森林防火監測指揮管理平台
解決方案
國科創（北京）信息技術有限公司
一、 建設背景
（1）森林資源的重要性
随着經濟的發展，社會的進步，人們生活水平的不斷提高，人們對環境的要求也越來越高。城市的空氣質量、生态環境的好壞，直接影響着城市居民的健康狀況、生活質量；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林資源的保護和建設。政府每年花費大量的人力、物力、财力用于植樹造林，森林病蟲害治理及火災等防範，爲擴大林區面積，發揮森林資源在“綠水青山就是金山銀山”重要理論實現中起到了重要促進作用。
（2）森林火災對林業發展的影響
在森林資源不斷發展、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：一方面是人爲的破壞；另一方面是“天災”，例如蟲災、火災等。人爲地破壞是小範圍的局部的亂砍、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的，但其發展蔓延有一個過程，可以有效的控制。對于森林火災其損失是巨大的、毀滅性的，要想使火災的損失降低到最小程度，必須将火災扼殺在萌芽狀态，即堅持“打早、打小、打了”的原則，做到早發現火情早撲滅。那麽如何才能對森林區域進行有效、及時的監控呢？這是人力所不能爲的，必須建立森林實時監控預警和森林防火指揮管理系統。
（3）森林防火技術發展的趨勢
森林火災具有突發性和随機性，短時間内能造成巨大損失，因此一旦有火警發生，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，取決于對林火行爲的發現是否及時，分析是否準确合理，決策措施是否得當，爲此國内外都在預防、減少和控制森林火災方面進行積極探索和研究。
目前在火災預警監測方面主要采用兩種主要技術：一方面是利用衛星、遙感影像技術對森林進行防火監測。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，監測火災的發生、發展過程。該方法主要用于大面積、大區域森林火災監測。另一方面是利用視頻監控技術對林區進行實時監控，然後将圖像傳到指揮中心，通過森林防火指揮管理系統對火災現場進行準确定位，并通過各種業務功能對火災進行分析，爲制定科學的撲火決策提供依據。
二、 建設意義
通過森林防火監測指揮管理平台的建設，能夠全面提高森林火災預防、火情控制、災後評估等方面的能力，提升森林防火技術水平。（1）引入高分辨率遙感衛星數據，提高森林防火衛星資源應用效能。（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、視頻信息傳輸通道，解決應急狀态下前後方協同，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析，采用“雲+網+端”模式，快速推送至各類森林防火應急終端。
三、 建設目标
面向森林防火現狀與需求，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，構建天地一體化的森林防火監測系統。目标是：全面提升火情預警、火情實時态勢監控、火情态勢分析、災後評估等方面的能力，形成從森林防火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系。
四、 建設思路
（1）構建天空地一體化全方位監測管體系
構建由天上遙感衛星、通訊衛星、空中大型飛機、防火無人機、地面高空瞭望塔系統，全方位立體化的林火監測體系，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監視方式與煙火智能檢測、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“大腦”相結合
通過空中衛星遙感影像、航空無人機，将林區各個監視點的影像和視頻圖像傳回控制中心，再通過煙火自動檢測、識别和報警軟件自動識别出可能的着火點并發出報警信息，實現“眼睛”的功能。如何實時地分析和判斷點位置、火勢蔓延趨勢？如何動态地分析火情造成的損失？如何有效地協調組織森林防火人員、設施以及實施滅火指揮方案？亦即，上述的“眼睛”功能如果不與“大腦”功能相結合，一則很難有效地利用“眼睛”的實時監測功能，二則難以充分利用森林防火監控指揮管理涉及到的各類資源，進一步提升森林防火指揮管理的總體水平，達到及時、高效、智能的滅火監控指揮管理效果。
（3）實現“平時”和“戰時”管理相結合
森林防火監控預警管理區别于森林防火應急指揮管理，體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林防火監控管理的重要環節。如果能夠将“平時”的森林防火監控預警管理與“戰時”的森林防火應急指揮管理有效地結合起來，将有效地提高森林防火總體監控管理水平。
（4）實現“平面”和“立體”管理相結合
森林防火監控指揮管理是針對林區火情、林區地勢、林木、人員及設施分布的動态場景進行的分析、判斷和組織調動等一系列活動，在森林防火監控指揮管理中，實現“平面”的二維場景與形象、生動和逼真的“立體”三維場景相結合，将有助于森林防火監控指揮管理的動态分析和判斷，有利于明顯改善和提升森林防火監控指揮管理的整體效果。
五、 建設内容
森林防火監測指揮管理平台由天空地一體化監測系統、通信傳輸系統、會商與态勢指揮系統以及災後損失評估系統等組成。天地空一體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，實現天地一體化動态監測以及多源遙感數據處理及各類林業資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級森林防火監管部門“現場—前指—後指”3級指揮體系數據的實時傳輸；會商與态勢指揮系統綜合運用多源數據融合、态勢分析、信息共享與深度學習等技術，采用“雲+網+端”的模式，實現森林火情綜合指揮調度，科學決策支持及災後損失準确評估系統。
圖1 天空地一體化監測體系示意
5.1天空地一體化監測體系
5.1.1衛星遙感監測
将高分辨率遙感數據與氣象衛星大尺度數據相結合，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)，實現災前火險指數預測，災害發生後的态勢分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火險預警
通過基于歸一化處理後的遙感氣象衛星數據，自動生成與火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、歸一化燃燒指數等，結合數值天氣預報和熱排放源數據庫數據，可建立區域森林火災風險率分析模型，能夠計算未來3～5d森林火災風險。
5.1.1.2實時監測報警
能夠結合國内外靜止、極軌氣象衛星數據，實時進行森林火點監測，實時生成火點位置、過火面積圖像産品，以及多時相火點位置和過火面積變化監測産品和報告；能夠識别火點、識别林火産生的煙霧；确定火點後，能夠自動對火點發生前半小時和後1小時以内的圖像做變化檢測；結合森林火險等級報告，可自動推送火災态勢信息報告。
5.1.2航空遙感監測
基于有人機、大型無人直升機，以及大型固定翼、小型固定翼、多旋翼無人機系統實現林區森林防火監測。充分利用成熟的無人機系統、森林防火專用載荷，爲林區森林防火監測、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火場實時搜索與定位
收到上報的火情後，有人機/無人機挂載照相機、紅外探測儀、視頻攝像頭和雲台等防火載荷前往确認火場位置信息，獲取可見光、紅外影像并實時傳輸，實時判斷疑似火源，對火點進行定位，評估并且生成報告。
5.1.2.2火場态勢監測
有人機/無人機挂載防火載荷在火場上空凝視監測，實時回傳可見光、短波、中波紅外影像，實時生成火場态勢圖。融合紅外、地理信息底圖數據，生成高精度拼接圖，突出火場情況、渲染火場态勢，自動化提取火情信息并量化，生成火災監測報告。
5.1.3地面遙感監測
地面遙感監測将森林防火圖像和火災自動報警信息，通過無線微波或衛星鏈路将視頻流及火災自動報警信息傳輸到指揮中心。指揮中心收到信息後，可指揮相關人員采取相應措施處理警情。
圖4 地面遙感監測示意
5.1.3.1火情探測識别
林火攝像頭監測數據實時回傳，指揮中心實時顯示地面紅外視頻并能夠智能識别，發現火險後，自動定位火險位置信息并實時報警。
5.1.3.2火情監控
一旦發生火情，指揮中心根據火災位置選取災害區域附近監控攝像頭，控制攝像頭姿态，監控火情信息，并回傳紅外視頻，指揮中心可實時顯示、智能處理并且生成火情态勢報告。
5.2會商決策系統
5.2.1預案管理
根據森林火災曆史數據、氣象數據、林業數據以及基礎地理數據進行綜合分析，劃分災害危害程度，制定災害應急響應措施，生成災害應急預案，用于預防、處置自然災害以及災後生産恢複，以減少森林火災給林業生産帶來的損失。
圖5 火情危險等級評定
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、建築物等。在撲火會商過程中，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、隔離帶規劃、前線指揮及衛生站分布等内容的标繪，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林火蔓延分析
以某着火點爲起始，會商系統可融合風力、風向等氣象因素，植被、地形和地貌等自然因素，壕溝和栅欄等人工阻隔物因子，基于林火蔓延模型模拟出設定時間及區域内的林火蔓延時空狀态，并自動評估蔓延結果的可信率；可查詢過火面積内的森林資源數據、高壓線、油庫等重要信息，爲撲火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調度中心數據處理
該系統作爲服務器端，對多源數據展開分析處理，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的數據分析和處理能力支持。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析工作。
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輛的GPS等智能終端設備，結合國科創公司的WEBGIS系統，提供車輛或者人員定位、指令下達、告警上傳、曆史軌迹查詢、視頻信息上傳和實時語音通話等服務，通過車載電話實現實時搶險調度，并可以與指揮中心保持雙向聯系，便于指揮中心統籌調度。
圖10 現場消防車輛實時指揮調度
5.4災害損失評估系統
系統通過對火災發生前、火災發生後、生長季末期的高分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作，從災後影像中通過目标監測分析方法獲取火場過火區範圍，結合從火災現場反饋的視頻資料、災前影像中獲取的植被類型專題圖，從而求得不同植被類型的過火區面積；采用深度學習算法，運用燃燒面積指數（BAI）求得過火區林地燒傷等級，獲取火區價值損失及災後植被恢複情況評估。
圖11 林地過火區損失等級評估
圖12 林地過火區植被恢複分布評估