.如德国全部用自动监测系统取代林火监测瞭望台,加拿大林区空中红外探火与地面红外探火已连成监测网络,组建统一的预报系统.围绕进一步强化提升森林火灾防治监测预警综合能力这一核心需求,我国对森林火灾的监测预警进行了全方位的研究,高新技术逐步应用到工作中,森林火灾监测预警由单一的地面林火监测向地面、航空与航天遥感立体监测预警转变.但总体来讲,第 卷第期徐海文:卫星遥感在智慧森林防火监测预警系统的应用我国的森林火灾监测预警技术仍比世界发达国家落后.经费投入不足,技术研究不深入,各系统孤立难融合,智能化、智慧化程度低等原因严重影响监测预警效果.本系统充分利用卫星遥感等信息化技术,打造智慧森林火灾防治监测预警体系,提升“早发现、早预报、早预防”的火险监测预警能力.系统设计 关键技术 烟火检测技术综合运用颜色、形状、运动、纹理、目标检测、帧间特征等多种特征分析方法,过滤掉林区雨、雾、物体反光、动物等原始干扰因素.结合深度学习算法,对林火烟雾、火光特征进行分析识别,进而对早期森林火情进行报警,将火情控制在萌芽阶段.卫星遥感技术卫星影像色彩丰富,定量客观,效果逼真,能够及时发现火情.本系统获取多种卫星影像数据,通过智能解译,判断前后影像变化,甄别火点,进行精准预测.卫星遥感技术能够极大丰富森林防火监测预警网络,在森林防火监测预警中起到关键核心作用.系统架构设计智慧森林防火监测预警系统主要包括用于灾前的森林火险监测预警、智能视频监控、森林火情“空天地”一体化监测三个子系统,用于灾中的森林防火调度指挥和森林火场综合展示两个子系统以及森林防火移动终端应用等.图系统架构设计森林火险监测预警子系统利用接入的气象局气象数据(天次)和火险监测站的监测数据,结合森林火险模型运算,生成各类预报信息,生成火险实况数据,实现不同时间和地理空间火险信息比较,辅助用户分析高火险的规律和趋势及对火险监测站的远程管理.智能视频监控子系统实现对视频监控摄像机的多级管理,对具备烟火识别功能的前端摄像机的报警信息的接入及处理,对前端摄像机的视域的控制,包括一定范围内的视频监控摄像机多点联动.森林火情“空天地”一体化监测子系统用于接入卫星遥感监测、航空监测和地面监测等监测数据和热点信息的推送、跟踪和管理.最重要的是卫星遥感数据的识别、加工、学习和利用,通过卫星遥感对森林火灾进行监测和预警,提升监测预警的精度和速度.卫星遥感应用卫星遥感监测林火作为一种新的监测方法,已成为世界各国监视林火的最重要的手段之一.这种方法速度快,监测面大,可随时掌握林火发生、发展动态,准确确定火场边界,精确测得森林火灾面积等,是关键技术中的核心技术.这些卫星数据全面覆盖各主要林区,平均覆盖周期缩小到h,监测发现 m(公顷)的初发火情,定位精度优于k m,识别准确率 .基本过程系统利用卫星接收软件实时接收各类卫星遥感影 像,包 括H i m a w a r i 、F Y A、风 云 系 列、T E R R A、AQUA、N P P、NOAA等卫星数据资料.卫星接收软件对数据进行初步处理,进行格式解计算技术与自动化 年月析,生成可见光、红外、水汽以及多通道合成原始图像,结合云产品、监测区域行政区划、监测区域下垫面类型等辅助数据,利用烟火检测、火点识别等技术和地面固定热源点去除、云污染去除、太阳耀斑区域去除、各通道背景温度计算等方法,监测森林火情引起的地面热异常火点,识别地面火点,提取有效观测区域内的火点,区分着火点与烟雾,生成指定监测区域火点判别结果,实现对森林火情的监测预警.算法设计卫星遥感监测到的数据以像元为基本单位.卫星观测到的像元辐射率是该像元范围内所有各部分地物辐射率的加权平均值,即:It(niSiIT i)/S式中,It为卫星观测到的该像元辐射率;t为辐射率Nt对应的亮温;Si为像元中第i个小子区面积;IT i为该子区的辐射率;Ti为该子区温度;S为像元总面积.当地面出现火点时,含有火点的像元(以下称混合像元)辐射率可由下式表述:Ii m i xPIi h i(P)Ii h iPV C I VieCVi/Th i(P)CVieCVi/Tb g式中,C mW/(m s r);C K;Ii m i x为混合像元辐射率;P为亚像元火点(即明火区)面积占像元面积百分比;Ii h i为火点辐射率;Ii b g为火点周围背景辐射率;Th i为火点温度;Tb g为背景温度;i表示红外通道序号.根据维恩位移定律:Tm a x (km)温度T和辐射峰值波长m a x成反比,即温度越高,辐射峰值越小.常温(约 K)地表辐射峰值波长在 m范围,草本植物和林木燃烧温度一般在 K以上,火焰温度更是高达 K以上,其热辐射峰值波长靠近 m波长范围.因此,当地面出现火点时,中红外波段的计数值、辐射率和亮温将急剧变化,和周围的像元形成明显反差,并远远超过远红外通道增量,利用这一特点可准确探测地面火点.使用卫星的红外通道可实现火点监测,使用多个通道的组合应用调校出不同环境下的应用处理与阈值设置,能够实现与火点监测相关的各种相关应用,进而提升火点判识能力.图卫星遥感火点判识流程图第 卷第期徐海文:卫星遥感在智慧森林防火监测预警系统的应用图不同地区阈值分析林区监测目标地域面积辽阔,地形复杂,气候多样,下垫面类型、植被指数以及可燃物载量也不同,火点判识依赖于火点亮温和背景温度,而同一地理位置不同季节或者同一时期不同地理位置的背景温度不同,不同的下垫面类型、植被指数以及可燃物载量的多少也对应着不同的燃点以及火点强度.因此需要采用动态的火点识别阈值及自动调整技术来提高各个细分区域的林火识别精度,这样能降低误报和漏报率.利用高性能数据处理技术,自动处理识别疑似林火,过滤干扰点,结合历史热点数据进行定位精度修正、热点编号编制、热点连续性判别等工作,最后形成卫星林火监测成果数据.数据融合为进一步提升卫星遥感监测预警信息的精度,系统还接入智能监控视频系统和航空器巡护数据进行辅助确认.智能监控视频系统用于前端智能摄像机烟火识别后自动报警信息的呈现和对前端摄像机、云台的远程控制.系统自动接收航空器在巡护过程中发现的火点数据,包括航空无人机及航空消防护林飞机数据,并与遥感卫星数据进行对比分析,强化 卫 星 遥 感 对 林 火 监 测 预 警 的 准 确 性 学习.通过“空天地”三位一体化监控手段,自动接入地面巡护、卫星监测、航空护林、视频监控发现的热点,结合即报系统,将热点信息逐级推送到各级防火部门及护林员,第一时间将热点推送给热点所在区域值班人员,实现在系统内热点的核查、反馈、审核、跟进,同步国家反馈结果,实现热点核查工作的全流程化管理.结论森林是重要的生态资源,做好森林防火监测预警工作是加强生态保护的重要举措.森林防火监测预警系统的智慧化程度与高新技术的应用密切相关,本系统融入了以卫星遥感为主的多种高科技技术,这些技术的应用大大提高了森林火灾监测预警的及时性和准确性.目前我国的森林防火科研技术力量不强,导致防火技术水平相对落后,我们要立足当下,抓好当前系统推广应用,努力探索科学预防、科学扑救森林火灾的新技术、新措施、新途径,逐步实现从传统防火到现代防火的转变,增强森林防火技术的智慧化,推动森林防火监测预警的立体化、智能化、实时化,不断提升治理能力和治理体系的现代化水平.参考文献王浩,王芹基于物联网的森林防护、预警及监控系统 J中国市场,():Z HAN GFQ,Z HA OPC,XUSW,e ta l I n t e g r a t i n gm u l t i p l ef a c t o r st oo p t i m i z ew a t c h t o w e rd e p l o y m e n tf o rw i l d f i r ed e c t e x t i o nJ S c i e n c eo ft h eT o t a lE n v i r o n m e n t,():覃先林,陈小中,钟祥清,等我国森林火灾监测预警技术体系发展思考J林业资源管理,():森林防火解决方案 海康 道客巴巴 互联网文档资源 R/O L h t t p s:/w w w d o c c o,李世东智慧林业培训丛书 智慧林业概论M北京:中国林业出版社,李世东中国林业信息化顶层设计M北京:中国林业出版社,N E E TU V,D I N E S HS A n a l y s i so fc o s t e f f e c t i v es e n s o r s:d a t a f u s i o na p p r o a c hu s e d f o r f o r e s t f i r e a p p l i c a t i o nJ M a t e r i a l sT o d a y:P r o c e e d i n g s,():李巨虎;范睿先;陈志泊基于颜色和纹理特征的森林火灾图像识别J华南理工大学学报(自然科学版),():叶万举森林防火监控系统的发展前景J黑龙江科技信息 ():迟诚推进建立“天空地”一体化林草防 灾减灾监测体系N中国绿色时报,叶石界加强基础设施和装备建设 全面提高森林火灾防控能力N南方日报,付奇,杨阳共享基站,为“新基建”降本提速N新华日报,N I C HO L A SM C,A D R I E N G,AN D R EW D,e ta l W i l d f i r ea n dw e a t h e rr a d a r:ar e v i e wJ J o u r n a lo fG e o p h y s i c a lR e s e a r c h:A t m o s p h e r e s,():S UDHAKA RS,V I J AYAKUMA R IV,KUMA RCS,e ta l U n m a n n e da e r i a lv e h i c l e(UAV)b a s e df o r e s tf i r ed e t e c t i o na n dm o n i t o r i n gf o rr e d u c i n gf a l s ea l a r m si nf o r e s t f i r e sJC o m p u t e rC o mm u n i c a t i o n s,:森林火灾高风险区综合治理工程建设项目建议书R/O Lh t t p:/w ww z g g w w c o m