一种基于多平台的森林草原火险监测预警方法和装置与流程

1.本发明涉及森林草原资源与环境保护技术领域，具体而言涉及一种基于多平台的森林草原火险监测预警方法和装置。


背景技术：

2.全球气候变化导致的森林草原火灾日益严重，重大森林草原火灾的控制之所以尚是世界性的难题，最关键的问题是人们对发生森林草原火灾的风险缺少有效的监测和预警，以至于不能够及早发现小火，因发现较迟使得小火蔓延成无法控制的大火，甚至成为一场灾难。
3.森林草原火灾的监测与预警是防止森林火灾发生的重要任务之一，通常把森林草原火灾的监测与预警合二为一，视为预防工作的重要环节。根据森林草原火险指标、火行为特征和可能造成的危害程度，将森林草原火险预警级别划分为四个等级，由高到低依次用红色、橙色、黄色和蓝色表示，具体分级标准按照有关规定执行。显然，森林草原火灾的监测是预警的基础，预警是监测结果的集中体现。研究森林草原火灾监测预警方法本质是对森林草原火灾的监测方法进行研究，在监测的基础上给出预警。
4.目前森林草原火灾监测预警的方法通常可划分4个空间层次：(1)地面巡护(人力或借助交通工具)；(2)瞭望台瞭望及视频(远程)监测；(3)航空护林(有人驾驶的飞机、无人机、或其他飞行器等)；(4)卫星监测。所使用的监测预警方法基本上是“各自为政”，其支撑技术和手段通常也是单一的，尚未见多平台支撑的森林草原火灾监测预警方法。此外，这 4个空间层次的森林草原火灾监测预警方法，各自只能解决森林草原火灾监测预警所需的某一个方面的问题，各有优势，也各有缺陷。因此，基于多平台的森林草原火灾监测预警方法在实践中更为急需。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于多平台的森林草原火险监测预警方法和装置，完成了多平台的融合，同时在融合后的多平台基础上实现了效果更好的监控预警方法。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.第一方面，本发明实施例提出了一种基于多平台的森林草原火险监测预警方法，所述监测预警方法包括以下步骤：
8.针对目标森林草原，分别采用森林草原火险天气因子监测子平台、森林草原可燃物燃烧性监测子平台、手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台中的多个或者全部进行监测；其中，森林草原火险天气因子监测子平台的预警指标至少包括地表土壤水分，森林草原可燃物燃烧性监测子平台、手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台的预警指标至少包括地表可燃物含水率；
9.根据手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台监测到的地表可燃物含水率计算得到目标森林草原的地表可燃物平均含水率；
10.根据目标森林草原的土壤和可燃物之间的关联特性，将森林草原火险天气因子监测子平台测定的地表土壤水分、森林草原可燃物燃烧性监测子平台测定的地表可燃物含水率和手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的地表可燃物平均含水率统一处理成定量指标：地表含水率，并计算得到目标森林草原的地表含水率；
11.结合地表含水率，以及森林草原火险天气因子监测子平台、森林草原可燃物燃烧性监测子平台、手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的其他预警指标，对目标森林草原进行预警等级评估。
12.可选地，所述森林草原火险天气因子监测子平台测定的预警指标至少包括环境温度、估测大气湿度、地表土壤水分和估测风力等级；
13.所述森林草原可燃物燃烧性监测子平台测定的预警指标至少包括地表可燃物含水率和地表可燃物燃点；
14.所述手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的预警指标至少包括地表可燃物含水率和温度状态指数。
15.可选地，所述监测预警方法还包括：
16.对于手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的相同性质的预警指标，结合手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台的监测精度加权求取平均值。
17.可选地，所述监测预警方法还包括：
18.根据目标森林草原的地域特性，对所有预警指标进行组合，分别从环境角度、可燃物角度、环境和可燃物综合角度，以及温度状态指数角度四个方向，对目标森林进行分区域预警，获取每个区域的四种初步预警结果；
19.结合获取的每个区域的初步预警结果，计算得到目标森林草原的总预警等级。
20.可选地，获取每个区域的四种初步预警结果的过程包括以下步骤：
21.设定多个初步预警等级；
22.从四个预警方向，对目标森林草原进行分区域预警：
23.(1)结合季节、环境温度和估测大气湿度，对目标森林草原进行分区域预警，得到每个区域的初步预警等级；
24.(2)结合季节、地表死可燃物含水率、估测风力等级和估测大气湿度，对目标森林草原进行分区域预警，得到每个区域的初步预警等级；
25.(3)根据地表可燃物燃点，对目标森林草原进行分区域预警，得到每个区域的初步预警等级；
26.(4)根据温度状态指数，对目标森林草原进行分区域预警，得到每个区域的初步预警等级。
27.可选地，结合获取的每个区域的初步预警结果，计算得到目标森林草原的总预警等级的过程包括以下步骤：
28.为每个初步预警等级赋值，初步预警等级越高赋值越大；
29.针对四个预警方向，分别统计与每个初步预警等级相对应的区域个数a
ij
，j是预警方向类型，j＝1，2，3，4，i是初步预警等级，i＝1，2，...，n；n是初步预警级别总数；
30.计算每个初步预警等级对应的区域总数a
i
，
31.结合目标森林草原的地域特性和每个初步预警等级对应的区域总数a
i
，得到目标森林草原的最终预警等级yj：
[0032][0033]
式中，f
i
是第i级初步预警等级对应的分值，取值取决于目标森林草原的地域特性。
[0034]
第二方面，本发明实施例提出了一种基于多平台的森林草原火险监测预警装置，所述监测预警装置包括：
[0035]
森林草原火险天气因子监测子平台；
[0036]
森林草原可燃物燃烧性监测子平台；
[0037]
手持高光谱森林草原火险监测子平台；
[0038]
小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台；
[0039]
平均含水率计算模块，用于根据手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台监测到的地表可燃物含水率计算得到目标森林草原的地表可燃物平均含水率；
[0040]
地表含水率计算模块，用于根据目标森林草原的土壤和可燃物之间的关联特性，将森林草原火险天气因子监测子平台测定的地表土壤水分、森林草原可燃物燃烧性监测子平台测定的地表可燃物含水率和手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的地表可燃物平均含水率统一处理成定量指标：地表含水率，并计算得到目标森林草原的地表含水率；
[0041]
预警模块，用于结合地表含水率，以及森林草原火险天气因子监测子平台、森林草原可燃物燃烧性监测子平台、手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的其他预警指标，对目标森林草原进行预警等级评估。
[0042]
本发明的有益效果是：
[0043]
(1)本发明定量化使用单一指标初步确定的森林草原火险初步预警等级，并最终求算出一个预警等级，即向社会发布的森林草原火险预警等级。本发明解决了不同指标初步确定预警等级的差异，在确定最终预警等级得分加大了高等级的贡献，确保实践中避免“把高火险预报为低火险”。
[0044]
(2)本发明完成了多平台的融合，同时在融合后的多平台基础上实现了效果更好的监控预警方法。
附图说明
[0045]
图1是本发明实施例的基于多平台的森林草原火险监测预警方法流程图。
[0046]
图2为本发明实施例的基于多平台的森林草原火险监测预警装置结构示意图。
[0047]
图3为本发明实施例的森林草原火险天气因子监测子平台结构示意图。
[0048]
图4为本发明实施例的森林草原可燃物燃烧性监测子平台的监测原理示意图。
具体实施方式
[0049]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0050]
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0051]
实施例一
[0052]
图1是本发明实施例的基于多平台的森林草原火险监测预警方法流程图。参见图1，该监测预警方法包括以下步骤：
[0053]
第一方面，本发明实施例提出了一种基于多平台的森林草原火险监测预警方法，所述监测预警方法包括以下步骤：
[0054]
步骤一、针对目标森林草原，分别采用森林草原火险天气因子监测子平台、森林草原可燃物燃烧性监测子平台、手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台中的多个或者全部进行监测；其中，森林草原火险天气因子监测子平台的预警指标至少包括地表土壤水分，森林草原可燃物燃烧性监测子平台、手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台的预警指标至少包括地表可燃物含水率。
[0055]
如图3所示，森林草原火险天气因子监测子平台：采用基于无线传输物联网技术构建。图3中，各类plc(可编程逻辑控制器)、rtu(远程控制单元)、传感器等，可以根据实际需要选配。但温湿度传感器(温度传感器、湿度传感器)、地表土壤(0～5cm内)水分传感器、风速传感器是最基本的配置。因此，森林草原火险天气因子监测子平台测定的预警指标至少包括环境温度、估测大气湿度、地表土壤水分和估测风力等级。
[0056]
如图4所示，森林草原可燃物燃烧性监测子平台测定的预警指标至少包括地表可燃物含水率和地表可燃物燃点。
[0057]
手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的预警指标至少包括地表可燃物含水率和温度状态指数(tci)。由于手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台的测定原理相似，因此，对于手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的相同性质的预警指标，结合手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台的监测精度加权求取平均值。例如，根据手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台监测到的地表可燃物含水率计算得到目标森林草原的地表可燃物平均含水率。
[0058]
步骤二、根据目标森林草原的土壤和可燃物之间的关联特性，将森林草原火险天气因子监测子平台测定的地表土壤水分、森林草原可燃物燃烧性监测子平台测定的地表可燃物含水率和手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的地表可燃物平均含水率统一处理成定量指标：地表含水率，并计算得到目标森林草原的地表含水率。
[0059]
对于预警指标各不相同的多平台来说，由于预警指标不同，预警机制也是千差万
别，这也是传统技术方案中无法将前述四个平台进行融合的根本原因。因此，为了确保融合效果，本实施例从四个平台的预警指标中选取了含水率(水分)作为连接指标，森林草原可燃物燃烧性监测子平台测定的地表可燃物含水率和手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的地表可燃物平均含水率可视为相同的预警指标，森林草原火险天气因子监测子平台测定的地表土壤水分(0～5cm)则需要结合目标森林草原的土壤和可燃物之间的关联特性进行转化。图4为本发明实施例的森林草原可燃物燃烧性监测子平台的监测原理示意图，将地表可燃物的种类分为灌木、草本植物和死地被物三种，应当理解，地表可燃物包含但不限于前述三种，并且不同森林草原的地表可燃物不相同，例如，对于长白山林区来说，最主要的地表可燃物是落叶松林等，而在其他林区，则不一定如此。
[0060]
在本实施例中，地表含水率的基础仍然是直接引起火灾的可燃物含水量，只是需要结合林区特性，将地表土壤水分和可燃物含水量的测定值统一折算成另一种用于表达可燃物含水量的地表含水率，以完成多平台的融合。不同地表可燃物的含水量与土壤水分的关系取决于可燃物本身的吸水特性。假设一个森林草原的可燃物包括死地被物和苔藓，对于死地被物来说，土壤水分会提供其呈分解或半分解状态的下层结构物以充足的水分，提高其含水量，类似的，地表土壤水分会提供林地苔藓以充足的水分，确保其含水量，此时可以根据死地被物和林地苔藓的吸水特性，将测定的地表土壤水分和死地被物、林地苔藓的可燃物含水率统一折算成地表含水率。但是生长在树皮、树枝上的苔藓由于其易干燥的特性，常是引起常绿树树冠着火的危险可燃物，但其与地表土壤水分关系不大，对这部分可燃物含水率折算时，应当单独处理。在泥态苔藓多的地方，在地表土壤水分低的时候，也有发生地下火的可能。也就是说，当地表可燃物里含有泥态苔藓时，地表土壤水分与地表可燃物含水率的关系会更加紧密，在折算时，应该多考虑地表土壤水分的影响。
[0061]
步骤三、结合地表含水率，以及森林草原火险天气因子监测子平台、森林草原可燃物燃烧性监测子平台、手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的其他预警指标，对目标森林草原进行预警等级评估。
[0062]
具体的，根据目标森林草原的地域特性，对所有预警指标进行组合，分别从环境角度、可燃物角度、环境和可燃物综合角度，以及温度状态指数角度四个方向，对目标森林进行分区域预警，获取每个区域的四种初步预警结果；
[0063]
结合获取的每个区域的初步预警结果，计算得到目标森林草原的总预警等级。
[0064]
示例性地，获取每个区域的四种初步预警结果的过程包括以下步骤：
[0065]
设定多个初步预警等级；
[0066]
从以下几个预警方向，对目标森林草原进行分区域预警：
[0067]
(1)结合季节、环境温度和估测大气湿度，对目标森林草原进行分区域预警，得到每个区域的初步预警等级。表1是本实施例的温湿度对应的森林草原火险预警等级分级表。
[0068]
表1温湿度对应的森林草原火险预警等级
[0069][0070]
(2)结合季节、地表死可燃物含水率、估测风力等级和估测大气湿度，对目标森林草原进行分区域预警，得到每个区域的初步预警等级。表2是本实施例的地表含水率对应的森林草原火险预警等级分级表。
[0071]
表2地表含水率对应的森林草原火险预警等级
[0072]
[0073][0074]
在一些例子中，也可以单独根据风速或者风力等级，对目标森林草原进行分区预警。表 3是风速(风力等级)对应的森林草原火险预警等级分级表。
[0075]
表3是本实施例的风速(风力等级)对应的森林草原火险预警等级分级表。
[0076]
表3风速(风力等级)对应的森林草原火险预警等级
[0077][0078]
(3)根据地表可燃物燃点，对目标森林草原进行分区域预警，得到每个区域的初步预警等级。表4是本实施例的地表可燃物的燃点对应的森林草原火险预警等级分级表。
[0079]
表4地表可燃物的燃点对应的森林草原火险预警等级
[0080]
[0081][0082]
(4)根据温度状态指数，对目标森林草原进行分区域预警，得到每个区域的初步预警等级。表5是本实施例的tci对应的预警等级分级表。
[0083]
表5 tci对应的预警等级
[0084]
tci指数预警等级≤30红色(a)31～45橙色(b)46～55黄色(c)≥56蓝色(d)
[0085]
由前述例子可知，本实施例将初步预警等级分为四级：红色、橙色、黄色和蓝色。应当理解，在实际应用中，还可以根据具体需求设置其他数量的预警分级。
[0086]
在此基础上，结合获取的每个区域的初步预警结果，计算得到目标森林草原的总预警等级的过程包括以下步骤：
[0087]
为每个初步预警等级赋值，初步预警等级越高赋值越大。
[0088]
针对四个预警方向，分别统计与每个初步预警等级相对应的区域个数a
ij
，j是预警方向类型，j＝1,2,3,4，i是初步预警等级，i＝1,2,
…
,n；n是初步预警级别总数。
[0089]
计算每个初步预警等级对应的区域总数a
i
，
[0090]
结合目标森林草原的地域特性和每个初步预警等级对应的区域总数a
i
，得到目标森林草原的最终预警等级yj：
[0091][0092]
式中，f
i
是第i级初步预警等级对应的分值，取值取决于目标森林草原的地域特性。
[0093]
假设对“红色(a)、橙色(b)、黄色(c)和蓝色(d)”四个初步预警等级分别赋值 20、15、10和5，详见表6。
[0094]
表6四个森林草原火险初步预警等级的赋值
[0095][0096][0097]
应当理解，这只是为了便于说明本实施例技术方案的一个简单的例子，在实际应用中，初步预警等级对应的分值取决于目标森林草原的地域特性，比如火灾的蔓延速度和
蔓延深度。如果某森林一旦发生火灾，覆盖范围广，扑灭难度大，受损严重，其对应的分值会相应的更高一些。
[0098]
采用下式求算出最终预警等级得分(yj)：
[0099][0100]
式中：yj为森林草原火险最终预警等级得分值；a1为初步预警等级是红色(a)的个数； a2为初步预警等级是橙色(b)的个数；a3为初步预警等级是黄色(c)的个数；a4为初步预警等级是蓝色(d)的个数。
[0101]
最终预警等级，也就是向社会发布的预警等级由表7查得。
[0102]
表7四个森林草原火险最终预警等级的查定
[0103]
最终预警等级代表符号yj(分)红色a1.2～2.0橙色b0.9～1.1黄色c0.7～0.8蓝色d0.5～0.6
[0104]
由此可见，本发明既可以单个平台单指标开展森林草原火险监测预警，又可以单平台多指标开展森林草原火险监测预警。本发明能够确保实践中避免“把高火险预报为低火险”，当 5个初步预警等级出现较高等级时，最终的预警等级会有比例的上浮：例如，初步预警等级出现4个黄色1个红色时，实践中通常吧红色作为异常值，预报为黄色，但本发明yj＝1.6，越级提到了红色，提醒有关部门按照最高等级预防森林火灾。再如：初步预警等级出现2个蓝色1个黄色1个橙色1个红色时，森林草原防火实践中是最难决策的，但本发明yj＝1.1，确定了橙色预警等级，为森林草原防火实践决策提供依据。本发明能够准确、及早提出森林草原火险预警，及早防范，能够确保当地不发生重大森林火灾，做到“有火不成灾”，有利于保护生态环境安全，使森林草原资源和人民生命财产不受破坏和损失。
[0105]
实施例二
[0106]
图2为本发明实施例的基于多平台的森林草原火险监测预警装置结构示意图。参见图3，该监测预警装置包括森林草原火险天气因子监测子平台、森林草原可燃物燃烧性监测子平台、手持高光谱森林草原火险监测子平台、小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台、平均含水率计算模块、地表含水率计算模块和预警模块。
[0107]
平均含水率计算模块，用于根据手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台监测到的地表可燃物含水率计算得到目标森林草原的地表可燃物平均含水率。
[0108]
地表含水率计算模块，用于根据目标森林草原的土壤和可燃物之间的关联特性，将森林草原火险天气因子监测子平台测定的地表土壤水分、森林草原可燃物燃烧性监测子平台测定的地表可燃物含水率和手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光谱森林草原火险监测子平台测定的地表可燃物平均含水率统一处理成定量指标：地表含水率，并计算得到目标森林草原的地表含水率。
[0109]
预警模块，用于结合地表含水率，以及森林草原火险天气因子监测子平台、森林草原可燃物燃烧性监测子平台、手持高光谱森林草原火险监测子平台和小型无人机机载高光
谱森林草原火险监测子平台测定的其他预警指标，对目标森林草原进行预警等级评估。
[0110]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。