何　誠，劉柯珍，李艷云，寇曉軍

（1.南京森林警察學院，江蘇　南京　210023；2.中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京　100091；3.河北省遷安市林業(yè)局，河北　遷安　064400；4.北京師范大學，北京　100088）

北斗衛(wèi)星導航技術在森林防火中的應用

何誠1，劉柯珍2，李艷云3，寇曉軍4

（1.南京森林警察學院，江蘇南京210023；2.中國林科院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京100091；3.河北省遷安市林業(yè)局，河北遷安064400；4.北京師范大學，北京100088）

隨著社會科技和經濟的發(fā)展，政府等社會各界對森林保護的工作越來越重視。森林防火自動化、網絡化、信息化是不可避免的發(fā)展趨勢。北斗定位系統的橫空出世打破了精準定位依靠國外衛(wèi)星的枷鎖，北斗精準定位技術為林火監(jiān)測、林火撲救指揮提供了新的技術，同時為無人機等新型技術在林火點定位研究提供了支持，為森林防火及撲火的精準化調度提供了保障。

森林火災；北斗衛(wèi)星；定位系統；撲救指揮

森林火災是損害森林生態(tài)環(huán)境最大的災害，我國每年都會發(fā)生多起大面積的火災，嚴重破壞人們賴以生存的生態(tài)環(huán)境。一場森林火災不光損壞人們的建筑財產，甚至傷害人們的生命安全。森林火災具有復雜性，不光受氣候天氣等自然因素的影響，還受人為活動的影響。全球平均每年由于森林火災毀壞的面積高達1000萬hm2，約占森林總面積的0.1%；且其中90%以上的森林火災都與人為活動有關。目前包括美國、德國、加拿大等歐洲發(fā)達國家均缺乏對大規(guī)模的森林火災的控制能力［1，2］。

從1949年新中國成立到1987年年均發(fā)生大小森林火災1.5萬起，受災森林面積高達15萬hm2，死傷人數達150人左右。1987年“5·6”大興安嶺火災過后，人們意識到森林火災的嚴重危害，我國政府加強了對森林防火的組織和管理，隨著森林防火在我國的重視及科技產品的投入，這個數據在下降［2］，年均森林火災發(fā)生次數降為八千起左右，受災森林面積10萬hm2，死傷人數在80人左右。

隨著科技的發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術、物聯網技術、無人機技術及視頻監(jiān)控技術的成熟給林火監(jiān)測的發(fā)展注入了巨大的活力。北斗衛(wèi)星導航系統是我國自主研制的全球衛(wèi)星定位及通信系統，它由空間端、地面端和用戶端3部分組成。北斗衛(wèi)星導航系統免費向全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務，且其民用定位精度可達10m，完全滿足林火定位精度的需求［3，4］。

1　北斗衛(wèi)星導航技術簡介

目前定位衛(wèi)星包括靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星兩類。靜止衛(wèi)星有北斗一代；極軌衛(wèi)星有GPS衛(wèi)星網、伽利略衛(wèi)星網，北斗二代衛(wèi)星網。

1.1北斗衛(wèi)星導航技術測量與經典測量方法的對比

傳統經典測量技術為使用電子經緯儀、皮尺、水準儀或全站儀等測量設備對目標點進行定位或測量的方法。北斗衛(wèi)星定位系統（BeiDouNavigationSatelliteSystem）是20世紀80年代由中國決策建設獨立自主研發(fā)、發(fā)射且投入運行的全球衛(wèi)星導航系統，北斗衛(wèi)星導航技術測量與經典測量方法對比具有以下優(yōu)點：不需要相互通視，觀測作業(yè)不受天氣條件的影響，能達到大地測量所需要的精度水平，白天和夜間均可作業(yè)，經濟效益顯著。所以北斗衛(wèi)星導航技術無論作大面積控制和局部測量都是理想的工具，從價格上說，它具有更強的市場競爭能力，任何條件下都有充分把握提供足夠的精度［4-6］。

1.2北斗衛(wèi)星定位系統與GPS的聯系與區(qū)別

GPS是全球最通用的定位系統之一，是美國軍方研制的第二代衛(wèi)星導航系統，具有以下幾種特點：（1）全球通用；（2）24小時可以定位，測速和授時；（3）用戶設備成本低；（4）確保美國軍事安全，服務于全球戰(zhàn)略；（5）導航精度可達10～20m，但其使用權及主導權還是歸美國所有。

北斗衛(wèi)星定位系統（BeiDouNavigationSatelliteSystem）是20世紀80年代由中國決策建設獨立自主研發(fā)、發(fā)射且投入運行的全球衛(wèi)星導航系統。2003年，北斗衛(wèi)星導航試驗系統建成，并在多個領域進行了很好的應用。北斗衛(wèi)星導航系統包括空間站、地面站及用戶站3部分?？臻g站由5顆靜止軌道衛(wèi)星及30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，地面站由主控站、注入站及監(jiān)測站組成，用戶部分包括北斗用戶終端以及其他衛(wèi)星導航系統兼容部分。北斗衛(wèi)星定位系統為免費開放服務；其特征包括如下：定位精度10m，授時精度20ns，測速精度0.2m/s。

北斗衛(wèi)星定位系統具有以下原則。

1）開放性：北斗衛(wèi)星導航系統將為用戶免費提供高質量的開放服務，并且歡迎全世界的用戶使用北斗系統。中國將與其他國家就衛(wèi)星導航有關問題進行廣泛深入的交流，以推動全球導航衛(wèi)星系統（GNSS系統）及其相關技術和產業(yè)的發(fā)展。

2）自主性：中國將獨立自主地發(fā)展和運行北斗衛(wèi)星導航系統。北斗系統能夠獨立為全球用戶提供服務，尤其是將為亞太地區(qū)提供更高質量的服務。

3）兼容性：北斗系統將致力于實現與其他衛(wèi)星導航系統的兼容和互操作。

4）漸進性：北斗衛(wèi)星導航系統將依據中國的技術和經濟發(fā)展實際，遵循循序漸進的建設模式。北斗系統將通過改進系統性能，確保系統建設階段平穩(wěn)過渡，為用戶提供長期連續(xù)的服務。作為重要的GNSS系統之一，北斗系統與其他衛(wèi)星導航系統積極開展合作，共同促進衛(wèi)星導航系統和產業(yè)的發(fā)展［5，6］。

2　北斗衛(wèi)星導航技術在森林防火中應用

北斗衛(wèi)星導航系統是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統，是繼美國全球衛(wèi)星定位系統（GPS）和俄羅斯全球衛(wèi)星導航系統（GLONASS）之后的第3個成熟的衛(wèi)星導航系統。作為導航應用的核心，北斗地基增強系統由基準站網絡、數據處理系統、運營服務平臺、數據播發(fā)系統和用戶終端5部分組成?；鶞收窘邮苄l(wèi)星導航信號后，通過數據處理系統形成相應信息，經由衛(wèi)星、廣播、移動通信等手段實時播發(fā)給應用終端，實現定位服務。根據規(guī)劃，北斗地基增強系統將構建一個全國網，實現部門間、地區(qū)間、軍民用戶間資源統籌，數據共享。在2015年底前投入運行框架網和部分區(qū)域加密網基準站網絡，2018年底前建成全國范圍區(qū)域加密網基準站網絡，提供米級、分米級、厘米級和后處理毫米級的高精度位置服務。

森林火災位居破壞森林的3大自然災害（火災、病害、蟲害）之首，它突發(fā)性強、破壞性大，不僅破壞生態(tài)環(huán)境、損害建筑財產，而且會給人們的生命安全構成威脅。利用北斗衛(wèi)星導航技術可以第一時間發(fā)現火災，精準定位森林火災位置，實現“打早、打小、打了”的目的。另外災后調查，核查受災面積等工作都迫切需要精準定位系統，前些年中國使用的定位裝置及技術都是國外提供的，北斗定位系統的橫空出世打破了精準定位依靠國外衛(wèi)星的枷鎖。圖1展示了北斗衛(wèi)星導航技術在森林防火領域應用的原理示意：北斗衛(wèi)星導航系統針對林火視頻監(jiān)控設備及相關目標物體進行定位，將其坐標傳輸到森林防火控制中心，與地理信息系統配合，可以實現林地信息的實時監(jiān)測、精確定點及智能化識別，從而為建立火情預測預報、實時監(jiān)測火災及火災精確定位系統提供了平臺。

北斗衛(wèi)星導航技術在森林火災的監(jiān)測應用需與地理信息系統配合，北斗導航系統可以提供精準的位置信息，地理信息系統具有驚人的數據管理和統計能力、空間分析處理能力及其圖形可視化能力，可以實現人機交互的目的。北斗衛(wèi)星導航技術與地理信息系統相互配合可以實現林地信息的實時監(jiān)測、精確定點及智能化識別，從而為建立火情預測預報、實時監(jiān)測火災及火災精確定位系統提供了平臺，進而提高了森林火災預測預報、撲火指揮的決策能力和調度效率，為森林防火指揮部們提供技術支持。

森林航空消防中飛行器也離不開北斗導航系統的支持，在飛機巡護監(jiān)測期，利用北斗導航定位系統對著火點精準定位，及時將坐標發(fā)送給航空護林基地、防火辦及相關部門，迅速組織力量對火災精準撲救，可以減少森林火災發(fā)生。在火災蔓延期，利用飛行器搭載北斗導航系統快速勾繪出火災蔓延邊界，估算火災面積，可以為更合理地制定撲火策略及方案提供數據支持。

圖1　北斗衛(wèi)星導航技術在森林防火領域應用的原理示意

北斗導航系統定位終端可以裝載在飛機、汽車、防火員、指揮員等載體上，且可以實時將定位坐標發(fā)送到指揮系統中，在電子屏幕上掌握被定位物體的實時坐標信息?？梢允狗阑鹬笓]部門第一時間掌握防火人員及火災現場的情況，以便對其進行調度，進而及時做出決斷。并且可以將該數據存入系統，為災后統計、分析、講解提供寶貴數據。隨著北斗導航系統的升級及定位終端的不斷改進，北斗導航定位技術將會為森林防火事業(yè)做出重要的支撐［7］。

［1］何誠，袁進軍，王佳，鞏垠熙，董志海.高光譜遙感技術在生物多樣性保護中的應用研究進展［J］.光譜學與光譜分析，2012，06（32）：1628-1632.

［2］舒立福，周汝良.森林火災監(jiān)測預警和撲救指揮數字化技術［M］，昆明：云南科技出版社，2012.

［3］劉良明，鄢俊潔.MODIS數據在火災監(jiān)測中的應用［J］.武漢大學學報（信息科學版），2004，29（1）：55-58.

［4］彭光雄，李京，陳云浩，NorizanAbdulPatah.結合遙感和氣象數據的森林火險監(jiān)測研究——以馬來半島為例［J］.地球信息科學，2007，9（5）：99-104.

［5］劉金娥，宋慶國.北斗衛(wèi)星系統的森林火災監(jiān)測定位系統［J］.單片機與嵌入式系統應用，2014，（7）：50-52.

［6］蔣岳新.北斗衛(wèi)星導航定位系統在森林防火中的應用前景展望［J］.衛(wèi)星與網絡，2008，12（79）：42-45.

（責任編輯：韓煥金）

S762.3

A

2016-03-14

林業(yè)生態(tài)站監(jiān)測項目；國家林業(yè)局軟科學研究項目（2015-R09）