文|武紅敢 田曉瑞 付立紅 王學明
1.中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所
2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)實驗室
3.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護研究所
4.天津市薊州區(qū)林業(yè)局
5.知曉(北京)通信科技有限公司
森林火災是當前世界面臨的重要自然災害和突發(fā)公共安全事件,森林大火會給森林資源、生態(tài)安全和人民生命財產(chǎn)安全帶來嚴重破壞[1]。2010—2019年十年間,我國年均發(fā)生森林火災3789次,年均過火面積4.85萬公頃。森林火災以一般火災和較大火災為主,中部和南部地區(qū)較多,但2017年5月內(nèi)蒙古大興安嶺畢拉河森林大火過火面積達1.15萬公頃。我國每年的撲火經(jīng)費和火災造成的其他損失超1億元,其中2014年超過5億元。每年都會有超過20人因森林火災不幸罹難[2]。保護森林資源和森林防火一直是國家林草局的重要任務之一,全國林草系統(tǒng)堅持不懈地按照“預防為主、積極消滅”的原則,壓實森林防火責任,重點加強火源管控、消防隊伍建設和基礎設施建設,穩(wěn)步提升森林防滅火工作的專業(yè)化、信息化和智能化,扎實推進人防、物防和技防體系建設,不斷提高森林火災綜合防控能力,確保不發(fā)生重特大森林火災,維護生態(tài)安全。
林火監(jiān)測與預警是防災減災的首要環(huán)節(jié)。為推進森林草原火災預警監(jiān)測工作高質(zhì)量發(fā)展,我國正在制定全國短期(2023年)、中期(2025年)和長期(2035年)森林草原預警監(jiān)測體系建設規(guī)劃,推動新一代信息技術(shù)與森林草原火災預警監(jiān)測深度融合,優(yōu)化預警監(jiān)測的組織、業(yè)務和技術(shù)體系,全面提升預警監(jiān)測能力,為構(gòu)建森林草原防滅火工作新格局提供有力保障。
2020年7月31日,我國北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通,標志著北斗系統(tǒng)進入到全球服務新時代,也為我國經(jīng)濟社會發(fā)展提供了重要時空信息保障。森林火災的精準預防、監(jiān)測和高效撲救都需要高精度的時空動態(tài)數(shù)據(jù)做保障,因此北斗系統(tǒng)在我國林火監(jiān)測與預警工作中得到廣泛深入應用。
我國在森林草原火災防控方面始終堅持統(tǒng)籌規(guī)劃、上下聯(lián)動、協(xié)同推進、科技賦能和創(chuàng)新發(fā)展的原則,這種縱橫聯(lián)調(diào)、協(xié)同聯(lián)動的工作機制和信息共享共用制度推動了各級林火管理部門的能力發(fā)展,加快了新技術(shù)、新設備、新系統(tǒng)的落地和成果推廣,其專業(yè)化、科學化、精細化和智能化水平不斷提升。時空動態(tài)數(shù)據(jù)的及時獲取與傳輸是火險預警和火情監(jiān)測的基礎,也是各級防火部門開展林火管理的決策依據(jù)。基于空間位置和時間動態(tài)的林草專題信息感知需要導航定位、授時和短報文服務的支撐,北斗亞太區(qū)域的RNSS和RDSS優(yōu)質(zhì)服務全面提升了我國獲取火災預警監(jiān)測數(shù)據(jù)的能力。
國家主管部門為地方各級林火管理部門提供平臺、基本預報模型、數(shù)據(jù)標準及火險預測預報信息,各省研發(fā)符合本區(qū)域特點的精細化預報模型,市縣級利用相關(guān)感知系統(tǒng)和火險因子采集設備開展科學數(shù)據(jù)收集。
國家主管部門匯聚全國各類監(jiān)測的動態(tài)信息,及時發(fā)現(xiàn)和分析火災風險,實現(xiàn)對重點區(qū)域的全天候、高時空分辨率的連續(xù)監(jiān)測,實時掌握火災態(tài)勢;各省利用“天-空-地-網(wǎng)”等監(jiān)測手段加強監(jiān)測頻次、提高監(jiān)測粒度和傳輸能力,提升火情監(jiān)測覆蓋度、準確率和核查反饋率。
狹義地理解,北斗終端就是利用北斗衛(wèi)星公共信號來定位的一種GNSS產(chǎn)品。在行業(yè)應用中,它是特指基于國產(chǎn)北斗基礎產(chǎn)品(如基帶/視頻芯片、模塊、天線、板卡、北斗三號民用基礎產(chǎn)品推薦目錄等)研制的具備北斗定位或北斗短報文收發(fā)通信的終端設備。
雖然北斗系統(tǒng)和GPS、GLONASS、Galileo等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)都可以為海陸空任意位置的用戶提供全天時、全天候的導航、定位、授時等服務,但我國的北斗系統(tǒng)還具有短報文通信的獨特服務,為無地面通信環(huán)境下的即時數(shù)據(jù)采集與人員安全保障提供了技術(shù)手段。由于北斗系統(tǒng)采用三種軌道的混合衛(wèi)星星座,因此中國及其周邊區(qū)域可以享用更為優(yōu)質(zhì)的服務能力。森林草原火災的偏遠性、突發(fā)性和隨機性特點,決定了森林草原火災的高效防控需要高頻次時空數(shù)據(jù)的保障,這也是北斗系統(tǒng)得到深度應用的重要緣由。根據(jù)北斗終端在森林草原火災防控領域的應用狀態(tài)的差異,對北斗林火監(jiān)管產(chǎn)品按動態(tài)和靜態(tài)兩種應用場景分別予以介紹。
移動載體設備主要指北斗設備安裝或配置在飛機(包括無人機)、飛艇、人等移動平臺,實現(xiàn)對這些移動目標的實時定位、導航和數(shù)據(jù)通信。因數(shù)據(jù)采集和使用目標差異,產(chǎn)品的實用性和專業(yè)性不同決定了這些設備在功能、性能、技術(shù)指標和集成度等方面存在顯著差異。
(1)北斗定位器
多為穿戴式便攜裝備,具備支持北斗定位、可預設頻度自動上報位置數(shù)據(jù)、主動發(fā)送當前位置、4G網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸、一鍵SOS、提示音播報、文字消息轉(zhuǎn)語音播報、離線補點、LED設備狀態(tài)指示等基本數(shù)據(jù)采集服務功能(圖1)。這些設備小型便攜,操作簡單快捷,開機即自動進行位置上報,可以為后方管理平臺提供作業(yè)人員的實時位置?;鶎幼o林員、生態(tài)員和網(wǎng)格員配置這些裝備,就可以更好地落實管護責任,完成管護任務,還有助于績效考核方面的精細化和信息化管理。遇到突發(fā)事件時,能一鍵報警發(fā)送緊急求救信號并上報衛(wèi)星定位信息,為營救人員提供準確的地理位置。
圖1 便攜式北斗定位器
(2)北斗通信器
支持北斗+GPS定位,可以一鍵SOS呼救;支持位置信息一鍵標記,一鍵發(fā)送;支持軌跡記錄、連續(xù)位置上報;內(nèi)置語音壓縮模塊,支持短報文發(fā)送/播放語音消息;內(nèi)置低功耗藍牙模塊,藍牙連接APP實現(xiàn)文字、圖片消息編輯、查閱、發(fā)送;北斗三號區(qū)域短報文通信可達1000個漢字,在無公網(wǎng)信號覆蓋區(qū)域既能讓用戶保持與同行隊友的溝通協(xié)作,又能與外界保持聯(lián)系。這類設備多為工業(yè)級三防產(chǎn)品,具有外形小巧便攜、待機時間長、質(zhì)量輕、應用功能豐富等特點,可以滿足野外通信盲區(qū)的即時數(shù)據(jù)采集需求。
(3)北斗對講終端
實現(xiàn)專網(wǎng)和公網(wǎng)對講合一,支持其他多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務的應用,包括WiFi、藍牙、拍照、視頻、NFC等(圖2)。先進的降噪技術(shù)和高功率揚聲器可讓用戶即使身處嘈雜惡劣的環(huán)境中依然有良好的通話體驗。用戶可根據(jù)呼叫需求在群組聯(lián)系人中實現(xiàn)個呼、組呼,不同級別的話權(quán)設定對應不同的通話優(yōu)先級;同時有緊急報警鍵可隨時觸發(fā),按設定緊急呼叫指定聯(lián)系人并發(fā)送北斗定位信息。該設備的內(nèi)置BDS模塊和網(wǎng)絡GNSS實現(xiàn)位置服務功能,同時可根據(jù)后端平臺系統(tǒng)設定的位置上報間隔要求定時上傳終端用戶的實時位置。
圖2 便攜式北斗對講機
(4)北斗智能終端
北斗智能終端主要指手持智能型終端,它集成國產(chǎn)BDS/GPS雙模定位模塊,支持2G/3G/4G多種移動通信網(wǎng)絡制式,提供語音通信和數(shù)據(jù)通信功能,支持林草即時數(shù)據(jù)及圖片、影像、文字等采集功能,能裝載各類業(yè)務應用程序[3]。若選配RD短報文通信功能,就成為手持智能RD終端。該類設備在我國林草行業(yè)得到廣泛應用,目前已經(jīng)配備10余萬臺。
(5)北斗車載便攜指揮終端
指集成北斗定位、北斗短報文通信、北斗指揮管理功能和自動位置報告的綜合服務設備,可在高寒、濕熱等氣候環(huán)境及多種地形條件下滿足應用需要,輕松應對惡劣極端環(huán)境。該類終端裝備具有開機自檢和工作狀況巡檢功能,并可實時給出故障告警和工作狀況指示,實現(xiàn)全天候、全天時的快速定位、連續(xù)導航、測速、指揮等功能。因此,它是目標采集、信息傳送、態(tài)勢共享、定位測量應用的末端裝備,全面服務于林區(qū)調(diào)度指揮、減災救災、森林巡檢等應急和日常管理業(yè)務。
(6)單兵圖傳系統(tǒng)
該系統(tǒng)可集成光電轉(zhuǎn)換、紅外熱成像、可見光、激光補光、激光測距、電子羅盤和北斗定位于一體。采用多光譜技術(shù),被動與主動相結(jié)合進行全天候偵察,具有遠距離鎖定抓拍/錄像、實時WiFi/4G回傳、目標測距、北斗定位、定向功能,還具有透霧、透墨鏡、透車膜、人臉抓拍等特殊實用功能,結(jié)合后端平臺軟件可實現(xiàn)黑白名單布控、實時AI識別、目標鎖定、跟蹤抓拍等功能。這類裝備可臨時布控用于定點監(jiān)測,也可用于移動監(jiān)測,如火場臨時布點、隱蔽監(jiān)視任務等,高效服務于林草行業(yè)火場監(jiān)控及全天候人員隱蔽蹲守監(jiān)視等工作場景。
(7)北斗飛控系統(tǒng)
近年來許多企業(yè)將無人機技術(shù)與北斗衛(wèi)星技術(shù)高度融合,自主研制了飛控系統(tǒng)和高精度GNSS定位導航模塊等核心技術(shù),極大提升了我國的航空遙感監(jiān)測領域的技術(shù)實力。采用北斗導航的無人機已被廣泛用于林火監(jiān)測和撲救領域。
由于載體位置固定,北斗的導航定位功能相對弱化,主要利用其授時和短報文通信功能。
(1)環(huán)境因子北斗感知模塊
目前廣泛采用物聯(lián)網(wǎng)感知設備采集野外的氣溫、相對濕度和風速等氣象數(shù)據(jù),這些自動獲取的氣象和可燃物信息為預測森林火險和了解火場環(huán)境提供了必要信息。北斗系統(tǒng)的短報文通信鏈路保障了這些數(shù)據(jù)在偏遠野外環(huán)境的實時遠程傳輸,為森林火險預報和科學撲救提供及時的基礎信息。
(2)北斗森林防火智能卡口系統(tǒng)
在林區(qū)重要路口、路段、重點防范區(qū)域用于野外宣傳語音、警示和安全提醒,以文字和語音方式提醒進入林區(qū)的車輛及路人,提高防火意識,減少人為火源(圖3)。車輛及路人經(jīng)過系統(tǒng)前端的紅外/雷達自動感應設備即可觸發(fā)語音播報系統(tǒng),系統(tǒng)就會以文字和語音信息對路人進行告知與宣傳,并聯(lián)動攝像機抓拍圖片并上傳到軟件平臺留存;當現(xiàn)場發(fā)生破壞設備、野外用火、亂砍亂伐等現(xiàn)象時,可通過北斗短報文等功能進行遠程喊話宣傳和威懾;設備丟失時也可通過內(nèi)置北斗定位模塊快速尋回。
圖3 智能卡口終端產(chǎn)品
(3)林火視頻智能監(jiān)控系統(tǒng)
主要指在瞭望塔(或鐵塔)上安置的可見光、紅外熱成像智能識別熱點的系統(tǒng),能對可視區(qū)域內(nèi)的火情自動掃描、識別、報警和定位,實現(xiàn)全天時、全天候的林火高效智能識別預警,并可向后端監(jiān)控中心發(fā)送報警信號,為決策指揮人員提供相關(guān)視頻信息,系統(tǒng)中北斗定位模塊可以提供位置和時間校準同步服務,已經(jīng)成為各個林區(qū)不可或缺的林火監(jiān)控手段。隨著北斗三號系統(tǒng)通信能力的顯著提升,使視頻監(jiān)測系統(tǒng)在無公網(wǎng)林區(qū)部署成為可能。
(4)北斗中心式指揮機
中心式指揮機通常部署在后方指揮中心,支持北斗RD短報文通信功能,支持有線網(wǎng)絡接入功能,可組網(wǎng)管理具備RD短報文功能的其他北斗終端的設備。這類設備在林火撲救中發(fā)揮著重要的通信指揮作用。
2015年天津市薊州區(qū)林業(yè)局建成了國內(nèi)第一套基于北斗技術(shù)的森林火災撲救指揮系統(tǒng)。該系統(tǒng)在基礎地理空間數(shù)據(jù)庫和森林防火專業(yè)數(shù)據(jù)庫基礎上,利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng),獲得實時火場前線多源動態(tài)信息,實現(xiàn)了森林防火指揮部門及時、高效調(diào)度和對人員、車輛、飛機的監(jiān)控[4]。隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展,各地林火管理部門也在實踐中不斷完善林火預警技術(shù)和深化北斗技術(shù)的融合應用。目前很多縣(區(qū))已經(jīng)初步建成了“天—空—地”一體化的森林火災精準預警監(jiān)測技術(shù)體系(或平臺),其中北斗系統(tǒng)是不可或缺的支撐技術(shù)。該體系整合了遙感監(jiān)測、北斗巡護和森林防火指揮等子系統(tǒng),關(guān)鍵信息采用北斗系統(tǒng)進行采集和傳輸,保障了火場的快速定位和及時的火場環(huán)境信息獲取,為制定科學撲火方案奠定了基礎。撲救調(diào)度指揮子系統(tǒng)還可以迅速完成撲火力量的最優(yōu)配置,縮短撲火反應時間,提高撲火效率和初始撲救成功率。其信息流程見圖4所示,雖然各類終端的布設數(shù)量與地形條件、投資力度、基礎保障條件等息息相關(guān),但都在為重點區(qū)域的全覆蓋監(jiān)測,縱向到底、橫向到邊的預警監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)匯聚與高效共享,實現(xiàn)火情預警、決策、處置響應時間從小時級縮短到分鐘級提供著堅實保障。
圖4 基于北斗系統(tǒng)的縣(區(qū))級林火防控技術(shù)體系信息流程圖
總之,天-空-地-物等協(xié)同監(jiān)管手段中的北斗模塊支撐了獲取數(shù)據(jù)的位置信息和時間同步,傳感器保障了周期性獲取時序數(shù)據(jù),并可通過指揮中心平臺轉(zhuǎn)發(fā)到各層級管理人員,準實時開展地面核實與驗證反饋。目前實施常規(guī)地面即時業(yè)務數(shù)據(jù)采集或接收上級下派核查任務的各層級管理人員,從巡護員(通風報信)、技術(shù)員(業(yè)務數(shù)據(jù)采集)、監(jiān)督員(小隊長)到專業(yè)人員(中隊長)都逐步配備了適合崗位需求的終端設備,實現(xiàn)了現(xiàn)時數(shù)據(jù)的快速采集和傳輸。
森林火災的發(fā)生與蔓延主要受可燃物、天氣、地形和火源等因素的影響,對于可燃物濕度、天氣因子和火源的監(jiān)測是森林火災預防的重要內(nèi)容。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,越來越多的傳感器用于探測野外可燃物濕度和天氣變化,這些數(shù)據(jù)的及時傳輸是開展森林火險天氣專題分析的基礎。北斗三號系統(tǒng)在導航、定位、授時和短報文通信服務能力上的大幅提升,將會成為我國森林草原火災綜合防控能力提升的重要驅(qū)動因素。北斗系統(tǒng)在林火管理領域的深度應用,將提高群眾、半專業(yè)、專業(yè)巡護人員的管護效率,讓防火巡護、火源管理、宣傳教育、監(jiān)測預警和火情處置等工作如虎添翼。