王衛(wèi)星　黃澤霖　曾曉銘　李裕龍

摘要：該文在研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有森林防火技術(shù)，如全球定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)，搭建仿真模型進行森林火災(zāi)實時監(jiān)測，以提高森林防火的實效性。系統(tǒng)分析表明，模型具有較好的可信度和優(yōu)越性，并初步探討了森林防火監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；火災(zāi)預(yù)警；仿真；元胞自動機；vega prime

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）04-0870-03

1 概述

森林資源是地球上最重要的資源之一，在貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀、建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會、實現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展、推進我國經(jīng)濟崛起的戰(zhàn)略中，具有不可替代的地位和作用。我國是一個森林火災(zāi)高發(fā)的國家，森林火災(zāi)對社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境造成的破壞難以估量。而近年來受全球氣候變暖的影響，高溫、干旱等極端天氣現(xiàn)象頻發(fā)，森林火險長期居高不下，森林火災(zāi)預(yù)警壓力巨大，防火形勢嚴(yán)峻。

在森林火災(zāi)的預(yù)警和撲滅上，已有地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感技術(shù)（RS）、傳感器技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理技術(shù)等應(yīng)用實例，但各種技術(shù)優(yōu)缺點不一，很難根據(jù)實際情況設(shè)計適宜的系統(tǒng)。國內(nèi)森林防火系統(tǒng)大多通過GIS系統(tǒng)整合多種功能系統(tǒng)，實現(xiàn)火災(zāi)預(yù)案、火線分析、災(zāi)情評估等功能，但同樣受限于設(shè)備落后、火災(zāi)蔓延預(yù)測模型不匹配等制約因素。針對氣候變化新形勢下面臨的新問題，如何運用各種技術(shù)手段對森林火險進行預(yù)警，對森林火災(zāi)進行監(jiān)控， 不斷提高森林火險預(yù)警、火災(zāi)監(jiān)測、火災(zāi)撲救與指揮的能力和水平，成為當(dāng)今國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點內(nèi)容。

物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，其組成元素是個性化和私有化的，因此以物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)，設(shè)計的森林防火系統(tǒng)能更為靈活地適應(yīng)各地森林環(huán)境。該文在研究現(xiàn)有的森林防火技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、計算機技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)， 闡述了森林防火系統(tǒng)的實現(xiàn)方式。

2 數(shù)據(jù)感知層結(jié)構(gòu)設(shè)計

要實現(xiàn)森林火災(zāi)智能預(yù)警，首要的任務(wù)是森林實時狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。森林實時狀態(tài)數(shù)據(jù)采集的好壞，如圖像的對比度，傳感器的敏感程度等，會直接影響到森林火災(zāi)的識別率、誤報率和能否及時發(fā)出預(yù)警。在森林火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)中，森林實時狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集主要由傳感器感知的森林環(huán)境數(shù)據(jù)和森林火災(zāi)圖像數(shù)據(jù)構(gòu)成。

數(shù)據(jù)感知層主要通過傳感器網(wǎng)絡(luò)采集森林環(huán)境煙霧濃度、溫度和濕度實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過預(yù)處理后，通過無線模塊將數(shù)據(jù)返回到監(jiān)控平臺。監(jiān)控平臺將數(shù)據(jù)送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行判斷，并輸入發(fā)送火災(zāi)的概率值。若該數(shù)值高于系統(tǒng)預(yù)警線，控制中心調(diào)用當(dāng)?shù)財z像頭采集監(jiān)控現(xiàn)場的圖片，對連續(xù)的圖片進行數(shù)字圖像處理分析，結(jié)合早期火焰的特征進行檢測，進行再一次的數(shù)據(jù)處理，判斷火災(zāi)是否發(fā)生。

3 支撐系統(tǒng)設(shè)計

3.1 森林火災(zāi)蔓延算法

森林環(huán)境有大量植物類型需要考慮，為了加快計算機的運行速度，系統(tǒng)采用算法是以柵格為基礎(chǔ)的邊界插值算法。以當(dāng)前著火點為中心，火災(zāi)在二維平面上有八個蔓延方向（正東、正南、正西、正北、東南、東北、西南、西北），火災(zāi)蔓延速度和柵格長度決定了擴展蔓延時間T，當(dāng)計算機存儲的火災(zāi)積累時間大于T，就沿此方向前行一個柵格長度。蔓延模型采用基于邊界插值算法的元胞自動機，將森林空間轉(zhuǎn)換為元胞格網(wǎng)空間，元胞存儲著樹種易燃性、可燃物密度、地形坡度等模型因子，根據(jù)燃料情況和蔓延時間修改存儲狀態(tài)。

3.2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計

仿真系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2005后臺數(shù)據(jù)庫 ，SQL Server 2005是一種高性能的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，與其他數(shù)據(jù)庫相比，在企業(yè)數(shù)據(jù)管理、開發(fā)效率和商業(yè)智能三個主要方面提高業(yè)務(wù)能力。針對企業(yè)級的數(shù)據(jù)管理，該系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫引擎為核心，使用集成商業(yè)智能工具，可以為規(guī)模各異的企業(yè)提供不同的解決方案，從而構(gòu)建和管理符合需求的高性能數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。

仿真系統(tǒng)將背景地形圖劃分為許多大小相同的網(wǎng)格，網(wǎng)格用坐標(biāo)G（X，Y）記錄，每個網(wǎng)格代表樹、草及建筑等環(huán)境信息，且網(wǎng)格坐標(biāo)和北京54坐標(biāo)系下的電子地圖平面坐標(biāo)相對應(yīng)。每個網(wǎng)格賦予一定的值，通過數(shù)值來反應(yīng)火災(zāi)現(xiàn)場情況。（1表示正在燃燒，0表示未燃燒，-1表示已經(jīng)燃燒過的火燒跡地。）以下圖為例，設(shè)中點為起火點，風(fēng)向為正北方一級，則滿足蔓延條件時，每個邊界點的正北方向的兩個相連點被賦值為1（燃燒狀態(tài)），邊界點的其他方向的一個點被賦值為1。

3.3 VegaPrime視景仿真設(shè)計

視景模型的地形采用VegaPrime基礎(chǔ)場景，由LynX Prime 圖形界面配置文件設(shè)置場景中樹木分布，并搭建登記在后臺數(shù)據(jù)庫，將基本地形和火的模型的文件導(dǎo)出為C++文件。在Visual Studio 2005編寫控制臺程序，和VegaPrime中場景類結(jié)合，搭建MFC平臺。

將火因子的控制數(shù)據(jù)改為變量型，在數(shù)據(jù)庫建立火的控制變量庫，編寫數(shù)據(jù)庫連接、讀取等函數(shù)，程序運行時直接連接數(shù)據(jù)庫讀取這些變量，并添加一些按鍵功能。使用火模型能夠按照一定規(guī)律蔓延，火的蔓延控制變量從數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入。火災(zāi)蔓延效果如圖4所示。

BehavePlus 由Rothermel模型改進預(yù)測表面火蔓延，有53中標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)行為和13種燃料模型，可通過選擇模型來模擬火災(zāi)蔓延速度，根據(jù)南方森林特點，選取Dormant Brush， Hardwood Slash燃料模型，結(jié)合風(fēng)力因子，得出蔓延速度如下表所示，將相應(yīng)梯度數(shù)值導(dǎo)入MFC數(shù)據(jù)庫中，即可控制元胞機中火災(zāi)擴散速度。

4 結(jié)論

在物聯(lián)網(wǎng)森林防火系統(tǒng)設(shè)計中，GPS和GIS作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，提供可燃物、道路、河流等基礎(chǔ)地理環(huán)境信息，由前端傳感器監(jiān)測森林火災(zāi)發(fā)生概率，經(jīng)二次判斷后將火災(zāi)發(fā)生點位置傳回系統(tǒng)，Vega Prime 仿真系統(tǒng)實時模擬森林火災(zāi)的蔓延情況。系統(tǒng)通過多數(shù)據(jù)融合判斷和蔓延仿真，提高森林火災(zāi)預(yù)警準(zhǔn)備性能及撲火指揮的決策效率。

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