基于物联网的森林防火数据分析系统及方法

1.本发明涉及数据分析技术领域，具体为基于物联网的森林防火数据分析系统及方法。


背景技术：

2.森林是地球之肺，森林由植物群落、居住在森林里的动物和所在空间的非生物环境所构成的生态系统，森林的生命周期集演替系列长，森林的生产率高、用途多效益大，但是失去人为控制的森林火灾，会将森林多年的积蓄的林木、森林环境严重破坏，导致森林生态系统失去平衡，破坏森林的土壤的性能，改变地貌形态，森林火灾对生态的破坏是最直接的，也是最具灾害性的；大量的植物被烧毁，会造成水土流失、土地荒漠化加剧等恶劣影响，最终甚至可能无法维持生态平衡；
3.现有的森林防火系统是在基于智能终端设备的传统的森林防火检测相结合，传统的森林防火检测主要采用地面巡护和人工瞭望台观察，其中，地面巡护监测范围小，许多交通不便的地方难以巡护；瞭望台观察效果过于依赖瞭望员的经验，准确率低、误差大，并且易受地形地势限制，覆盖范围小、存在火灾监测死角；
4.智能终端设备体系通过可见光和热感成像等技术实现森林火灾无人化监控，极大程度的提高了森林的火灾防护的效率，现有的森林防火系统设备完善，监测准确度高，这就意味着现有的森林防火系统高昂的价格；由于森林面积广阔，人迹罕至，想要森林实现全面的监测，大面积铺设设备对于森林进行监视需要高昂的设备成本，同时，大面积铺设的设备进行检修和维护需要不小的人力成本；森林面积越大，越难以实现森林的全面防火监测，在全面铺设智能终端设备实现智能监控不可行的情况下，如何更好的铺设智能终端设备是我们需要解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供基于物联网的森林防火数据分析系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：基于物联网的森林防火数据分析方法，防火数据分析方法具体步骤包括：
7.步骤一：采集森林的数据，所述森林数据包括森林地图、森林气候、森林的人为活动范围和森林的树木的分布；
8.所述森林的人为活动范围包括森林生产活动的范围和人为行走路径；
9.所述森林气候包括温度、湿度、气压、风向和降雨；
10.步骤二：将森林地图划分为棋盘格，建立坐标系，明确每个棋盘格的坐标；
11.步骤三：计算每个棋盘格的森林的人为火灾的概率p1；
12.森林中会产生各种各样的人为活动，包括人为的生产活动、游客的游览、打猎的路径，森林中的林木丛生、道路难行，如果有人为活动，一般在固定的区域和道路，人为的生产
活动需要有效的防火措施，而在人为活动与森林原始环境的交界处，包括生产活动的交接处和游客的游览、打猎的路径，这种由于人员复杂，且开始与森林交接，人员容易产生私密的感觉，从而放松对于防火的警惕性，反而是需要重点关注的。
13.步骤四：计算每个棋盘格的森林的自然火灾的概率p2；
14.森林存在自然的森林火灾，森林充满了氧气，富含养分的物质也很多，树木、落叶、动物以及动物的粪便，在稍微潮湿的环境中发酵，产生热量，将环境中的水分蒸发出去，暗火逐渐产生明火，进一步发生火灾，尤其当当地的降雨量较小或者当地的降雨间隔时间长，小雨后的连日高温，很容易发生自然森林火灾。今年来，有文档深挖森林自然产生的森林火灾是森林自我快速更新，有助于森林扼制病虫害焕发新的生机，但是那也是在小范围的森林火灾，不需要人为的发生，但是需要人为的监管，将森林火灾控制在合适的范围内，因此，对于森林自然产生的火灾，也是需要有力的监管行为的。
15.步骤五：计算每个棋盘格的森林的火灾重点概率p3；
16.步骤六：输出森林发生火灾，每个棋盘格的火灾概率，超出阈值的棋盘格为火灾重点监视格；
17.步骤七：在火灾重点监视格配置完善的智能终端设备，所述智能终端设备实时监控区域火灾情况。
18.所述步骤二中棋盘格的大小与防火终端监控设备的范围一致。
19.所述步骤三中计算森林的人为火灾的概率p1具体内容包括：
20.根据森林的人为活动范围将森林地图分为三个组织部分：人员活动密集区域、人员活动与森林的交界处和无人员活动区域；
21.所述人员活动密集区域为人员生产活动区域，人员密集而树木稀少，所述人员活动密集区域发生人为火灾的概率与该区域防火措施完善程度成反相关：
[0022][0023]
其中，p1a表示人员活动密集区域发生人为火灾的概率，k
re
表示防火措施系数，re表示防火措施完善程度；
[0024]
所述人员活动与森林的交界处所为人员活动与森林原始环境的交接处，包括人员生产活动区域与森林原始环境的交接处和人员进入森林的行走路径，所述人员活动与森林的交界处的人为火灾的概率p1b与人员活动与森林的交界处的林木密度成正比：
[0025]
p1b＝k
fd
*fd
[0026]
其中，p1b表示人员活动与森林的交界处的人为火灾的概率，k
fd
表示林木密度系数，fd表示人员活动与森林的交界处的林木密度；
[0027]
所述无人员活动区域为森林原始环境，没有人员活动，所述无人员活动区域发生人为火灾的概率p1c为零。
[0028]
所述步骤四中计算森林的自然火灾的概率p2具体内容包括：
[0029]
根据森林的树木的分布，计算每个棋盘格中树木的油脂含量，具体计算公式为：
[0030]
[0031]
其中，oc表示该种类的树木的平均含油脂量，h表示植株的高度，h表示该种类的树木的平均高度，n表示棋盘格内所有植株的数量。
[0032]
森林的植株种类分布是固定的，依附于植株生长的动物和爬虫的生长范围也是固定的，植株富含油脂，植株产生的落叶枯枝含油脂量也就越高，在这片植株生长的动物和爬虫的油脂含量、及这片植株生长的动物和爬虫的粪便的油脂含量也就越高，所以树木的油脂含量可以代表这个棋盘格中助燃的营养物质的含量。
[0033]
所述步骤四中计算森林的自然火灾的概率p2具体内容还包括：
[0034]
计算森林的自然火灾的概率p2计算公式为：
[0035]
p2＝(a*oilc fhr)*b*sdi
[0036]
其中，sdi表示林分密度，fhr表示当地火险气象等级，a表示植被系数，b表示火险等级系数。
[0037]
我国森林草原防火司在国家林业草原局政府网，建立了森林火险气象等级预报，实时预报全国地区的森林火险气象预报，根据当地火险气象等级预报计算棋盘格内森林的自然火灾的概率p2；增加林分密度作为系数考虑到植被密度会因为人为活动的影响而增减，当森林中因为人为活动，植被被砍伐，树木密度锐减，此时森林发生自然火灾的概率锐减。
[0038]
分析不同棋盘格为起火点，同样的风速，根据不同的季节和地形模拟火势蔓延的过程，计算火速蔓延的速度，统计在救援队赶到之前被波及的火势，同时计算不同起火点，在救援队展开救援的前每个棋盘格被烧的频率，输出单个棋盘格的火灾重点概率；
[0039]
所述步骤五中计算每个棋盘格的森林的火灾重点概率p3具体步骤包括：
[0040]
step 1：根据当地的风向划分当地的季节；
[0041]
根据风向的不同划分森林的季节，风向会因为季节改变，不同的风向将会导致不同的火势蔓延结果。
[0042]
step 2：模拟不同的棋盘格为起火点，同样的风速，不同的季节，模拟火势蔓延的过程，统计在救援队赶到前被烧的棋盘格和被烧的棋盘格的数量；
[0043]
step 3：模拟不同的棋盘格为起火点，同样的风速，不同的季节，模拟火势蔓延的过程，统计在救援队赶到前每个棋盘格被烧的频数；
[0044]
step 4：计算每个棋盘格的森林的火灾重点概率p3，具体的计算公式为：
[0045][0046]
其中，p3表示每个棋盘格的森林的火灾重点概率，q表示在救援队赶到前被烧的棋盘格的数量，nq表示棋盘格的总数量，j表示森林季节数量，r表示棋盘格被烧的频数。
[0047]
所述步骤六具体内容包括：
[0048]
单个棋盘格的火灾概率p＝p1 p2 p3，单个棋盘格的火灾概率p值越高，棋盘格发生火灾的可能性越高，发生火灾后造成的影响越大，设置单个棋盘格的火灾概率p阈值，超出阈值的棋盘格为火灾重点监视格。
[0049]
基于物联网的森林防火数据分析系统，所述系统包括智能终端设备、数据采集单
元、智能终端分布单元、森林火灾概率计算单元和智能报警单元；
[0050]
所述数据采集单元包括概率计算数据采集单元和智能设备实时数据采集单元，所述概率计算数据采集单元采集森林的数据输入森林火灾概率计算单元，所述智能设备实时数据采集单元与智能终端设备连接，采集智能终端设备数据输入至智能报警单元；
[0051]
所述森林火灾概率计算单元计算单个棋盘格内发生火灾的概率输出智能终端分布单元，所述森林火灾概率计算单元包括森林的人为火灾的概率、森林的自然火灾的概率和森林的火灾重点概率，所述森林的人为火灾的概率根据人为活动将森林地图中的棋盘格分为三个分类，分别计算单个棋盘格因为人为活动发生火灾的概率；
[0052]
所述森林的自然火灾的概率计算单个棋盘格内发生森林的自然火灾的概率，获取当地的森林火险气象等级，结合单个棋盘格内林分密度和树木油脂含量，输出单个棋盘格的自然火灾的概率；
[0053]
所述森林的火灾重点概率以各个棋盘点为起火点，根据当地的风向和森林的地行模拟森林火灾的蔓延的过程，根据火灾的蔓延的范围和不同起火点，棋盘格被烧的频率计算森林的火灾重点概率；
[0054]
所述终端设备分布模块根据各个棋盘格的火灾概率，在火灾概率高的棋盘格内重点布置终端设备；
[0055]
所述智能终端设备实时检测单个棋盘格是否发生火灾，将火灾结果输入至智能报警单元；
[0056]
所述智能报警单元监控及时存储和备份实时监控数据，当发生火灾，及时定位位置，向管理人员发出警告。
[0057]
所述终端设备分布模块设置棋盘格的火灾概率p等级阈值，根据设置棋盘格的火灾概率等级设置不同的智能终端设备设置方案：
[0058]
当棋盘格的火灾概率p值在(0，p1)，所述棋盘格的火灾概率等级为一级，所述棋盘格火灾概率在棋盘格安全值以内，所述棋盘格安全不需要设置智能终端设备监测森林火灾的发生；
[0059]
当棋盘格的火灾概率p值在(p1，p2)，所述棋盘格的火灾概率等级为二级，所述棋盘格火灾概率高于棋盘格安全值，所述棋盘格存在火灾风险，设置初步的智能终端设备设置方案，所述初步的智能终端设备设置方案包括视频监控单元，所述视频监控单元识别可见光烟火识别，监测森林火灾的发生；
[0060]
当棋盘格的火灾概率p值在(p2，p
max
)，所述棋盘格的火灾概率等级为三级，所述棋盘格火灾概率高于棋盘格危险值，所述棋盘格危险，设置终版的智能终端设备设置方案，所述终版的智能终端设备设置方案包括红外热成像测温单元，所述红外热成像测温单元识别异常高温，识别单个棋盘格内的暗火，预防森林火灾的发生，防患于未然。
[0061]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：基于物联网设置智能终端设备，实时的监测森林火灾，无需人员深入森林进行地面巡护，将森林划分为棋盘格，以智能终端设备的监测范围为单位，便于智能设备的定位和设置，通过森林火灾概率计算单元计算单个棋盘格内的发生火灾的概率，数值化不同棋盘格发生火灾的概率和造成的影响，便于直观的不同棋盘格在森林火灾防护的重要性，根据不同棋盘格的重要性设置智能终端设备，在可控的设备成本中，最大化的监测森林火灾的情况。
附图说明
[0062]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0063]
图1是本发明基于物联网的森林防火数据分析方法的流程示意图；
[0064]
图2是本发明基于物联网的森林防火数据分析系统的结构示意图。
具体实施方式
[0065]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0066]
请参阅图1-图2，本发明提供技术方案：实施例一：基于物联网的森林防火数据分析方法，防火数据分析方法具体步骤包括：
[0067]
步骤一：采集森林的数据，森林数据包括森林地图、森林气候、森林的人为活动范围和森林的树木的分布；
[0068]
森林的人为活动范围包括森林生产活动的范围和人为行走路径；
[0069]
森林气候包括温度、湿度、气压、风向和降雨；
[0070]
步骤二：将森林地图划分为棋盘格，建立坐标系，明确每个棋盘格的坐标；
[0071]
步骤三：计算每个棋盘格的森林的人为火灾的概率p1；
[0072]
森林中会产生各种各样的人为活动，包括人为的生产活动、游客的游览、打猎的路径，森林中的林木丛生、道路难行，如果有人为活动，一般在固定的区域和道路，人为的生产活动需要有效的防火措施，而在人为活动与森林原始环境的交界处，包括生产活动的交接处和游客的游览、打猎的路径，这种由于人员复杂，且开始与森林交接，人员容易产生私密的感觉，从而放松对于防火的警惕性，反而是需要重点关注的。
[0073]
步骤四：计算每个棋盘格的森林的自然火灾的概率p2；
[0074]
森林存在自然的森林火灾，森林充满了氧气，富含养分的物质也很多，树木、落叶、动物以及动物的粪便，在稍微潮湿的环境中发酵，产生热量，将环境中的水分蒸发出去，暗火逐渐产生明火，进一步发生火灾，尤其当当地的降雨量较小或者当地的降雨间隔时间长，小雨后的连日高温，很容易发生自然森林火灾。今年来，有文档深挖森林自然产生的森林火灾是森林自我快速更新，有助于森林扼制病虫害焕发新的生机，但是那也是在小范围的森林火灾，不需要人为的发生，但是需要人为的监管，将森林火灾控制在合适的范围内，因此，对于森林自然产生的火灾，也是需要有力的监管行为的。
[0075]
步骤五：计算每个棋盘格的森林的火灾重点概率p3；
[0076]
步骤六：输出森林发生火灾，每个棋盘格的火灾概率，超出阈值的棋盘格为火灾重点监视格；
[0077]
步骤七：在火灾重点监视格配置完善的智能终端设备，智能终端设备实时监控区域火灾情况。
[0078]
步骤二中棋盘格的大小与防火终端监控设备的范围一致。
[0079]
步骤三中计算森林的人为火灾的概率p1具体内容包括：
[0080]
根据森林的人为活动范围将森林地图分为三个组织部分：人员活动密集区域、人员活动与森林的交界处和无人员活动区域；
[0081]
人员活动密集区域为人员生产活动区域，人员密集而树木稀少，人员活动密集区域发生人为火灾的概率与该区域防火措施完善程度成反相关：
[0082][0083]
其中，p1a表示人员活动密集区域发生人为火灾的概率，k
re
表示防火措施系数，re表示防火措施完善程度；
[0084]
人员活动与森林的交界处所为人员活动与森林原始环境的交接处，包括人员生产活动区域与森林原始环境的交接处和人员进入森林的行走路径，人员活动与森林的交界处的人为火灾的概率p1b与人员活动与森林的交界处的林木密度成正比：
[0085]
p1b＝k
fd
*fd
[0086]
其中，p1b表示人员活动与森林的交界处的人为火灾的概率，k
fd
表示林木密度系数，fd表示人员活动与森林的交界处的林木密度；
[0087]
无人员活动区域为森林原始环境，没有人员活动，无人员活动区域发生人为火灾的概率p1c为零。
[0088]
步骤四中计算森林的自然火灾的概率p2具体内容包括：
[0089]
根据森林的树木的分布，计算每个棋盘格中树木的油脂含量，具体计算公式为：
[0090][0091]
其中，oc表示该种类的树木的平均含油脂量，h表示植株的高度，h表示该种类的树木的平均高度，n表示棋盘格内所有植株的数量。
[0092]
森林的植株种类分布是固定的，依附于植株生长的动物和爬虫的生长范围也是固定的，植株富含油脂，植株产生的落叶枯枝含油脂量也就越高，在这片植株生长的动物和爬虫的油脂含量、及这片植株生长的动物和爬虫的粪便的油脂含量也就越高，所以树木的油脂含量可以代表这个棋盘格中助燃的营养物质的含量。
[0093]
步骤四中计算森林的自然火灾的概率p2具体内容还包括：
[0094]
计算森林的自然火灾的概率p2计算公式为：
[0095]
p2＝(a*oilc fhr)*b*sdi
[0096]
其中，sdi表示林分密度，fhr表示当地火险气象等级，a表示植被系数，b表示火险等级系数。
[0097]
我国森林草原防火司在国家林业草原局政府网，建立了森林火险气象等级预报，实时预报全国地区的森林火险气象预报，根据当地火险气象等级预报计算棋盘格内森林的自然火灾的概率p2；增加林分密度作为系数考虑到植被密度会因为人为活动的影响而增减，当森林中因为人为活动，植被被砍伐，树木密度锐减，此时森林发生自然火灾的概率锐减。
[0098]
分析不同棋盘格为起火点，同样的风速，根据不同的季节和地形模拟火势蔓延的过程，计算火速蔓延的速度，统计在救援队赶到之前被波及的火势，同时计算不同起火点，
在救援队展开救援的前每个棋盘格被烧的频率，输出单个棋盘格的火灾重点概率；
[0099]
步骤五中计算每个棋盘格的森林的火灾重点概率p3具体步骤包括：
[0100]
step 1：根据当地的风向划分当地的季节；
[0101]
根据风向的不同划分森林的季节，风向会因为季节改变，不同的风向将会导致不同的火势蔓延结果。
[0102]
step 2：模拟不同的棋盘格为起火点，同样的风速，不同的季节，模拟火势蔓延的过程，统计在救援队赶到前被烧的棋盘格和被烧的棋盘格的数量；
[0103]
step 3：模拟不同的棋盘格为起火点，同样的风速，不同的季节，模拟火势蔓延的过程，统计在救援队赶到前每个棋盘格被烧的频数；
[0104]
step 4：计算每个棋盘格的森林的火灾重点概率p3，具体的计算公式为：
[0105][0106]
其中，p3表示每个棋盘格的森林的火灾重点概率，q表示在救援队赶到前被烧的棋盘格的数量，nq表示棋盘格的总数量，j表示森林季节数量，r表示棋盘格被烧的频数。
[0107]
步骤六具体内容包括：
[0108]
单个棋盘格的火灾概率p＝p1 p2 p3，单个棋盘格的火灾概率p值越高，棋盘格发生火灾的可能性越高，发生火灾后造成的影响越大，设置单个棋盘格的火灾概率p阈值，超出阈值的棋盘格为火灾重点监视格。
[0109]
基于物联网的森林防火数据分析系统，系统包括智能终端设备、数据采集单元、智能终端分布单元、森林火灾概率计算单元和智能报警单元；
[0110]
数据采集单元包括概率计算数据采集单元和智能设备实时数据采集单元，概率计算数据采集单元采集森林的数据输入森林火灾概率计算单元，智能设备实时数据采集单元与智能终端设备连接，采集智能终端设备数据输入至智能报警单元；
[0111]
森林火灾概率计算单元计算单个棋盘格内发生火灾的概率输出智能终端分布单元，森林火灾概率计算单元包括森林的人为火灾的概率、森林的自然火灾的概率和森林的火灾重点概率，森林的人为火灾的概率根据人为活动将森林地图中的棋盘格分为三个分类，分别计算单个棋盘格因为人为活动发生火灾的概率；
[0112]
森林的自然火灾的概率计算单个棋盘格内发生森林的自然火灾的概率，获取当地的森林火险气象等级，结合单个棋盘格内林分密度和树木油脂含量，输出单个棋盘格的自然火灾的概率；
[0113]
森林的火灾重点概率以各个棋盘点为起火点，根据当地的风向和森林的地行模拟森林火灾的蔓延的过程，根据火灾的蔓延的范围和不同起火点，棋盘格被烧的频率计算森林的火灾重点概率；
[0114]
终端设备分布模块根据各个棋盘格的火灾概率，在火灾概率高的棋盘格内重点布置终端设备；
[0115]
智能终端设备实时检测单个棋盘格是否发生火灾，将火灾结果输入至智能报警单元，智能终端设备包括视频监和红外热成像测温，视频监控单元监控可见光烟火识别，红外
热成像测温识别异常高温；识别单个棋盘格内的暗火，防患于未然
[0116]
智能报警单元监控及时存储和备份实时监控数据，当发生火灾，及时定位位置，向管理人员发出警告。
[0117]
基于物联网设置智能终端设备，实时的监测森林火灾，无需人员深入森林进行地面巡护，将森林划分为棋盘格，以智能终端设备的监测范围为单位，便于智能设备的定位和设置，通过森林火灾概率计算单元计算单个棋盘格内的发生火灾的概率，数值化不同棋盘格发生火灾的概率和造成的影响，便于直观的不同棋盘格在森林火灾防护的重要性，根据不同棋盘格的重要性设置智能终端设备，在可控的设备成本中，最大化的监测森林火灾的情况。
[0118]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0119]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。