CN110619728A - 一种基于gnss-r的火灾监测系统及监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于GNSS‑R的火灾监测系统，包括发射直射信号的GNSS卫星以及依次相连的温度感应装置、GNSS‑R接收机、数据存储系统、数据判别系统和报警系统；温度感应装置接收第一反射信号并获取延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据；GNSS‑R接收机接收该数据、直射信号和第二反射信号；数据存储系统从直射信号中提取位置信息和时间信息；数据判别系统接收上述数据和信息，并根据延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据进行判断；报警系统根据判断结果将判断为火灾发生区的报警响起。本发明还提供一种监测方法。本发明利用GNSS的直射信号和反射信号，采用了对森林温度极为敏感温度感应装置，从而可以实时对森林的火灾进行判断。

Description

一种基于GNSS-R的火灾监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及一种火灾监测系统及监测方法，具体涉及一种基于
GNSS-R的火灾监测系统及监测方法。
背景技术
森林、草场火灾及季节性燃烧对气候和经济产生重要影响，迫切需要人类对其有效监测。
火对生物圈有重要影响，监测森林大火发生位置和燃烧范围是全球变化研究计划的重要组成部分。
火灾改变植被的物理状况，向大气中释放许多温室气体。生物燃烧过程中释放的化学反应气体严重影响着对流层中的化学过程。火灾期间烟尘和其他颗粒物的释放，带来火灾下方对流层显著的物理变化。自然火灾以及与火灾有关的其他过程对陆表与大气之间能量和水分的交换有影响。
传统的森林火灾监测、扑救、火险预测等防火技术存在功耗高、时空分辨率低、覆盖率低、实时监测难、数据分散、通信不方便、应急反应慢、不易归档统计、评估预测无可比性等诸多缺憾。采用航空手段在每次航空飞行时，需要耗费航空飞机专门有目的的飞行，因此监测火灾成本昂贵，且难以覆盖所有区域。
新兴的GNSS-R遥感技术是采用GNSS反射信号进行地物参数遥感的新方法。该种遥感方式不需要研制专门的发射机，直接采用GNSS卫星群的信号作为信号源，因此存在着造价低、功耗小，时空分辨率高等诸多优点。
目前的GNSS-R在海洋领域主要是用来进行海面有效波高、海风、海浪、海冰及海面溢有监测；在陆地的应用领域涉及土壤水分、植被、积雪、地表冻融过程、海平面变化等监测。尚未有研究展开GNSS-R监测森林火灾。
发明内容
本发明旨在提供一种基于GNSS-R的火灾监测系统及监测方法，以实现低成本、小功耗、高时空分辨率、高覆盖率的森林火灾监测。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于GNSS-R的火灾监测系统，包括一GNSS卫星以及依次相连的温度感应装置、GNSS-R接收机、数据存储系统、数据判别系统和报警系统；所述GNSS卫星设置为发射直射信号；所述温度感应装置设置为接收所述直射信号经各个待测森林区的第一反射信号，并根据该第一反射信号获取各个待测森林区的延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据；所述GNSS-R接收机设置为接收所述延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据，并接收来自所述直射信号和所述直射信号经待测森林区的第二反射信号；所述数据存储系统设置为接收并记录延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、直射信号以及第二反射信号，并从所述直射信号中提取出待测森林区的位置信息和时间信息；所述数据判别系统设置为接收延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、位置信息以及时间信息，并根据延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据判断各个待测森林区是否为火灾发生区；所述报警系统设置为根据数据判别系统的判断结果，将判断为火灾发生区的待测森林区的报警响起。
所述GNSS-R接收机和数据存储系统之间设有一去噪系统，所述去噪系统设置为接收所述延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据、直射信号和第二反射信号，并对所述直射信号和第二反射信号进行去噪处理。
所述GNSS卫星的数量为多个，且GNSS卫星是GPS、GLONASS、GALileo或Beidou导航系统的卫星。
所述GNSS-R接收机包括圆极化天线和线极化天线，该圆极化天线包括左旋圆极化天线和右旋圆极化天线，GNSS-R接收机采用右旋圆极化天线接收所述直射信号，同时利用圆极化天线或线极化天线接收所述第二反射信号。
另一方面，本发明提供一种基于GNSS-R的火灾监测方法，包括：
S1：采用多个GNSS卫星发射直射信号；
S2：采用一温度感应装置接收所述直射信号经各个待测森林区的第一反射信号，并根据该第一反射信号获取各个待测森林区的延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据；
S3：采用一GNSS-R接收机接收所述延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据，并接收所述直射信号和所述直射信号经待测森林区的第二反射信号；
S4：采用一数据存储系统接收并记录延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、直射信号以及第二反射信号，并从所述直射信号中提取出待测森林区的位置信息和时间信息；
S5：采用一数据判别系统接收延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、位置信息以及时间信息，并根据延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据判断各个待测森林区是否为火灾发生区；
S6：根据数据判别系统的判断结果，采用一报警系统将判断为火灾发生区的待测森林区的报警响起。
所述步骤S3还包括：采用一去噪系统对所述直射信号和第二反射信号进行去噪处理。
在所述步骤S1中，所述GNSS卫星是GPS、GLONASS、GALileo或Beidou导航系统的卫星；且在所述步骤S4中，所述位置信息为经纬度信息。
所述步骤S4还包括：采用所述数据存储系统从所述第二反射信号中提取所述待测森林区的森林高度、森林密度、森林介电常数、森林生物量、森林含水量。
在所述步骤S5中，当延迟多普勒波形的峰值高于一延迟多普勒波形的峰值阈值，且SNR数据高于一SNR数据时，所对应的待测森林区判断为火灾发生区。
所述延迟多普勒波形的峰值阈值设置为在1-1.5之间，SNR数据的阈值设置为在24-30之间。
本发明的基于GNSS-R的火灾监测系统利用GNSS的直射信号和反射信号进行森林火灾监测，不需要研制专门的发射机，采用了对森林温度极为敏感温度感应装置，从而可以实时对森林的火灾进行判断；由于其直接采用既有的导航卫星群(GNSS)的直射信号作为信号源，因此成本低：由于GNSS-R的信号源即GNSS卫星群源源不断的发射信号，一颗GNSS-R接收机在其视场范围内可接收多颗导航卫星的数据，因此GNSS-R的时间分辨率较高；对于地球物理和测绘上使用的GPS-R(Global Positioning System-Reflectometry)，其空间分辨率的半径大概是50m；而对于机载GPS-R，其空间分辨率受飞机高度和表面粗糙度影响，分辨率也在Km尺度上，因此GNSS-R遥感的空间分辨率较高，可以大为提高森林火灾监测水平，从而防患于未然，发现于小火；此外，由于GNSS-R接收机可以利用直射信号进行定位解算，具有自定位和自定时能力，因此有利于数据处理、定位、传感器休眠和调度，容易进入地理信息系统，也容易组建大范围的土壤水分、植被观测网络；另外，由于GNSS卫星的入射天顶角在0～90°，入射方位角在0～360°，因此可以实现GNSS-R的多角度观测；与雷达和微波辐射计的线极化不同，GNSS卫星群发射的直射信号为RHCP(Right Hand CircularPolarization)，经地表反射后的信号极性发生变化，这使得多极化(LR，RR，HR，VR)接收成为可能，并解决了线极化信号由于天线平台移动，其极化方向与信号源线极化方向不能随时匹配的问题，使天线接收信号的质量大大提高。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的基于GNSS-R的火灾监测系统的结构示意图。
附图标记
1、GNSS卫星；2、森林监测区；3、温度感应装置；4、GNSS-R接收机；5、去噪系统；6、数据存储系统；7、数据判别系统；8、报警系统。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的基于GNSS-R的火灾监测系统，其用于进行森林火灾监测，包括：一GNSS卫星1，以及依次相连的温度感应装置3、GNSS-R接收机4、去噪系统5、数据存储系统6、数据判别系统7和报警系统8。
GNSS卫星1设置为发射直射信号。GNSS卫星1的数量为多个，其可以是GPS、GLONASS、GALileo，Beidou等导航系统的卫星，该GNSS卫星1的入射天顶角在0～90°，入射方位角在0～360°，由此可实现GNSS-R的多角度观测。GNSS卫星1的直射信号包含定位和时间信息。
温度感应装置3主要包括热敏元件，因此对温度更为敏感，其设置为接收所述直射信号经各个待测森林区2的第一反射信号，并根据该第一反射信号获取各个待测森林区2的延迟多普勒波形的峰值和信噪比(SNR)数据，以传递给GNSS-R接收机4。该延迟多普勒波形的峰值和信噪比(SNR)数据反映了待测森林区2的森林冠层的表面温度，温度越高，则延迟多普勒波形的峰值，且SNR数据也越高。
GNSS-R接收机4与温度感应装置3安装在同一位置，设置为接收温度感应装置3获取的延迟多普勒波形的峰值和SNR数据，并接收来自GNSS卫星1的直射信号和所述GNSS卫星1发射的直射信号经各个待测森林区2的第二反射信号。其中，GNSS-R接收机4包括圆极化(LHCP、RHCP)天线和线极化(V极化、H极化)天线，该圆极化天线包括左旋圆极化(LHCP)天线和右旋圆极化(RHCP)天线，且GNSS-R接收机4采用RHCP(右旋圆极化)天线接收来自GNSS卫星1的直射信号，同时利用该圆极化(LHCP、RHCP)或线极化(V极化、H极化)天线接收所述直射信号经待测森林区2的第二反射信号(即接受来自森林覆盖区的地表反射信号)。GNSS-R接收机4相比于温度感应装置3，其对温度敏感性更差，但可以记录森林的含数量、生物量、密度等信息。该第二反射信号具体包括镜像点附近的第一菲尼尔区的反射能量和闪烁区的漫散射能量，因而包括待测森林区2的森林高度、森林密度、森林介电常数、森林生物量、森林含水量等信息。
去噪系统5接收所述延迟多普勒波形的峰值和SNR数据、直射信号和第二反射信号，并对所述直射信号和第二反射信号进行去噪处理。
数据存储系统6接收并记录延迟多普勒波形的峰值、SNR数据以及去燥后的直射信号、第二反射信号，并从直射信号中提取出待测森林区2的位置信息和时间信息。此外，数据存储系统6还可以从第二反射信号中提取待测森林区2的森林高度、森林密度、森林介电常数、森林生物量、森林含水量等信息。其中，所述位置信息优选为经纬度信息。
数据判别系统7接收数据存储系统6中的延迟多普勒波形的峰值、SNR数据、以及待测森林区2的位置信息、时间信息，并根据延迟多普勒波形的峰值和SNR数据判断各个待测森林区2是否为火灾发生区。其中，当延迟多普勒波形的峰值高于一延迟多普勒波形的峰值阈值，且SNR数据高于一SNR数据的阈值时，所对应的待测森林区2判断为火灾发生区。其中，延迟多普勒波形的峰值阈值设置为在1-1.5之间，SNR数据的阈值设置为在24-30之间。
报警系统8根据数据判别系统7的判断结果发生报警，即将判断为火灾发生区的待测森林区2的报警响起。其中，所述报警包含判断为火灾发生区的待测森林区2的位置信息、时间信息。
基于上文所述的基于GNSS-R的火灾监测系统，所实现的基于GNSS-R的火灾监测方法具体包括以下步骤：
步骤S1：采用多个GNSS卫星1发射直射信号；
步骤S2：采用一温度感应装置3接收所述直射信号经各个待测森林区2的第一反射信号，并根据该第一反射信号获取各个待测森林区2的延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据；
步骤S3：采用一GNSS-R接收机4接收所述延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据，并接收所述直射信号和所述直射信号经待测森林区2的第二反射信号；
此外，所述步骤S3还包括：采用一去噪系统5对所述直射信号和第二反射信号进行去噪处理。
步骤S4：采用一数据存储系统6接收并记录延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、直射信号以及第二反射信号，并从所述直射信号中提取出待测森林区2的位置信息和时间信息；
此外，所述步骤S4还包括：采用所述数据存储系统6从第二反射信号中提取待测森林区2的森林高度、森林密度、森林介电常数、森林生物量、森林含水量等信息。
在所述步骤S4中，所述位置信息优选为经纬度信息。
步骤S5：采用一数据判别系统7接收延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、位置信息以及时间信息，并根据延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据判断各个待测森林区2是否为火灾发生区；
其中，当延迟多普勒波形的峰值高于一延迟多普勒波形的峰值阈值，且SNR数据高于一SNR数据的阈值时，所对应的待测森林区2判断为火灾发生区。其中，延迟多普勒波形的峰值阈值设置为在1-1.5之间，SNR数据的阈值设置为在24-30之间。
步骤S6：根据数据判别系统7的判断结果，采用一报警系统8将判断为火灾发生区的待测森林区2的报警响起。其中，所述报警包含判断为火灾发生区的待测森林区2的位置信息、时间信息。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种基于GNSS-R的火灾监测系统，其特征在于，包括一GNSS卫星(1)以及依次相连的温度感应装置(3)、GNSS-R接收机(4)、数据存储系统(6)、数据判别系统(7)和报警系统(8)；
所述GNSS卫星(1)设置为发射直射信号；
所述温度感应装置(3)设置为接收所述直射信号经各个待测森林区(2)的第一反射信号，并根据该第一反射信号获取各个待测森林区(2)的延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据；
所述GNSS-R接收机(4)设置为接收所述延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据，并接收来自所述直射信号和所述直射信号经待测森林区(2)的第二反射信号；
所述数据存储系统(6)设置为接收并记录延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、直射信号以及第二反射信号，并从所述直射信号中提取出待测森林区(2)的位置信息和时间信息；
所述数据判别系统(7)设置为接收延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、位置信息以及时间信息，并根据延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据判断各个待测森林区(2)是否为火灾发生区；
所述报警系统(8)设置为根据数据判别系统(7)的判断结果，将判断为火灾发生区的待测森林区(2)的报警响起。
2.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的火灾监测系统，其特征在于，所述GNSS-R接收机(4)和数据存储系统(6)之间设有一去噪系统(5)，所述去噪系统(5)设置为接收所述延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据、直射信号和第二反射信号，并对所述直射信号和第二反射信号进行去噪处理。
3.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的火灾监测系统，其特征在于，所述GNSS卫星(1)的数量为多个，且GNSS卫星(1)是GPS、GLONASS、GALileo或Beidou导航系统的卫星。
4.根据权利要求1所述的基于GNSS-R的火灾监测系统，其特征在于，所述GNSS-R接收机(4)包括圆极化天线和线极化天线，该圆极化天线包括左旋圆极化天线和右旋圆极化天线，GNSS-R接收机(4)采用右旋圆极化天线接收所述直射信号，同时利用圆极化天线或线极化天线接收所述第二反射信号。
5.一种基于GNSS-R的火灾监测方法，其特征在于，包括：
步骤S1：采用多个GNSS卫星(1)发射直射信号；
步骤S2：采用一温度感应装置(3)接收所述直射信号经各个待测森林区(2)的第一反射信号，并根据该第一反射信号获取各个待测森林区(2)的延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据；
步骤S3：采用一GNSS-R接收机(4)接收所述延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据，并接收所述直射信号和所述直射信号经待测森林区(2)的第二反射信号；
步骤S4：采用一数据存储系统(6)接收并记录延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、直射信号以及第二反射信号，并从所述直射信号中提取出待测森林区(2)的位置信息和时间信息；
步骤S5：采用一数据判别系统(7)接收延迟多普勒波形的峰值、信噪比数据、位置信息以及时间信息，并根据延迟多普勒波形的峰值和信噪比数据判断各个待测森林区(2)是否为火灾发生区；
步骤S6：根据数据判别系统(7)的判断结果，采用一报警系统(8)将判断为火灾发生区的待测森林区(2)的报警响起。
6.根据权利要求5所述的基于GNSS-R的火灾监测方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：采用一去噪系统(5)对所述直射信号和第二反射信号进行去噪处理。
7.根据权利要求5所述的基于GNSS-R的火灾监测方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述GNSS卫星(1)是GPS、GLONASS、GALileo或Beidou导航系统的卫星；且在所述步骤S4中，所述位置信息为经纬度信息。
8.根据权利要求5所述的基于GNSS-R的火灾监测方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：采用所述数据存储系统(6)从所述第二反射信号中提取所述待测森林区(2)的森林高度、森林密度、森林介电常数、森林生物量、森林含水量。
9.根据权利要求5所述的基于GNSS-R的火灾监测方法，其特征在于，在所述步骤S5中，当延迟多普勒波形的峰值高于一延迟多普勒波形的峰值阈值，且SNR数据高于一SNR数据时，所对应的待测森林区(2)判断为火灾发生区。
10.根据权利要求9所述的基于GNSS-R的火灾监测方法，其特征在于，所述延迟多普勒波形的峰值阈值设置为在1-1.5之间，SNR数据的阈值设置为在24-30之间。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111273330A (zh) * 2020-02-25 2020-06-12 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种基于北斗系统的雪层厚度测量方法及装置

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