CN111970384A - 一种森林火险等级实时动态监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种森林火险等级实时动态监测系统及方法，包括七要素气象站、多层感知土壤监测仪、高清智能相机、云服务器和太阳能供电系统，太阳能供电系统用于为七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机进行供电，七要素气象仪用于采集林区气象因子，多层感知土壤监测仪用于采集地表层可燃物湿度，高清智能相机用于作防火期内生物及非生物物候季节影响修正值的观测，以及用于林区自然状况的实时图像拍摄和视频监测，云服务器用于远程接收林区气象环境因子监测点采集的数据，对数据进行存储、管理和计算分析，并预警。本发明具有实时远程监测预警、应用范围广、以小时为单位的时间维度、精确到局部林区等特点。

Description

一种森林火险等级实时动态监测系统及方法
技术领域
本发明涉及森林防火技术领域、森林火险等级监测技术领域，更具体地涉及一种森林火险等级实时动态监测系统及方法。
背景技术
从目前我国森林防火形势和应急减灾战备需求看，现有技术在指导基层森林防火单位的资源调配和针对性措施方面存在明显的不足，主要表现在以下几点：
（1）目前的森林火险等级是基于未来天气因素的分析结果所作的预测性判断，属于预报而不是动态实报，具有不确定性。
（2）目前施行的森林火险等级预报都是基于主要的气象因素，对于林下地被物湿度缺少有效监测手段，而地被物的可燃性是引发森林火灾的重要因子。
（3）目前的森林火险等级预报大多以省域或以市、县域为单元，无法具体到局部林区（如林场、局部林区（林场、林班、小班）、小班）范围的精准监测预警，对具体林区的针对性不强。
（4）目前采用的数据受气象站点分布及站点数的限制，以及预测模型的影响，数值代表了包括非林区在内的大区域气象平均状态，存在依靠非林区天气预报因子进行火险等级判断的弊端；即使有一些学术和科研成果已经重视采用林区气象因子，但受限于以前的技术手段，大多采用模型推演或者内插法推算林区数据，是推算值而非实测值。
（5）受技术手段的限制，目前的预测只能做到以日为单位，无法实现以小时为单位的动态实时监测。
发明内容
本发明提供了一种森林火险等级实时动态监测系统及方法，以解决上述技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种森林火险等级实时动态监测系统，包括七要素气象站、多层感知土壤监测仪、高清智能相机、云服务器和太阳能供电系统，七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机均通过无线传输与云服务器连接，七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机均与太阳能供电系统连接，太阳能供电系统用于为七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机进行供电，七要素气象仪用于采集林区气象因子，多层感知土壤监测仪用于采集地表层可燃物湿度，高清智能相机用于作防火期内生物及非生物物候季节影响修正值的观测，以及用于林区自然状况的实时图像拍摄和视频监测，即七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机组合成为物联网气象传感器，并形成林区气象环境因子监测点，云服务器用于远程接收林区气象环境因子监测点采集的数据，对数据进行存储、管理和计算分析，并预警。
进一步地，七要素气象仪用于检测林区空气温度、湿度、气压、光照、风速、风向和降雨量。
进一步地，多层感知土壤监测仪用于检测林区土壤含水量、土壤电导率和土壤温度。
进一步地，七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机均具有GPS精准定位功能。
进一步地，无线传输为4G无线传输或5G无线传输。
一种森林火险等级实时动态监测方法，包括如下步骤：
步骤S1.使用七要素气象站监测林区气象因子并通过无线传输将林区气象因子数据发送到云服务器；
步骤S2.使用多层感知土壤监测仪监测林区地表层可燃物湿度并通过无线传输将林区地表层可燃物湿度数据发送到云服务器；
步骤S3.使用高清智能相机监测林区自然状况并通过无线传输将记录有林区自然状况的实时图像和视频数据发送到云服务器；
步骤S4.云服务器接收林区气象因子数据、林区地表层可燃物湿度数据和记录有林区自然状况的实时图像和视频数据，进行存储、管理和计算分析；
步骤S5.云服务器将接收的数据导入新火险预报模型，并根据新火险气象指数公式NHTZ=A+B+C+D-E+M进行计算，计算得出NHTZ，其中，NHTZ为新火险气象指数，M为森林防火期内地表可燃物含水率等级修正指数；
步骤S6.云服务器将计算得出的NHTZ与森林火险等级标准查对表进行查对，并根据查对结果进行预警。
进一步地，步骤S1中，林区气象因子包括林区空气温度、湿度、气压、光照、风速、风向和降雨量。
进一步地，步骤S2中，林区地表层可燃物湿度根据层感知土壤监测仪监测的林区土壤含水量、土壤电导率和土壤温度进行综合确定。
进一步地，七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机组合形成林区气象环境因子监测点，林区气象环境因子监测点设置在代表林区最高的潜在火险区域。
进一步地，步骤S5中，A为森林防火期实时空气温度气象指数，B为森林防火期实时空气相对湿度气象指数，C为森林防火期实时降雨量及之前连续无降水日数气象指数，D为森林防火期实时风力等级气象指数，E为森林防火期内生物及非生物物候季节影响修正指数。
较佳地，林区气象环境因子监测点的设置点的选择条件为：选择有坡度的地区，以能正常反应晴雨等因素条件下的地表可燃物湿度变化的地区为准；选择林下地表可燃物载量大的小班，且可燃物组成应按极端原则优先选择初始引燃含水率高的含油脂的松类小班，若无则依次递减选择；选择相对干燥高温的阳坡小班。
其中，由于物联网设备的监测最小间隔为五分钟采集一次，高清红外智能相机可以视频实进直播，因此可以实现小时级的监测分析。将火险等级动态监测的时间间隔设置为白天1小时，夜间3小时。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机组合成监测点，实现局部林区（林场、林班、小班）气候及环境因子实时采集。七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机均采用太阳能供电、4G无线传输、云端存储；能以最低成本实现局部林区（林场、林班、小班）级实时动态火险等级监测播报，使护林防火资源得到有效调剂；可以根据需要任意设置气象环境因子的采集频度，实现小时级甚至分钟级的监测播报；监测点可以根据实际情况扩容，可以升级为工区、林场、林业局、县级及至省级重点林区实进动态火险等级监测播报系统。在LYT1172-95《全国森林火险天气等级》行业标准（林业部1995年6月22日发布）的基础上，采用相关实时气象数据并加入地表可燃物湿度等级因子进行修正。
本发明将森林火险等级的监测预警从省、市、县域的大范围不确定区域，精确到局部林区（林场、林班、小班）级的实时动态监测播报，使基层护林防火资源得以科学合理配置和使用；增加了林下地表可燃物湿度指标和重点林区的物候图像视频监控，使新火险预报模型更加科学，并提供了进一步优化完善的可能性；实现了远程实时监测，火险等级监测的时间维度可以提高到以小时为单位，为基层护林人员调整巡护管理措施和及时发现处理隐患提供了可靠的技术支撑。
本发明采用云服务器进行数据的远程采集、存储、管理和计算分析并预警，护林防火单位无须建设机房安装物理服务器，理论上可以无限扩容，非常方便地形成工区级、林场级、林业局级，乃至县市、省级监测系统。本系统的用户通过访问地址、用户名和密码即可随时登陆系统进行管理和维护。本发明可以应用于采用同原理的远程无人值守物联网组合实现草原监测、湿地监测等系统平台。
附图说明
图1为本发明的一种森林火险等级实时动态监测方法的步骤示意图。
图2为本发明的一种森林火险等级实时动态监测系统的结构示意图。
图3为本发明的森林防火期实时空气温度气象指数A值表的示意图。
图4为本发明的森林防火期实时空气相对湿度气象指数B值表的示意图。
图5为本发明的森林防火期实时降雨量及之前连续无降水日数气象指数C值表的示意图。
图6为本发明的森林防火期实时风力等级气象指数D值表的示意图。
图7为本发明的森林防火期内生物及非生物物候季节影响修正指数E值表的示意图。
图8为本发明的森林防火期内地表可燃物含水率等级修正指数M值表的示意图。
图9为本发明的森林火险等级标准查对表的示意图。
附图标记：1为太阳能供电系统，2为七要素气象站，3为多层感知土壤监测仪，4为高清智能相机，5为云服务器。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
请参阅图1至图9，图中所示者为本发明所选用的实施例结构，此仅供说明之用，在专利申请上并不受此种结构的限制。
实施例一
如图2所示，一种森林火险等级实时动态监测系统，包括七要素气象站2、多层感知土壤监测仪3、高清智能相机4、云服务器5和太阳能供电系统1，七要素气象站2、多层感知土壤监测仪3和高清智能相机4均通过无线传输与云服务器5连接，七要素气象站2、多层感知土壤监测仪3和高清智能相机4均与太阳能供电系统1连接，太阳能供电系统1用于为七要素气象站2、多层感知土壤监测仪3和高清智能相机4进行供电，七要素气象仪用于采集林区气象因子，多层感知土壤监测仪3用于采集地表层可燃物湿度，高清智能相机4用于作防火期内生物及非生物物候季节影响修正值的观测，以及用于林区自然状况的实时图像拍摄和视频监测，即七要素气象站2、多层感知土壤监测仪3和高清智能相机4组合成为物联网气象传感器，并形成林区气象环境因子监测点，云服务器5用于远程接收林区气象环境因子监测点采集的数据，对数据进行存储、管理和计算分析，并预警。
七要素气象站2为极飞物联的WS1七要素气象站2，能够检测空气温度、湿度、气压、光照、风速、风向、降雨量；多层感知土壤监测仪3为SM1五层感知土壤仪，能够检测土壤含水量、电导率、温度；高清智能相机4为FC2高清记录仪，能够拍摄高清图像，可以进行实时视频，具有夜视功能、录音功能。七要素气象站2、多层感知土壤监测仪3和高清智能相机4均直接安装在重点林区，实现了对目标区域的精准监测。太阳能供电系统1为现有的成熟技术，在此不再说明。
进一步地，七要素气象仪用于检测林区空气温度、湿度、气压、光照、风速、风向和降雨量。多层感知土壤监测仪3用于检测林区土壤含水量、土壤电导率和土壤温度。七要素气象站2、多层感知土壤监测仪3和高清智能相机4均具有GPS精准定位功能。
优选地，无线传输为4G无线传输或5G无线传输。
实施例二
如图1所示，一种森林火险等级实时动态监测方法，包括如下步骤：
步骤S1.使用七要素气象站2监测林区气象因子并通过无线传输将林区气象因子数据发送到云服务器5；
步骤S2.使用多层感知土壤监测仪3监测林区地表层可燃物湿度并通过无线传输将林区地表层可燃物湿度数据发送到云服务器5；
步骤S3.使用高清智能相机4监测林区自然状况并通过无线传输将记录有林区自然状况的实时图像和视频数据发送到云服务器5；
步骤S4.云服务器5接收林区气象因子数据、林区地表层可燃物湿度数据和记录有林区自然状况的实时图像和视频数据，进行存储、管理和相关的分析计算；
步骤S5.云服务器5将接收的数据导入新火险预报模型，并根据新火险气象指数公式NHTZ=A+B+C+D-E+M进行计算，计算得出NHTZ，其中，NHTZ为新火险气象指数，M为森林防火期内地表可燃物含水率等级修正指数；
步骤S6.云服务器5将计算得出的NHTZ与森林火险等级标准查对表进行查对，并根据查对结果进行预警。森林火险等级标准查对表如图9所示。
较佳地，步骤S1中，林区气象因子包括林区空气温度、湿度、气压、光照、风速、风向和降雨量。
更好地，步骤S2中，林区地表层可燃物湿度根据层感知土壤监测仪监测的林区土壤含水量、土壤电导率和土壤温度进行综合确定。
进一步优化，步骤S3中，防火期内生物及非生物物候季节影响修正值根据高清智能相机获取的高清图像和视频，前期通过人工判断，后期通过机器学习，实现图像自动识别获取绿色覆盖或者白色覆盖，以及覆盖率数据的自动计算。
更优地，七要素气象站2、多层感知土壤监测仪3和高清智能相机4组合形成林区气象环境因子监测点，林区气象环境因子监测点设置在代表林区最高的潜在火险区域。
步骤S5中，A为森林防火期实时空气温度气象指数，B为森林防火期实时空气相对湿度气象指数，C为森林防火期实时降雨量及之前连续无降水日数气象指数，D为森林防火期实时风力等级气象指数，E为森林防火期内生物及非生物物候季节影响修正指数。
实施例三
实际中，林区气象环境因子监测点的设置点的选择条件为：选择有坡度的地区，以能正常反应晴雨等因素条件下的地表可燃物湿度变化的地区为准；选择林下地表可燃物载量大的小班，且可燃物组成应按极端原则优先选择初始引燃含水率高的含油脂的松类小班，若无则依次递减选择；选择相对干燥高温的阳坡小班。
其中，由于物联网设备的监测最小间隔为五分钟采集一次，高清红外智能相机可以视频实进直播，因此可以实现小时级的监测分析。将火险等级动态监测的时间间隔设置为白天1小时，夜间3小时。
具体地，步骤S5中，云服务器5接收林区气象因子数据、林区地表层可燃物湿度数据和记录有林区自然状况的实时图像和视频数据，与森林防火期实时空气温度气象指数A值表、森林防火期实时空气相对湿度气象指数B值表、森林防火期实时降雨量及之前连续无降水日数气象指数C值表、森林防火期实时风力等级气象指数D值表、森林防火期内生物及非生物物候季节影响修正指数E值表和森林防火期内地表可燃物含水率等级修正指数M值表进行查对，分别得出A值、B值、C值、D值、E值和M值，在套入公式NHTZ=A+B+C+D-E+M，最后得出新火险气象指数。森林防火期实时空气温度气象指数A值表如图3所示，森林防火期实时空气相对湿度气象指数B值表如图4所示，森林防火期实时降雨量及之前连续无降水日数气象指数C值表如图5所示，森林防火期实时风力等级气象指数D值表如图6所示，森林防火期内生物及非生物物候季节影响修正指数E值表如图7所示，森林防火期内地表可燃物含水率等级修正指数M值表如图8所示。
其中，C值查对中，降水量小于0.3mm作为无降水计算，C值在5以上每增加一日C值增加5，C值达到50后不再增加，C值用降水日实时降雨量和之前的无降水日实测值确定。D值查对中，D值达到40后不再增加。M值查对中，M值根据极限原则综合采用松类枯落物可燃性指标确定。
新火险预报模型在LYT1172-95《全国森林火险天气等级》行业标准（林业部1995年6月22日发布）的基础上进行修正，主要涉及两个因素的火险等级监测模型，即：林区小气候条件、林下可燃物含水率（由于火险等级监测采用极限原则，地表可燃物种类直接采用初始引燃含水率高的松类数据；且目前条件下，地表可燃物载量尚无法准确方便地远程获取，因此可燃物种类和载量因素在本发明中不作考虑。）。新火险气象指数公式为：NHTZ=HTZ+M，NHTZ沿用LYT1172-95标准，但指数A、B、D用实时监测数值代替之前的预测极值，即NHTZ=A+B+C+D-E+M。
以上所述实施例是用以说明本发明，并非用以限制本发明，所以举例数值的变更或等效元件的置换仍应隶属本发明的范畴。由以上详细说明，可使本领域普通技术人员明了本发明的确可达成前述目的，实已符合专利法的规定。

Claims (9)

1.一种森林火险等级实时动态监测系统，其特征在于，包括七要素气象站、多层感知土壤监测仪、高清智能相机、云服务器和太阳能供电系统，七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机均通过无线传输与云服务器连接，七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机均与太阳能供电系统连接，太阳能供电系统用于为七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机进行供电，七要素气象仪用于采集林区气象因子，多层感知土壤监测仪用于采集地表层可燃物湿度，高清智能相机用于作防火期内生物及非生物物候季节影响修正值的观测，以及用于林区自然状况的实时图像拍摄和视频监测，即七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机组合成为物联网气象传感器，并形成林区气象环境因子监测点，云服务器用于远程接收林区气象环境因子监测点采集的数据，对数据进行存储、管理和计算分析，并预警。
2.如权利要求1所述的一种森林火险等级实时动态监测系统，其特征在于，七要素气象仪用于检测林区空气温度、湿度、气压、光照、风速、风向和降雨量。
3.如权利要求1所述的一种森林火险等级实时动态监测系统，其特征在于，多层感知土壤监测仪用于检测林区土壤含水量、土壤电导率和土壤温度。
4.如权利要求1所述的一种森林火险等级实时动态监测系统，其特征在于，七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机均具有GPS精准定位功能。
5.如权利要求1所述的一种森林火险等级实时动态监测系统，其特征在于，无线传输为4G无线传输或5G无线传输。
6.一种森林火险等级实时动态监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1.使用七要素气象站监测林区气象因子并通过无线传输将林区气象因子数据发送到云服务器；
步骤S2.使用多层感知土壤监测仪监测林区地表层可燃物湿度并通过无线传输将林区地表层可燃物湿度数据发送到云服务器；
步骤S3.使用高清智能相机监测林区自然状况并通过无线传输将记录有林区自然状况的实时图像和视频数据发送到云服务器；
步骤S4.云服务器接收林区气象因子数据、林区地表层可燃物湿度数据和记录有林区自然状况的实时图像和视频数据，进行存储、管理和计算分析；
步骤S5.云服务器将接收的数据导入新火险预报模型，并根据新火险气象指数公式NHTZ=A+B+C+D-E+M进行计算，计算得出NHTZ，其中，NHTZ为新火险气象指数，M为森林防火期内地表可燃物含水率等级修正指数，A为森林防火期实时空气温度气象指数，B为森林防火期实时空气相对湿度气象指数，C为森林防火期实时降雨量及之前连续无降水日数气象指数，D为森林防火期实时风力等级气象指数，E为森林防火期内生物及非生物物候季节影响修正指数；
步骤S6.云服务器将计算得出的NHTZ与森林火险等级标准查对表进行查对，并根据查对结果进行预警。
7.如权利要求6所述的一种森林火险等级实时动态监测方法，其特征在于，步骤S1中，林区气象因子包括林区空气温度、湿度、气压、光照、风速、风向和降雨量。
8.如权利要求6所述的一种森林火险等级实时动态监测方法，其特征在于，步骤S2中，林区地表层可燃物湿度根据层感知土壤监测仪监测的林区土壤含水量、土壤电导率和土壤温度进行综合确定。
9.如权利要求6所述的一种森林火险等级实时动态监测方法，其特征在于，七要素气象站、多层感知土壤监测仪和高清智能相机组合形成林区气象环境因子监测点，林区气象环境因子监测点设置在代表林区最高的潜在火险区域。
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