邱煥斌

（廣州建通測(cè)繪地理信息技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510520）

森林是人類(lèi)賴以生存的重要資源，但森林火災(zāi)卻時(shí)有發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2020年，我國(guó)發(fā)生森林火災(zāi) 1 100 余起，其中重大火災(zāi)7起[1]。保護(hù)森林資源的重要措施之一就是森林防火，預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)是全國(guó)森林防火規(guī)劃中的建設(shè)內(nèi)容之一[2]。傳統(tǒng)預(yù)警監(jiān)測(cè)方法主要包括地面人員巡視、瞭望塔定點(diǎn)觀測(cè)、飛機(jī)巡航和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)等[3-4]。地面人員巡視觀察范圍小，飛機(jī)巡航和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)均受氣象條件限制，飛機(jī)巡航存在成本昂貴的劣勢(shì)，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)也存在空間分辨率低、紅外通道易受強(qiáng)反射面的干擾等不足[5]。瞭望塔定點(diǎn)觀測(cè)較好地避開(kāi)上述方法的短板，隨著AI技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了從監(jiān)測(cè)視頻中自動(dòng)識(shí)別警情、自動(dòng)報(bào)警等功能[6]，國(guó)內(nèi)部分自然保護(hù)區(qū)，特別是浙江省各縣市陸續(xù)建立了“森林災(zāi)害視頻預(yù)警與監(jiān)控系統(tǒng)”，對(duì)森林防火起到了積極作用[7]。近兩年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換電或充電的無(wú)人機(jī)型已經(jīng)上市，為防火視頻監(jiān)測(cè)再提供一種可行的方法[8]，但無(wú)人機(jī)的部署及數(shù)據(jù)回傳，同樣需從瞭望塔式的設(shè)施獲得電源和網(wǎng)絡(luò)支持。

瞭望塔定點(diǎn)觀測(cè)方法將攝像機(jī)安裝在林區(qū)高處（瞭望塔），通過(guò)不間斷地實(shí)時(shí)回傳視頻影像，并從影像中自動(dòng)或人工識(shí)別火苗或煙霧，以判斷監(jiān)測(cè)區(qū)域是否發(fā)生火警。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括前端、傳輸、指揮中心系統(tǒng)三大部分，其中，前端包括瞭望塔體、攝像機(jī)、供電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，是建設(shè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要成本所在。

鑒于前端攝像機(jī)對(duì)安裝點(diǎn)位的要求，以及攝像機(jī)對(duì)電源和通信網(wǎng)絡(luò)的需求，通信鐵塔是較為理想的選擇。首先，通信鐵塔多建在局部制高點(diǎn)；其次，通信鐵塔可提供較為穩(wěn)定的電源和通信網(wǎng)絡(luò)。隨著4G的建設(shè)，截至2019年底，中國(guó)鐵塔的站址數(shù)量達(dá)到199 萬(wàn)個(gè)，野外通信鐵塔的分布已具有較高的密度。充分挖掘鐵塔的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)保值、增值，符合企業(yè)發(fā)展方向，另一方面，基于通信鐵塔既有的電源和網(wǎng)絡(luò)資源，建設(shè)森林防火視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將顯著降低建設(shè)成本，有利于提升森林資源監(jiān)控覆蓋率，從而提高森林火災(zāi)綜合防控能力，實(shí)現(xiàn)有效控制和撲滅森林大火[9]。

基于此，興寧縣林業(yè)局在全縣范圍內(nèi)開(kāi)展了森林防火視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)可行性研究。興寧縣位于廣東省梅州市，面積2 075 km2，其中林區(qū)面積達(dá)17 萬(wàn) hm2，分布178座通信鐵塔。境內(nèi)早期已部署21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)林區(qū)的監(jiān)測(cè)率僅為26%。

本文作為其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址部分，基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取了境內(nèi)通信鐵塔信息和林木分布現(xiàn)狀，應(yīng)用視域分析方法，對(duì)境內(nèi)存量通信鐵塔的林區(qū)監(jiān)測(cè)效果進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，提出在監(jiān)測(cè)空白區(qū)和盲區(qū)新建鐵塔的選址方法，以及最小設(shè)計(jì)塔高的計(jì)算方法。

1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

1.1 機(jī)載LiDAR點(diǎn)云

LiDAR（Light Detection and Ranging）是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，集成了激光掃描系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)，通過(guò)發(fā)射激光束并接收返回信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地表信息的快速獲取。該技術(shù)引入國(guó)內(nèi)后，經(jīng)十余年發(fā)展，三維激光點(diǎn)云已成為測(cè)繪地理信息領(lǐng)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在各行各業(yè)的建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。

LiDAR技術(shù)具有兩大特點(diǎn)：1）激光點(diǎn)云密度高。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光發(fā)射頻率超過(guò)1.33 MHz[10]，每平方米數(shù)十乃至上百個(gè)點(diǎn)的密度，能清晰表現(xiàn)地表物體輪廓；2）具有“穿透性”。能接收到從狹窄的植物縫隙中返回的信號(hào)，使得該技術(shù)具有探測(cè)遮擋相對(duì)嚴(yán)密的林下地形的能力。

本文采用機(jī)載LiDAR點(diǎn)云的密度約為7 點(diǎn)/m2。點(diǎn)云處理包括去噪、粗分類(lèi)為地面點(diǎn)和非地面點(diǎn)，并將懸空地物點(diǎn)（例如高壓輸電線）篩選出來(lái)。

1.2 數(shù)字模型

數(shù)字表面模型（DSM）反映了地表（地面及其上的所有物體）的空間輪廓。使用點(diǎn)云中除噪點(diǎn)和高壓輸電線點(diǎn)之外的點(diǎn)制作數(shù)字表面模型，格網(wǎng)尺寸取為1 m。

數(shù)字高程模型（DEM）反映了地面的起伏（去掉所有地面之上的物體）。使用點(diǎn)云中的地面點(diǎn)來(lái)制作數(shù)字高程模型，格網(wǎng)尺寸取為5 m。

數(shù)字高度模型（DHM）反映了地面上物體的高度。使用DSM和DEM制作，即DHM為DSM和DEM的差值[11]。

1.3 通信鐵塔

境內(nèi)現(xiàn)有的通信鐵塔，可在DHM標(biāo)記高度大于指定閥值的區(qū)域，然后在點(diǎn)云中確認(rèn)，并獲取鐵塔的位置和頂部高程。

圖1 三維點(diǎn)云場(chǎng)景中的通信鐵塔Fig.1 Communication tower in 3D point cloud scene

1.4 監(jiān)測(cè)區(qū)域

監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)榕d寧縣境森林資源二類(lèi)調(diào)查小班圖，如圖2。

圖2 林地和通信鐵塔分布圖Fig.2 Woodland and communication towers distribution map

2 視域分析

2.1 單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)視域分析

視域分析也稱(chēng)通視分析、可視性分析，是運(yùn)用計(jì)算幾何原理和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)解決地形上觀察點(diǎn)集合與目標(biāo)點(diǎn)集合之間的可視性問(wèn)題[12]。視域分析的基本因子，一是兩點(diǎn)之間的通視性，二是對(duì)于給定的觀察點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域，即可視域[13]。

圖3 視域分析Fig.3 Viewshed

視域分析的參數(shù)包括觀察點(diǎn)高度、目標(biāo)點(diǎn)高度和觀察半徑，觀察點(diǎn)高度設(shè)為0 m，表示觀察點(diǎn)放置在塔頂；目標(biāo)點(diǎn)的高度設(shè)置為50 m，表示著火點(diǎn)處升起的煙霧隨著高度增加，可能散去而不能初識(shí)別的最大高度；觀察半徑為5 000 m，由視頻監(jiān)測(cè)攝像機(jī)的識(shí)別能力確定。

圖4 單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)視域分析結(jié)果Fig.4 Single monitoring point view analysis results

2.2 視域分析結(jié)果與評(píng)價(jià)

視域范圍在轄區(qū)境內(nèi)的面積、覆蓋林地的面積、以及對(duì)所覆蓋林地的監(jiān)測(cè)面積，是評(píng)價(jià)監(jiān)測(cè)效果的三個(gè)主要因素，本文采用層次分析法確定三個(gè)主要因素各自的權(quán)重。層次分析法是70年代中期確立的一種實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法，可以統(tǒng)一處理決策中的定性與定量因素[14]。以“在全縣境內(nèi)使用最少的點(diǎn)監(jiān)測(cè)最大的林地面積”為原則，建立“監(jiān)測(cè)點(diǎn)少”和“監(jiān)測(cè)面積大”兩個(gè)規(guī)則，建立層次分析模型進(jìn)行分析，如圖5。將視域分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，分別為“境內(nèi)占比”、“覆蓋率”和“監(jiān)測(cè)率”打分，為評(píng)分1、2和3，然后按上述權(quán)重分配其中，得到總分，見(jiàn)表1。

圖5 層次分析法判斷矩陣（a）和分析結(jié)果（b）Fig.5 Analytic Hierarchy Process Judgment matrix（a）and analysis result（b）

表1 各點(diǎn)監(jiān)測(cè)效果評(píng)分表Tab.1 Each point monitoring effect rating table

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址

3.1 全局監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址

評(píng)分表未考慮監(jiān)測(cè)點(diǎn)的視域范圍在空間上的分布情況。進(jìn)行全局選址時(shí)，按評(píng)分結(jié)果由高到低，每次選擇當(dāng)前最高評(píng)分的點(diǎn)，且其視域與已選擇點(diǎn)的視域重疊率不超過(guò)指定值。

從表2 中可看出，經(jīng)過(guò)分析、篩選后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量為33個(gè)時(shí)，對(duì)林地的監(jiān)測(cè)率達(dá)到89%。與前述已安裝攝像機(jī)的監(jiān)測(cè)效果比較，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量增加57%（原為21個(gè)點(diǎn)），而林地監(jiān)測(cè)率則增長(zhǎng)了242%（原為26%），取得到了較好的預(yù)期效果。

表2 整體監(jiān)測(cè)效果表Tab.2 Overall monitoring effect table

3.2 未監(jiān)測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址

從圖6（c）可以看出，結(jié)果中存在未監(jiān)測(cè)林地。未監(jiān)測(cè)區(qū)的形成，一是存在遮擋，二是沒(méi)有視域覆蓋。若這些區(qū)域不容忽視，則需新建監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址Fig.6 Monitoring site selection

新建監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址的技術(shù)流程如圖7所示。

圖7 新建監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址Fig.7 Site selection for new monitoring sites

在未監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)按適當(dāng)?shù)拿芏壬牲c(diǎn)集，做“反向”的視域分析，將分析結(jié)果疊加計(jì)算重疊度圖，圖中像元的值是能觀察到該像元的點(diǎn)的數(shù)量，取其中具有最大值的那些像元，即為初步的選址結(jié)果，而高度模型對(duì)應(yīng)位置的值即為最小塔高。綜合其他影響建設(shè)成本的因素，如通路、通電、通網(wǎng)等，確定最終選址結(jié)果。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)廣東興寧縣通信鐵塔進(jìn)行視域分析，得出以下結(jié)論：

1）在33個(gè)塔布設(shè)視頻監(jiān)測(cè)攝像機(jī)可覆蓋境內(nèi)89%的林地，并提出在未監(jiān)測(cè)區(qū)新增監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選址方法；

2）借助視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)和已具相當(dāng)密度的通信鐵塔，建設(shè)全域覆蓋的森林防火視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是一個(gè)可實(shí)現(xiàn)多方共贏的舉措。不僅如此，以其他內(nèi)容如耕地監(jiān)測(cè)、江湖監(jiān)測(cè)、高速公路路面監(jiān)測(cè)等為目標(biāo)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，亦可借鑒；

3）建設(shè)森林防火視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先要解決選址問(wèn)題。機(jī)載LiDAR技術(shù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有的高密度和穿透性，是當(dāng)前快速獲取大范圍區(qū)域精確的數(shù)字表面模型和數(shù)字高程模型不可替代的技術(shù)方法，在解決選址問(wèn)題中發(fā)揮關(guān)鍵作用；

4）本文未加區(qū)別地對(duì)全域林區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址。而在實(shí)際應(yīng)用中，可以針對(duì)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，進(jìn)一步細(xì)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的全局部署；

5）未監(jiān)測(cè)區(qū)可以借助無(wú)人機(jī)進(jìn)行覆蓋。無(wú)人機(jī)還可實(shí)現(xiàn)周期性影像采集，實(shí)現(xiàn)森林資源“一張圖”的更新，對(duì)森林資源的管理和保護(hù)至關(guān)重要[15]。