森林防火监测指挥管理平台
解决方案
国科创（北京）信息技术有限公司
一、 建设背景
（1）森林资源的重要性
随着经济的发展，社会的进步，人们生活水平的不断提高，人们对环境的要求也越来越高。城市的空气质量、生态环境的好坏，直接影响着城市居民的健康状况、生活质量；也直接影响城市经济的可持续发展。城市周边的有限森林，正起着调节城市温度、净化城市空气、保护城市环境的重要作用。各级领导非常关心重视森林资源的保护和建设。政府每年花费大量的人力、物力、财力用于植树造林，森林病虫害治理及火灾等防范，为扩大林区面积，发挥森林资源在“绿水青山就是金山银山”重要理论实现中起到了重要促进作用。
（2）森林火灾对林业发展的影响
在森林资源不断发展、建设的同时，也遭到不同程度的破坏。这种破坏来自两方面的：一方面是人为的破坏；另一方面是“天灾”，例如虫灾、火灾等。人为地破坏是小范围的局部的乱砍、乱伐。它所造成的损失是有限的、可控的。对于虫灾造成的损失是巨大的，但其发展蔓延有一个过程，可以有效的控制。对于森林火灾其损失是巨大的、毁灭性的，要想使火灾的损失降低到最小程度，必须将火灾扼杀在萌芽状态，即坚持“打早、打小、打了”的原则，做到早发现火情早扑灭。那么如何才能对森林区域进行有效、及时的监控呢？这是人力所不能为的，必须建立森林实时监控预警和森林防火指挥管理系统。
（3）森林防火技术发展的趋势
森林火灾具有突发性和随机性，短时间内能造成巨大损失，因此一旦有火警发生，就必须以极快的速度进行扑救，扑救是否及时，决策是否得当，取决于对林火行为的发现是否及时，分析是否准确合理，决策措施是否得当，为此国内外都在预防、减少和控制森林火灾方面进行积极探索和研究。
目前在火灾预警监测方面主要采用两种主要技术：一方面是利用卫星、遥感影像技术对森林进行防火监测。卫星将影像不断传到地面卫星接收站，由地面接收站对卫星图像进行处理，监测火灾的发生、发展过程。该方法主要用于大面积、大区域森林火灾监测。另一方面是利用视频监控技术对林区进行实时监控，然后将图像传到指挥中心，通过森林防火指挥管理系统对火灾现场进行准确定位，并通过各种业务功能对火灾进行分析，为制定科学的扑火决策提供依据。
二、 建设意义
通过森林防火监测指挥管理平台的建设，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）引入高分辨率遥感卫星数据，提高森林防火卫星资源应用效能。（2）完善航空、地面监测手段。新增无人机系统、地面监控系统，有效解决精细化监测、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协同，通信联络建设及图像信息传输等问题。（4）提升态势指挥智能化、科学化水平。对天空地信息和基础设施采集数据进行智能化分析，采用“云+网+端”模式，快速推送至各类森林防火应急终端。
三、 建设目标
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。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。
四、 建设思路
（1）构建天空地一体化全方位监测管体系
构建由天上遥感卫星、通讯卫星、空中大型飞机、防火无人机、地面高空瞭望塔系统，全方位立体化的林火监测体系，由先进的卫星监测、航空飞机监测与地面高空瞭望塔的视频监视方式与烟火智能检测、目标识别和动态跟踪监测方式相结合，实现无人值守和高效管理。
（2）实现“眼睛”与“大脑”相结合
通过空中卫星遥感影像、航空无人机，将林区各个监视点的影像和视频图像传回控制中心，再通过烟火自动检测、识别和报警软件自动识别出可能的着火点并发出报警信息，实现“眼睛”的功能。如何实时地分析和判断点位置、火势蔓延趋势？如何动态地分析火情造成的损失？如何有效地协调组织森林防火人员、设施以及实施灭火指挥方案？亦即，上述的“眼睛”功能如果不与“大脑”功能相结合，一则很难有效地利用“眼睛”的实时监测功能，二则难以充分利用森林防火监控指挥管理涉及到的各类资源，进一步提升森林防火指挥管理的总体水平，达到及时、高效、智能的灭火监控指挥管理效果。
（3）实现“平时”和“战时”管理相结合
森林防火监控预警管理区别于森林防火应急指挥管理，体现在平时或日常的预控性管理，实现早发现、早解决和有效控制是加强森林防火监控管理的重要环节。如果能够将“平时”的森林防火监控预警管理与“战时”的森林防火应急指挥管理有效地结合起来，将有效地提高森林防火总体监控管理水平。
（4）实现“平面”和“立体”管理相结合
森林防火监控指挥管理是针对林区火情、林区地势、林木、人员及设施分布的动态场景进行的分析、判断和组织调动等一系列活动，在森林防火监控指挥管理中，实现“平面”的二维场景与形象、生动和逼真的“立体”三维场景相结合，将有助于森林防火监控指挥管理的动态分析和判断，有利于明显改善和提升森林防火监控指挥管理的整体效果。
五、 建设内容
森林防火监测指挥管理平台由天空地一体化监测系统、通信传输系统、会商与态势指挥系统以及灾后损失评估系统等组成。天地空一体化监测系统采用卫星遥感、航空无人机、地面瞭望台智能系统等，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；通信传输系统采用卫星通信、自组网通信、光纤通信等，实现“国家—省—市—县”4级森林防火监管部门“现场—前指—后指”3级指挥体系数据的实时传输；会商与态势指挥系统综合运用多源数据融合、态势分析、信息共享与深度学习等技术，采用“云+网+端”的模式，实现森林火情综合指挥调度，科学决策支持及灾后损失准确评估系统。
图1 天空地一体化监测体系示意
5.1天空地一体化监测体系
5.1.1卫星遥感监测
将高分辨率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，针对重点区域的高频次和全覆盖观测。同时，针对不同地区建立专题算法模型，提升林火监测精度，降低虚警概率。通过卫星遥感监测积累历史数据，不断提升数值预报能力、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，灾害发生后的态势分析和灾后的损失情况评估。
图2 卫星遥感监测示意
5.1.1.1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。
5.1.1.2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，可自动推送火灾态势信息报告。
5.1.2航空遥感监测
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。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 航空遥感监测示意
5.1.2.1火场实时搜索与定位
收到上报的火情后，有人机/无人机挂载照相机、红外探测仪、视频摄像头和云台等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，实时判断疑似火源，对火点进行定位，评估并且生成报告。
5.1.2.2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。
5.1.3地面遥感监测
地面遥感监测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情。
图4 地面遥感监测示意
5.1.3.1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并能够智能识别，发现火险后，自动定位火险位置信息并实时报警。
5.1.3.2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，控制摄像头姿态，监控火情信息，并回传红外视频，指挥中心可实时显示、智能处理并且生成火情态势报告。
5.2会商决策系统
5.2.1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。
图5 火情危险等级评定
5.2.2地图操作及标绘
系统提供操作简便、形象直观的各类标绘操作功能。包括各种箭头、阻隔线、建筑物等。在扑火会商过程中，标绘包括二维标绘和三维标绘。在三维地图上实现任意的行进的箭头、隔离带规划、前线指挥及卫生站分布等内容的标绘，可以更好地与三维地形地貌相结合，为会商决策提供更好的实景三维技术支持。
图6 二维标绘
图7 三维标绘
5.2.3林火蔓延分析
以某着火点为起始，会商系统可融合风力、风向等气象因素，植被、地形和地貌等自然因素，壕沟和栅栏等人工阻隔物因子，基于林火蔓延模型模拟出设定时间及区域内的林火蔓延时空状态，并自动评估蔓延结果的可信率；可查询过火面积内的森林资源数据、高压线、油库等重要信息，为扑火决策提供重要的技术支撑。
图8 系统推演各时间段的蔓延趋势
5.3实战指挥系统
5.3.1调度中心数据处理
该系统作为服务器端，对多源数据展开分析处理，运用对空间信息数据的切割和析取，支持网络传输，为移动单元提供强大的数据分析和处理能力支持。当三维界面的视角调至90度俯视后，即可通过鼠标任意切割所选择区域，系统可完成该区域的空间矢量、栅格数据以及相关属性数据的提取和分析工作。
图 9显示被选区域的详细信息
5.3.2移动目标定位调度
配合应急抢险和指挥车辆的GPS等智能终端设备，结合国科创公司的WEBGIS系统，提供车辆或者人员定位、指令下达、告警上传、历史轨迹查询、视频信息上传和实时语音通话等服务，通过车载电话实现实时抢险调度，并可以与指挥中心保持双向联系，便于指挥中心统筹调度。
图10 现场消防车辆实时指挥调度
5.4灾害损失评估系统
系统通过对火灾发生前、火灾发生后、生长季末期的高分系列遥感影像辐射定标、正射校正、几何校正等图像预处理工作，从灾后影像中通过目标监测分析方法获取火场过火区范围，结合从火灾现场反馈的视频资料、灾前影像中获取的植被类型专题图，从而求得不同植被类型的过火区面积；采用深度学习算法，运用燃烧面积指数（BAI）求得过火区林地烧伤等级，获取火区价值损失及灾后植被恢复情况评估。
图11 林地过火区损失等级评估
图12 林地过火区植被恢复分布评估