森林草原火險(xiǎn)因子綜合監(jiān)測站及預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)實(shí)施方案

1、總體架構(gòu)
針對森林草原高危和高風(fēng)險(xiǎn)縣火險(xiǎn)狀況，建設(shè)基于凋落物含水率、地表溫濕度、可燃物物候、可燃物溫度、土壤含水率等關(guān)鍵火險(xiǎn)因子監(jiān)測站和空氣溫度、空氣濕度、環(huán)境光照度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、大氣壓等氣象因子火險(xiǎn)監(jiān)測站。耦合可燃物、氣象、地形等火險(xiǎn)要素多源感知數(shù)據(jù)，研發(fā)火險(xiǎn)探測預(yù)警模型，構(gòu)建火險(xiǎn)高發(fā)區(qū)域探測預(yù)警技術(shù)，提高森林草原火災(zāi)預(yù)報(bào)、高火險(xiǎn)預(yù)警、火險(xiǎn)形勢研判的精細(xì)化水平，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的早期識(shí)別和火險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警，提升本地區(qū)森林草原火災(zāi)防范能力。
2、技術(shù)路線
對森林草原高危地區(qū)復(fù)雜火險(xiǎn)狀況，充分利用可燃物、氣象、地形等火險(xiǎn)要素多源感知數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，建立基于可燃物含水率、可燃物溫度、氣象因子、地形的融合預(yù)警預(yù)報(bào)模型；形成適用于不同區(qū)域的山地森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)分級方法，制作森林草原火險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)數(shù)字化產(chǎn)品，提供預(yù)警成果服務(wù)，為輔助開展火災(zāi)預(yù)防、力量調(diào)度、應(yīng)急處置研判提供支撐，圖 2 是技術(shù)路線。
圖2 技術(shù)路線圖
3、建設(shè)內(nèi)容
3.1 開展森林草原火險(xiǎn)因子綜合監(jiān)測站建設(shè)
根據(jù)不同海拔、地形、植被特征，在森林草原代表性區(qū)域布設(shè)火險(xiǎn)因子綜合監(jiān)測站，在全省高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域建立森林草原火險(xiǎn)監(jiān)測網(wǎng)。該網(wǎng)格覆蓋全省高風(fēng)險(xiǎn)縣，通過監(jiān)測凋落物含水率、可燃物物候、可燃物溫度和氣象因子等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)火險(xiǎn)多因子監(jiān)測的性和多樣性。監(jiān)測站如圖 3 所示：
圖3 火險(xiǎn)因子監(jiān)測站
3.1.1 監(jiān)測站組成
監(jiān)測站由數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集、、供電系統(tǒng)、立桿結(jié)構(gòu)件五部分組成，如圖 4 所示：
（1）數(shù)據(jù)感知：包括凋落物溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、降雨量傳感器、輻射傳感器、可燃物物候等多種傳感器組成；
（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集器；
（3）系統(tǒng)：數(shù)據(jù)可通過 4g 模塊、北斗短報(bào)文模塊、lora 模塊等多種傳輸方式，確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸；
（4）供電系統(tǒng)：觀測站采市電、太陽能/蓄電池以及市電+太陽能三種供電方式，保證系統(tǒng)在無電地區(qū)常年穩(wěn)定工作；
（5）結(jié)構(gòu)件立桿：根據(jù)現(xiàn)場條件選擇使用 3 米或 10 米立桿，系統(tǒng)采用了防雷、抗電磁干擾電路設(shè)計(jì)，安裝避雷裝置確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；
3.1.2 主要設(shè)備
3.1.2.1 數(shù)據(jù)采集器
數(shù)據(jù)采集器采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行配置：可以采集 6 路模擬信號(hào)和 8 路數(shù)字信號(hào)。每路模擬測量通道都具有三種工作方式：測量一個(gè)電阻或者同時(shí)測量三個(gè)單端電壓和一個(gè)電流或者一個(gè)單端電壓一個(gè)差分電壓及一個(gè)電流。可以采集各種模擬和數(shù)字信號(hào)，可以根據(jù)用戶需要外接風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、溫度、濕度、氣壓、輻射、土壤類、物候、凋落物溫濕度等多種氣象要素傳感器，從而可以很好的滿足用戶的監(jiān)測要素配置要求。系統(tǒng)連接示意圖如圖 5 所示。
圖5采集器連接示意圖
3.1.2.2 監(jiān)測參數(shù)
（1）凋落物含水率
凋落物含水率檢測通過空氣溫濕度、地表空氣溫濕度、土壤溫濕度、降雨量結(jié)合紅外光譜出凋落物的表層含水率和內(nèi)層含水率。 可燃物物候
圖6可燃物物候檢測儀
可燃物物候儀支持預(yù)置位動(dòng)態(tài)抓拍，全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集 ，1600 萬高清+200 萬近紅外組合全天候高清抓拍，水平 360°旋轉(zhuǎn)，垂直-90°~+90°，30 倍光學(xué)變倍鏡頭+高清廣角鏡頭組合全角度細(xì)節(jié)抓拍功能。可實(shí)時(shí)計(jì)算植被蓋度、ndvi 指數(shù)、植被物候。還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)植物、火電等動(dòng)態(tài)識(shí)別。設(shè)備效果圖和實(shí)物如圖 6 所示。
（3）空氣溫濕度
hmp155 溫濕傳感器用來同時(shí)測量空氣溫度和相對濕度。測濕元件是聚合物薄膜電容傳感器 humicap180。供電電源為+7～35vdc。測溫元件是鉑電阻傳感器 pt100。感應(yīng)部件位于傳感器桿頭部，外有一層濾膜過濾罩保護(hù)。傳感器如圖 7 所示：
圖7溫濕度傳感器
（4）風(fēng)速傳感器
風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件為三杯式回轉(zhuǎn)架，信號(hào)變換電路為霍爾開關(guān)電路。在水平風(fēng)力的作用下，風(fēng)杯組旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動(dòng)磁棒盤旋轉(zhuǎn)，其上的 36 個(gè)磁體形成 18 個(gè)小磁場，風(fēng)杯組每旋轉(zhuǎn)一圈，在霍爾開關(guān)電路中感應(yīng)出 18 個(gè)脈沖信號(hào)，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加。如圖 8 所示：
圖8風(fēng)速風(fēng)向傳感器
（5）風(fēng)向傳感器
el15-2c 風(fēng)向傳感器的測量是利用一個(gè)低慣性的部件作為感應(yīng)原件，部件隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸下端的風(fēng)向碼盤，此碼盤為格雷碼。
傳感器的輸入和輸出均采用瞬變抑制二管進(jìn)行過載保護(hù)。外部零件選用耐腐蝕的材料制造并噴涂層保護(hù)，密封采用迷宮結(jié)構(gòu)和 o 型環(huán)保儀器內(nèi)部的敏感原件不受惡劣環(huán)境影響。
（6）降雨量傳感器
sl3-1 型雨量傳感器用來測量地面降雨。適用于氣象臺(tái)（站）、水文測站、農(nóng)、林業(yè)等有關(guān)部門用以測量液體降水量、降水強(qiáng)度，儀器感應(yīng)器用二芯電纜連接，輸出機(jī)械觸點(diǎn)信號(hào)（干簧管）。sl3-1 型雨量傳感器由承水器、上翻斗、計(jì)量翻斗、計(jì)數(shù)翻斗等組成。
（7）大氣壓力傳感器
ptb220 數(shù)字氣壓表都是經(jīng)數(shù)字化調(diào)整，并由電子工作標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。ptb220 系列壓力表采用維薩拉研制的 barocap 硅電容式壓力傳感器來測量大氣壓力。 barocap 傳感器具有優(yōu)異的無滯后、可重復(fù)、耐溫變和長期穩(wěn)定等特性。 土壤水分傳感器
zw-sw01 型土壤水分傳感器性能穩(wěn)定、、靈敏度高，是觀測和研究土壤水分動(dòng)態(tài)變化的重要手段。通過測量土壤的介電常數(shù)，能直接穩(wěn)定地反映各種土壤的真實(shí)水分含量。土壤水分傳感器可測量土壤水分的體積百分比，是符合目前標(biāo)準(zhǔn)的土壤水分測量方法。適用于土壤墑情監(jiān)測、科學(xué)試驗(yàn)、節(jié)水灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、植物培養(yǎng)、精細(xì)農(nóng)業(yè)、地質(zhì)災(zāi)害等多個(gè)應(yīng)用場景。如圖 11 所示：
（9）土壤溫度：
zw-p1 溫度傳感器是用來測量土壤/溶液的溫度，鉑電阻溫度傳感器精度高、穩(wěn)定性。zw-p1 溫度傳感器通過鉑電阻阻值隨溫度升高而增加的特性，實(shí)現(xiàn)對溫度的測量，通過電阻值與溫度的對應(yīng)關(guān)系即可換算出當(dāng)前溫度值。zw-p1 溫度傳感器廣泛應(yīng)用于土壤/水質(zhì)等環(huán)境的溫度測量。如圖 12 所示：
（10）光照強(qiáng)度傳感器
火災(zāi)的蔓延方向和速度受地形因素影響，太陽輻射強(qiáng)度以及土壤特性等；太陽輻射強(qiáng)植被和可燃物的含水量較低，易燃燒；光照度傳感器又稱光照度變送器 ，光照變送器（或光照度感應(yīng)器）采用光照度傳感、光學(xué)材料窗口、鋁合金殼體結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、密封性好、使用壽命長、測量精度高、穩(wěn)定性好，傳輸距離長、抗外界干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
3.1.2.3 供電系統(tǒng)
監(jiān)測站供電采用光伏太陽能供電系統(tǒng)供電：供電設(shè)備包括光伏太陽能板、充電控制器、蓄電池以及電源線纜、防護(hù)地埋箱等。供電系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算并嚴(yán)格測試，配置合理。確保設(shè)備可在連續(xù) 10 天以上陰雨天氣條件下正常運(yùn)行。
（1）太陽能板和蓄電池
太陽能電池板是自動(dòng)站電源系統(tǒng)中的部分，它作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，為蓄電池充電，同時(shí)當(dāng)電池電壓不足時(shí)，為自動(dòng)站提供工作的能量。太陽能采用單晶硅太陽能硅晶片，發(fā)電效。蓄電池采用膠體免維護(hù)蓄電池，整體免維護(hù)，使用壽命達(dá)到 5 年以上。本系統(tǒng)采用 400w 太陽能板為系統(tǒng)充電，300ah 膠體電池。太陽能電池板如圖 13所示：
圖 13 太陽能電池板和膠體電池
（2）電源控制器
電源控制器是專為野外環(huán)境工作、無人職守的自動(dòng)站而設(shè)計(jì)?？蔀閭鞲衅骷白詣?dòng)氣象站系統(tǒng)供電，它通過太陽能電池輸入，以+12v 直流電源形式輸出，具有抗干擾，防雷擊等功能。該電源工作時(shí)，對 12v 電池控制充電，使其充電控制在 10.8～13.8 之間，不間斷的向負(fù)載供電。圖 14 為太陽能充放電控制器。
圖 14 太陽能充電控制器
3.1.2.4 通訊解決方案
設(shè)備通訊可采用 4g 和北斗互補(bǔ)的傳輸方式。數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置 4g 通訊模塊，給設(shè)備插上 4g 通訊卡即可實(shí)現(xiàn) 4g 圖 15 所示。
監(jiān)測通訊也可采用北斗和 4g 相結(jié)合的方式，北斗和 4g 通訊互為備份。4g 網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)速度快，帶寬大的特點(diǎn)。北斗具有不依賴于地面通訊網(wǎng)絡(luò)，、性高的特點(diǎn)。二者優(yōu)勢互補(bǔ)，可確保通訊不會(huì)中斷。圖 16 所示。
3.1.3 技術(shù)參數(shù)
火險(xiǎn)因子監(jiān)測站技術(shù)參數(shù)請聯(lián)系我公司人員。
3.2 森林草原火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警數(shù)字化平臺(tái)
3.2.1 火險(xiǎn)因子監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集與融合
實(shí)時(shí)采集火險(xiǎn)因子綜合監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于采集的多源數(shù)據(jù)，包括凋落物、可燃物、氣象、地形等火險(xiǎn)要素?cái)?shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)融合與整合工作。從火險(xiǎn)監(jiān)測站、氣象監(jiān)測站、可燃物物候監(jiān)測站、遙感數(shù)據(jù)等多個(gè)數(shù)據(jù)源收集數(shù)據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，以去除異常值、處理缺失值和校準(zhǔn)不同數(shù)據(jù)源的不一致性。不同來源的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式和標(biāo)準(zhǔn)單位，并通過匹配和對齊，以確保空間和時(shí)間上的一致性。對整合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估，檢查其準(zhǔn)確性、完整性和一致性。將不同來源的數(shù)據(jù)集成到一個(gè)系統(tǒng)中，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和性。將整合后的多源數(shù)據(jù)應(yīng)用于火災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，構(gòu)建綜合的火災(zāi)感知技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)信息的感知和分析。為掌握監(jiān)測覆蓋情況、了解監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢、開展風(fēng)險(xiǎn)管控提供數(shù)據(jù)支撐。
3.2.2 模型構(gòu)建與算法開發(fā)
基于多源數(shù)據(jù)，提取和選擇對火災(zāi)預(yù)警具有顯著影響的特征，開發(fā)基于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)或統(tǒng)計(jì)方法的火災(zāi)預(yù)警預(yù)報(bào)模型。利用歷史數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型訓(xùn)練，并通過交叉驗(yàn)證方法評估模型性能。確保模型在訓(xùn)練集和測試集上都具有良好的泛化能力，可以準(zhǔn)確預(yù)測火災(zāi)預(yù)警。著重研究多源數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的火災(zāi)預(yù)警預(yù)測技術(shù)，探索不同數(shù)據(jù)源之間的關(guān)聯(lián)性和互動(dòng)作用，通過數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)融合。利用融合后的數(shù)據(jù)，提高火災(zāi)預(yù)警的準(zhǔn)確性和靈敏度，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的協(xié)同作用。
3.2.2 建立火險(xiǎn)等級評估系統(tǒng)
開發(fā)適用于不同地區(qū)和復(fù)雜地形的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)分級方法。利用 gis技術(shù)對收集到的地形、氣象和植被數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化、空間疊加分析等。運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，對收集到的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探索數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和模式，識(shí)別影響火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素。基于多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，建立火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，包括火災(zāi)潛在危險(xiǎn)性指標(biāo)、易燃性指標(biāo)、火災(zāi)擴(kuò)散性指標(biāo)等，用以量化和評估火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)，利用gis 技術(shù)繪制火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)圖，將區(qū)域劃分為不同的風(fēng)險(xiǎn)等級或類別，以不同地區(qū)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度，并對生成的風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)圖進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。
3.2.3 火險(xiǎn)感知警告
基于基于逐小時(shí)森林草原火險(xiǎn)等級評估和預(yù)報(bào)，實(shí)時(shí)篩 選高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域特征，同時(shí)結(jié)合地形、植被特征、地表可燃物和天氣狀況，計(jì) 算引燃概率，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的動(dòng)態(tài)智能識(shí)別生成告警信息。
3.2.4 生成火險(xiǎn)等級圖
綜合考慮歷史火情和火源特征、天氣和可燃物狀況、天氣變化趨勢等因素，融合應(yīng)急管理部 egis 底圖或地方高清底圖服務(wù)，形成精細(xì)化的森林草原火險(xiǎn)等級熱力圖險(xiǎn)等級圖。
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