面向森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害信息快速協(xié)同感知技術(shù)研究

李 穎，李曉萌，陳 雨，逯宛珍，司博章

（北京時(shí)代凌宇科技股份有限公司，北京 100012）

0 引言

森林是動(dòng)植物賴以生存的家園，是人類生存發(fā)展極其寶貴的自然資源之一。近年來，隨著氣候變暖和極端天氣增多，全球進(jìn)入了森林火災(zāi)高發(fā)期。森林火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、危險(xiǎn)性高的特點(diǎn)，是發(fā)生最頻繁、處置最困難、危害最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，給生態(tài)系統(tǒng)和人們的生產(chǎn)生活造成了極大的破壞[1]。

森林火災(zāi)因其發(fā)生、發(fā)展的路徑、影響、結(jié)果均具有相當(dāng)強(qiáng)的不可預(yù)測(cè)性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置主要采用信息驅(qū)動(dòng)的“情景-應(yīng)對(duì)”策略[2]，它是一種資源約束、時(shí)間約束下的特殊決策過程，需要及時(shí)獲取準(zhǔn)確、全面的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)信息、發(fā)展態(tài)勢(shì)及應(yīng)急動(dòng)態(tài)，否則很可能會(huì)差之毫厘、謬以千里。因此，信息是應(yīng)急處置中的瓶頸，在難以預(yù)測(cè)事態(tài)趨勢(shì)時(shí)，需要快速、全面地獲取森林火災(zāi)態(tài)勢(shì)并跟蹤應(yīng)急動(dòng)態(tài)，以支持高效、科學(xué)的決策行動(dòng)[3]。然而，在當(dāng)前面向森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急處置過程中，現(xiàn)場(chǎng)信息快速協(xié)同感知、融合與集成展示仍然與實(shí)際需求存在較大差距[4-5]，具體有以下表現(xiàn)。

（1）物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同感知是面向森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置信息獲取的重要途徑，但是目前缺乏物聯(lián)網(wǎng)跨領(lǐng)域、分層次信息融合和感知研究，因而難以實(shí)現(xiàn)信息綜合感知與融合協(xié)同認(rèn)知分析研究，無法為森林火災(zāi)信息提取和分析提供快速、全面 的數(shù)據(jù)支撐。

（2）在森林火災(zāi)應(yīng)急管理領(lǐng)域，不同的系統(tǒng)在硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面不盡相同，各類異構(gòu)系統(tǒng)日益增多，數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)多源、異構(gòu)特征。而開放式災(zāi)害信息松耦合集成是針對(duì)多源、異構(gòu)災(zāi)害信息集成需求以及全過程災(zāi)害信息融合與展示，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)泛在接入、多種傳感器協(xié)議適配的開放平臺(tái)，但是目前缺乏針對(duì)深度縱向覆蓋的行業(yè)應(yīng)用平臺(tái)。

因此，為解決森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置中的瓶頸問題，本文以物聯(lián)網(wǎng)共性支撐平臺(tái)為基礎(chǔ)環(huán)境，構(gòu)建集前端感知信息、專業(yè)信息、地理信息于一體的森林火災(zāi)快速協(xié)同感知系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地理數(shù)據(jù)、救援資源、環(huán)境氣象、氣體數(shù)據(jù)、植被覆蓋及視頻數(shù)據(jù)等的快速感知和查詢，并進(jìn)行信息融合與集成展示。

1 研究目標(biāo)

本文以物聯(lián)網(wǎng)共性支撐平臺(tái)為基礎(chǔ)環(huán)境，基于開放式多源災(zāi)害信息松耦合集成技術(shù)，研究并構(gòu)建森林火災(zāi)快速協(xié)同感知系統(tǒng)。一方面，將從共性層面解決森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)多源信息快速協(xié)同感知、融合與集成展示，這些問題的突破將顯著提升面向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置的森林火災(zāi)快速協(xié)同感知能力，為形成“優(yōu)化、協(xié)同、高效”的應(yīng)急能力體系提供重要的技術(shù)支持保障；另一方面，將建立一個(gè)森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息獲取、融合與集成展示的服務(wù)環(huán)境，保障災(zāi)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的“可知、可查、可視”，為形成上下聯(lián)動(dòng)、平戰(zhàn)結(jié)合、協(xié)同感知、反應(yīng)靈敏、統(tǒng)一指揮的應(yīng)急管理體制奠定基礎(chǔ)，最終為北京建設(shè)國際一流和諧宜居之都、國家京津冀協(xié)同發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施提供強(qiáng)大的城市安全保障。

2 森林火災(zāi)快速協(xié)同感知協(xié)同系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后，在系統(tǒng)中錄入警情信息，定位火災(zāi)事故位置，根據(jù)事故位置分析周邊資源分布情況，并查看事故點(diǎn)周邊道路、植被覆蓋、客流量、氣象和氣體情況，為滅火行動(dòng)提供相關(guān)數(shù)據(jù)從而輔助決策。同時(shí)，后臺(tái)指揮人員可隨時(shí)在GIS地圖上繪制出景區(qū)范圍內(nèi)所有視頻探頭Poi點(diǎn)，針對(duì)視頻Poi點(diǎn)多的情況，可以通過離線搜索功能，搜索要查看的視頻探頭名稱，查詢結(jié)果在下列列表中展示，選中某一視頻并雙擊，則自動(dòng)定位到視頻Poi點(diǎn)所在的位置，雙擊Poi點(diǎn)可實(shí)時(shí)預(yù)覽視頻畫面。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

森林火災(zāi)快速協(xié)同感知系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)展示、統(tǒng)計(jì)及檢索功能，具體包括邊道路分析、救援資源統(tǒng)計(jì)、景區(qū)降雨量統(tǒng)計(jì)、植被情況展示、客流量統(tǒng)計(jì)、地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)視頻展示、遙感影像分析、全文檢索、資源圖層及業(yè)務(wù)操作等。系統(tǒng)界面如圖1所示。

圖1 森林火災(zāi)快速協(xié)同感知系統(tǒng)界面

2.2.1 展示功能

展示功能主要包括周邊道路展示、遙感影像展示以及多路視頻展示。

（1）周邊道路展示。對(duì)接百度在線地圖，分別以混合圖/矢量圖的形式進(jìn)行展示，用于查詢火險(xiǎn)區(qū)域周邊道路，查看道路擁堵情況。

（2）遙感影像展示。系統(tǒng)對(duì)接高景一號(hào)衛(wèi)星遙感影像、谷歌地球高清衛(wèi)星影像，同時(shí)加載全國12.5 m高程DEM數(shù)據(jù)，更加直觀生動(dòng)地展示三維遙感影像。

（3）多路視頻展示。實(shí)時(shí)展示火險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)高清攝像頭監(jiān)控視頻，實(shí)現(xiàn)四路視頻定時(shí)輪播，多路視頻時(shí)則滾動(dòng)播放。

2.2.2 統(tǒng)計(jì)功能

系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)功能主要完成對(duì)火險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)救援資源、降雨量、植被（喬木、灌木）、客流量及地質(zhì)災(zāi)害等信息的統(tǒng)計(jì)，并以餅圖、柱狀圖等形式直觀展示。

（1）救援資源統(tǒng)計(jì)。分類展示火險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)目前配置的救援人員、消防人員、救援指揮車輛、滅火彈、滅火風(fēng)力機(jī)等不同救援資源的類型和數(shù)量。

（2）景區(qū)降雨量統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)對(duì)接氣象局平臺(tái)，并且定時(shí)從氣象局平臺(tái)上抽取數(shù)據(jù)并分時(shí)段展示火險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)降雨量情況。

（3）植被情況。對(duì)火險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的喬木和灌木進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)，并以餅狀圖的形式展示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

（4）客流量統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)對(duì)接火險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)閘門數(shù)據(jù)，按1 h間隔對(duì)8時(shí)～18時(shí)內(nèi)客流量分別以柱狀圖或折線圖的形式展示統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

（5）地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)。對(duì)火險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的山體滑坡、森林火災(zāi)、暴雨、地震、泥石流等自然災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并以雷達(dá)圖的形式進(jìn)行展示。

2.2.3 檢索功能

檢索功能主要有全文檢索、資源圖層模塊以及業(yè)務(wù)操作模塊。

（1）全文檢索。全文檢索包括在線POI檢索和離線資源檢索。在線POI檢索是對(duì)輸入的關(guān)鍵詞進(jìn)行查詢，根據(jù)用戶選擇的查詢結(jié)果自動(dòng)定位到衛(wèi)星地圖的目標(biāo)位置處。離線資源檢索則針對(duì)接入系統(tǒng)的本地資源信息，如救援人員、救援車輛、固定式氣象站、視頻探頭等，根據(jù)關(guān)鍵詞自動(dòng)定位至遙感影像的目標(biāo)位置處；同時(shí)，在目標(biāo)位置處還可通過氣泡面板或詳情面板查看本地資源的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)之上，固定式氣象站資源還增加了圖線展示功能，對(duì)溫度、濕度、硫化氫、氯氣、甲烷、二氧化硫、氣壓、風(fēng)速8種環(huán)境指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制曲線，從而更加直觀地展示火險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)環(huán)境信息的變化，如圖2所示。

圖2 環(huán)境氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

（2）資源圖層模塊。資源圖層模塊以樹狀列表的形式展示目前已接入系統(tǒng)的各類資源，包括救援人員、救援車輛、視頻探頭、氣象站、學(xué)校資源、基礎(chǔ)設(shè)施、道路、建筑等。用戶可以單選或者多選其中的資源，在氣泡面板或者詳情面板中查看各項(xiàng)監(jiān)測(cè)信息。

（3）業(yè)務(wù)操作模塊。業(yè)務(wù)操作模塊可實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息錄入、資源空間分析、周邊資源查詢以及歷史信息查詢。

報(bào)警信息單錄入界面包括報(bào)警人基本信息、報(bào)警事件、火災(zāi)位置及火勢(shì)描述等。其中，地址搜索功能可以根據(jù)關(guān)鍵詞搜索火災(zāi)位置，并自動(dòng)在地圖上定位搜索結(jié)果。此外，取坐標(biāo)功能可以搜索結(jié)果自動(dòng)獲取火災(zāi)位置的經(jīng)緯度值，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

資源空間分析實(shí)現(xiàn)在地圖展示界面上繪制任意矩形框，并從資源推薦列表選擇一種或者多種資源，可清晰直觀地查看不同資源的分布位置和各類資源的監(jiān)測(cè)信息，如圖3所示。

圖3 資源空間分析

周邊資源查詢實(shí)現(xiàn)在限定的1 km、3 km、 5 km范圍的資源查詢，系統(tǒng)可根據(jù)用戶選擇的搜索范圍和資源類型，在地圖展示界面疊加多種資源并查看不同資源的監(jiān)測(cè)信息。

歷史報(bào)警信息列表可查詢3 h、6 h、12 h、 24 h內(nèi)記錄的報(bào)警事件，當(dāng)報(bào)警信息單超過10條時(shí)，信息單將會(huì)循環(huán)滾動(dòng)展示。

3 結(jié)語

本文以森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置作為典型事件，通過研究面向森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害信息快速協(xié)同感知技術(shù)，建立了森林火災(zāi)快速協(xié)同感知系統(tǒng)，完成森林火災(zāi)突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)快速、準(zhǔn)確、全面的信息獲取，形成森林火災(zāi)前端感知信息、專業(yè)信息、地理信息等多源信息有機(jī)結(jié)合的立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置中科學(xué)、高效的決策分析奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。