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森林草原火災預警系統的探索與應用

2012年3月18日下午,云南省易門縣境內發生森林火災,19日火災蔓延至昆明境內。此場火災火勢較強,火勢蔓延速度較快,預計損失慘重。據調查,此次疑為電力施工人員亂丟煙頭所致。

2017年10月,美國西海岸正在遭遇歷史上最嚴重的森林火災,加利福尼亞州、俄勒岡州和華盛頓州已有3000多萬畝,20000多平方公里的森林過火,至少33人被燒死,6000多棟房屋被燒毀。整個西海岸濃煙滾滾,三個州大部分地區都被煙塵覆蓋,天空也變成了血紅色或橙色。

2019年3月30日18時許,四川省涼山州木里縣雅礱江鎮立爾村發生森林火災,著火點在海拔3800米左右,地形復雜、坡陡谷深,交通、通訊不便   。截至2019年4月4日15時15分,這次森林火災已確認遇難31人 。4月5日,火災確認為雷擊火,整個火場得到全面控制,已無蔓延危險,火場總過火面積約20公頃,經前方指揮部研判,決定銷號。 4月7日,四川涼山木里火場出現復燃,越西縣、冕寧縣發生森林火災。

2020年3月30日下午,西昌市瀘山突發森林大火,18名撲火隊員和1名向導不幸遇難。截至31日零時,過火面積1000公頃左右,毀壞面積初步估算80公頃左右。

2019年7月開始燃燒的澳大利亞森林山火,山火燒毀考拉80%的自然棲息地,超2萬只考拉死亡;

5億多只鳥類和其他動物喪生;

山火過火面積超過5.25萬平方公里;

澳洲多地溫度連續多天40℃以上,甚至接近50℃;

死亡人數上升至27人……

然而,由“星星之火”逐步發展成熊熊的彌天大火,這樣的實力屢見不鮮。一場災難給人帶來的除了傷痛還有啟示。那么,這場災難及類似事件人們又能從中得到什么樣的啟示?顯然,森林防火如靠單純監控、簡單的人防是遠遠不夠的。對于安防來說,森林防火應用紅外熱像儀可以快速有效地發現這些隱火,并且可以準確判定火災的地點和范圍,透過煙霧發現著火點,做到早知道、早預防、早撲滅。以下是根據森林火災的特點分析關于紅外熱成像技術在森林防火中的特點及應用。

森林火災是世界性的難題

世界森林面積達到40公頃,全球森林覆蓋率平均為31.7%。森林火災是林業重要的災害之一。森林防火也是世界難以攻破的難題,森林火災具有突發性、災害發生的隨機性、短時間造成巨大損失的特點,從而一旦發生森林火災,必須以極快的速度采取撲救措施,而在面對森林火災時貫徹的則是“預防為主,積極撲救”的方針。森林防火的重點就是在這兩個字上“防”與“救”。做好這兩個字,森林火災所造成危害將會減小很多。

目前應用技術的劣勢

針對“防”,一般目前國內應用的是火災自動報警技術。主要是基于傳感器的檢測,而在現有的各種火災報警和消防監控設備中,大多數場所的火災檢測,都采用常規的火災探測的方法,其性能優劣直接會影響火災自動報警的準確度和可靠性,例如感煙、感溫、感光探測器,它們分別利用火焰的煙霧、溫度、光的特性來對火災進行探測。在大面積森林應用中,傳感器由于空間距離大,信號變得十分微弱。大空間使得普通的感煙、感溫火災探測報警系統都無法迅速采集火災發出的煙溫變化信息,即使是高精度的傳感器也會由于種種噪聲干擾而無法正常工作,導致火情誤報或錯報,無法滿足森林火災的及時檢測需求。上述總結,火災自動報警技術雖能應對簡單的森林防火但缺乏全面、高效、不抗干擾等諸多劣勢。而利用紅外熱成像技術則彌補了這些缺陷。

 除了預防性措施外,減少森林火災損失的唯一有效方法是早期探測、快速反應。因此人們做了大量的努力以獲得早期的森林火災探測,以往較多的是依賴于人工監視。通常人員會在觀測塔進行24小時的人工監視。監視人員往往僅裝備一些標準望遠鏡、通訊設備,人工觀測區域起絕于事業覆蓋的面積。

森林或草原等野外火災預警技術主要包括幾類技術:

第一,基于視頻分析為主的探測技術,例如FireWatch應用特定波段的攝像機獲取視頻圖像并進行分析,所用特定波段視頻對森林的煙霧有著更好的反應;

第二,目前在中國用的比較多的熱成像探測技術(一般采用7~14um熱像儀),主要包括采用熱像儀的灰度級或者直接的溫度值,并配合圖像分析技術,進行煙、火的探測分析;

第三,采用多光譜遙感雷達大范圍預警監控技術,該系統應用了遙感技術原理,將對360o場景的掃描轉換為水平和垂直兩個自由度光學系統的轉動,通過逐點的方法對范圍內每個點的火災特征光譜進行監測分析,進而實現預警監控,大大提高了系統的可靠性和靈敏度;

第四,分布無線傳感網絡探測技術,目前處于研究階段,由于野外環境惡劣,風吹日曬,所以對傳感器的要求較高,還沒有成功地產品。不過從長遠來看,分布傳感網絡探測技術會是一種有效可行的解決方案。

以上技術類型中,

第一種技術特定視頻分析的技術存在明顯的弱點,包括遠距離條件下的探測、夜晚探測等,因此逐漸只能起到輔助作用。

第二種熱成像/可見光雙視探測技術,則存在明顯的技術參差不齊的情況,探測效能受環境影響很大,誤報率高。

目前我們研究應用的多光譜遙感雷達技術配合視頻分析監控技術,所形成的系統的探測能力至少是熱成像/可見光雙視探測技術2倍以上,應該更高,防誤報的能力也更強。

LAFWS先進大范圍火災預警監控系統由多光譜遙感大范圍火災預警監控裝置、分布智能火災預警分析服務子站、中大型云臺一體化熱像測溫/可視雙視預警探測器或攝像機,無線傳輸子系統、電源子系統、防雷子系統、氣候環境傳感器子系統和鐵塔組成,監控中心設置中央監控管理平臺,向指揮調度人員提供全面的、可操作的現場信息。本系統集成了多光譜和圖像探測兩種技術,系統早期預警效果更好。

紅外熱成像技術的特點及應用

紅外熱成像技術是一種通過光電轉換、電信號處理等手段,將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像的高科技產品。在國外,紅外熱像儀已廣泛應用于安全防范系統中,成為安全監控系統中的明星。而在國內,現階段也在迅速發展,但應用并不全面。由于紅外熱像儀具有隱蔽式探測功能,因為沒有光的需要,所以省去了制造可見光的費用,入侵者甚至無法知道他們正在被監視。而且具有穿透煙、霧、雨水、煙云等惡劣情況持續工作。

系統特點與優勢

1)預警探測能力更強、更快、更高

基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統,探測靈敏度可達0.12m2@1km距離,即便與100mm熱像儀的理論探測靈敏度比較,也高約1.5倍以上。預警雷達的有效探測距離可以達到熱成像的2倍以上。預警雷達每一個360o全景掃描僅需要3分鐘左右,是熱成像/可見光雙視探測系統的2~6倍或以上。

2)預警探測的可靠性更高

基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統,由于采用了火災的特定響應波段,并且通過多光譜比較,還可以通過精準的點/區屏蔽(主要是針對城市區域,可能有煙囪等熱源的情況),從而保證了探測的可靠性更高,避免或減少誤報警的出現。

3)預警探測的定位能力更強

基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統可以提供更精確的極坐標系的坐標數值,便于監控管理平臺和3D信息化管理平臺轉換為更精確的3D地圖坐標,實現精確標示。

而針對森林防火,紅外熱成像技術呈現出的三方面優點:

1、防火監控

基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統是反映物體表面溫度而成像的設備,因此除了夜間可以作為現場監控使用外,還可以作為有效防火報警設備,在大面積的森林中,火災往往是由不明顯的隱火引發的。這是毀滅性火災的根源,用現有的普通方法,很難發現這種隱性火災苗頭。而應用基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統可以快速有效地發現這些隱火,并且可以準確判定火災的地點和范圍,透過煙霧發現著火點,做到早知道、早預防、早撲滅。

采用先進基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統,用高科技手段來加強森林防火工作,在最短的時間內作出決策和調度,從而為森林滅火贏得寶貴時間,最大限度地減少損失是森林防火管理發展的必然趨勢。當火災發生后,尤其是森林火災的情況下,火焰產生的煙霧很大,往往遮蓋了真正的著火點,以及火災的蔓延趨勢。基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統的儀器有很強的穿透煙霧的能力,可有效地發現真正的著火點,以及火災的蔓延趨勢。

2、偽裝及隱蔽目標的識別

普通的偽裝是以防可見光觀測為主。一般犯罪分子作案通常隱蔽在草叢及樹林中,這時如果采用可見光的觀察方式,由于野外環境的惡劣及人的視覺錯覺,容易產生錯誤判斷。基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統是被動接受目標自身的熱輻射,人體和車輛的溫度及紅外輻射一般都遠大于草木的溫度及紅外輻射,因此不易偽裝,也不容易產生錯誤判斷。另外,一般人員也不了解避開紅外監視的方法。因此基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統在識別偽裝及隱蔽目標這方面的效果明顯。同時,森林火災在地面火被撲滅的情況下,在地下往往還隱藏著地下火,因此,經常會死灰復燃。基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統可通過監控火災后森林地表的溫度,及時發現地表溫度的異常,確定地下火可能存在的地點。

3、夜間以及惡劣氣候條件下的森林防火

由于基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統在觀察、識別目標方面有著眾多的優點,所以夜間及惡劣氣候條件下也可使用于森林防火的應用。

森林防火是一項長期而艱巨的任務,自然災害雖不可避免,但是人為縱火或監管不到位是可以靠儀器和加強監管去避免的。基于多光譜遙感雷達的森林預警探測系統可以利用自身優點在對森林防火工作做出正確的判斷,也可以根據火情是否發生去采取措施。它彌補了單純靠視頻監控和人防的不足。

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