湖北森林防火監測預警云平臺建設技術研究

袁傳武 張 維 王崇順 趙 虎 張 鵬 劉先貴

(1.湖北省林業科學研究院 武漢 430075；2.湖北泰龍互聯通信股份有限公司 武漢 430072)

森林火災突發性強、破壞性大、處置撲救較困難。林火在森林內自然蔓延和擴展，不僅造成人員傷亡、森林資源和經濟損失，而且造成環境污染和非常不利的社會影響。尤其是當前，全球氣候變暖、高溫干旱等極端天氣頻發，森林火災特別是重大火災發生的可能性隨之增大，使森林資源銳減形勢更為嚴峻。如何控制和預防森林火災，已受到各國政府、專家學者的高度重視和越來越多的關注。

傳統的森林火災視頻監控主要是應用視頻、圖形圖像等技術監控火災的發生,并及時發出警報，這種方式存在著不完善、預報結果不準確等缺點。而通過物聯網、移動互聯網、熱成像視頻監控技術實時感知森林環境中的真實數據讓森林火險預警更加有效,同時還能實現對重點林區森林火災發生的精準預警,以及發生火災之后火災蔓延預測和火災損失評估。國內的一些專家學者開展了相關研究，在一定程度上提高了林火科學管理和撲救的水平，具有一定的可操作性和應用價值，但這些平臺部分還存在著占用內存資源較高、運行較緩慢和研發成本較高等問題，有待進一步調試與改善[1-8]。利用云技術開發森林防火平臺目前未見報道。本研究采用物聯網、移動互聯網、云計算、大數據等新一代信息技術，建立了一體化綜合森林火災監控預警和應急指揮云平臺，實現了森林火災監控預警的信息化和智能化。

1 建設必要性

湖北位于我國中部，生態戰略地位十分重要。湖北的森林資源對于湖北乃至長江流域經濟、社會的可持續發展和生態環境的改善、保護具有極其重要的作用。湖北是我國火災危害較嚴重地區，森林過火面積年均居全國前十。據統計，僅2016年上半年，全省共發生森林火災211起，過火面積875.46 hm2，受害森林面積166.66 hm2，受害率為0.072‰。與2015年同期相比，火災起數、過火面積、受害森林面積分別上升220%、203%、465%。

另據全省森林資源連續清查第七次復查結果顯示，湖北森林資源進入了數量增長、質量提升的穩步發展時期。森林資源總量的持續增長，特別是神農架等重點林區可燃物載量持續增加，導致部分地區可燃物載量每公頃已經高達50～60 t，遠遠超出國際公認的發生重特大森林火災的30 t臨界值，一旦發生火災，極易成災。加之森林旅游發展迅速，進入林區的人員逐年增多，導致野外火源管理極其困難，火災隱患不斷增加，森林防火預警監測難度加大，極易引發重特大森林火災。

當前，全省森林防火設備設施相對落后、監測預警手段滯后、撲救手段不夠科學。在這樣的條件下，火災的高發生率不僅帶來了巨大的經濟損失，造成森林資源的嚴重流失，甚至影響了生態環境，同時也暴露出我省森林防火及時預警預報難、護林巡查職守難、及時組織撲救難、現場指揮調度難的突出問題。將火災的防治和撲救控制在火災發生的初始階段，減少森林火災撲救指揮的不確定性和盲目性，減少森林火災的損失，提高湖北各級林業政府部門處置和防控突發森林火災事件的能力，提高森林火災撲救效率，成為解決森林防火主要問題的關鍵。

隨著科學技術的發展，以云計算、物聯網、移動互聯網、大數據為代表的新一代信息技術正成為推動森林防火科技化、智能化轉型升級的新動力。為從根本上提高火災預防和撲救森林火災的綜合能力，建立行之有效的省市縣一體化的森林防火監控預警體系，及時防火報警、迅速分析判斷，擴大森林防火的監視面，提高滅火人員的反應速度和決策指揮能力，成為森林防火預警技術發展和應用的重要方向。

因此，采用基于物聯網技術、移動互聯網技術、大數據技術和網格化管理技術等現代化高科技手段，建設省-市-縣一體化森林火災網絡化預警云平臺，24小時全天候對林區進行預警監控，通過遠程視頻監控圖像及時發現林區火災險情，能提高森林防火預警預報準確度和及時性，有效推進湖北現代化森林防火工作，提升湖北森林防火綜合化管理水平。

《全國森林防火規劃(2016～2025 年)》指出，林火監測是實現森林火災“早發現”的關鍵環節，并要求采用熱紅外成像探測技術、高清可見光視頻技術、智能煙火識別技術以及物聯網技術，實現森林火情24小時不間斷探測和自動報警，提升和增強新技術瞭望火情和及時發現火源的能力。因此，采用物聯網等新一代信息技術進行科學、合理、經濟的森林火災預測預報研究，建立一體化綜合森林火災監控預警和應急指揮平臺，實現火災監控的信息化和智能化，是當前森林防火研究的主要發展方向。

2 技術路線

本研究主要運用視頻監控技術、物聯網技術、網絡傳輸技術、移動互聯網技術、智能圖像識別技術、人臉識別技術、生物特征識別技術等，通過安裝在林區的視頻監測站，人臉識別攝像機獲取監控林區的實時紅外、可見光等影像信息和路口行人及護林員的人臉身份信息，利用圖像識別技術自動分析處理監控區域的火情，并將圖像實時、清晰地傳輸到森林防火指揮中心。同時在林區安裝火焰探測器、小氣象監控站、可燃因子采集站、生物特征采集站等物聯網監控設備，網格化監控林區防范火情發生，并實時獲取林區的氣象參數和環境數據，通過大數據分析，及早、及時、準確掌握森林火情，結合GIS相關模型，實現林火監測預警、火情蔓延趨勢分析、輔助決策、撲救指揮、災后評估等功能。

選取雙目熱成像攝像機對森林防火區域進行監控，選取火焰探測器安裝在森林防火重點區域，采用B/S架構來構建云平臺開發，采用原型法來確認系統Web和客戶端UI界面，確認審批后設計定稿。采用JAVA語言開發Web端后臺程序，采用JAVA語言開發Android移動客戶端。開發環境是Windows操作系統，采用Android Studio作為開發工具。發布環境采用云平臺，操作系統采用Windows操作系統，數據庫采用PostgreSQL數據管理系統?；诒O控視頻廠家的SDK開發包和通信協議，開發基于Web的視頻查看和云臺操作界面?；谖锫摼W監測設備提供的通信協議和開放的接口來開發Web端設備監控接收器，實現Web端和物聯網設備之間的互聯互通和數據傳輸，并基于移動互聯網技術完成移動客戶端獲取服務器數據。通過光纖將視頻信號傳輸到監控中心服務器，通過無線傳輸技術將物聯網設備監測數據傳輸到云服務器。通過顯示器將監控視頻展示在監控中心。技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

3 總體設計

3.1 架構設計

云平臺采用三層架構，包括數據訪問層、平臺服務層和應用層，具體架構如圖2所示。

圖2 架構設計

數據訪問層：存儲歷史防火數據、環境監測數據、網絡匯集數據、森林防火政策法規數據、報表及圖件數據、GIS空間數據等業務相關數據；通過數據訪問中間件對服務層提供多源異構數據的訪問能力，通過高效數據緩存系統提供數據高效訪問的能力。

平臺服務層：提供數據服務和功能服務,用于處理森林防火相關的業務數據，提供數據訪問、數據分析、報表生成、圖件制作等功能。提供WEB端應用和移動端應用的構建平臺，該構建平臺支持插件式、配置式、搭建式和共享式的開發模式，支撐應用層業務系統能夠快速搭建完成。

平臺服務層是應用層和數據訪問層之間的橋梁，負責數據處理和傳遞。服務層將具體的業務抽象成服務，封裝成對應的功能接口，供應用層使用。服務接口是系統平臺對外所提供的訪問接口，采用RESTful API對外提供業務數據訪問接口，通過標準的OGC服務對外提供空間數據訪問的能力；支持分布式部署，通過服務平臺的分布式服務調度器實現對這些服務的分布式調用，達到支持高并發和高效數據訪問的目標。

應用層：通過平臺服務層提供的數據服務、功能服務以及應用構建框架，實現森林防火云平臺各端應用系統的快速搭建。

3.2 大數據平臺設計

本平臺主要是森林資源大數據分析平臺，其模型如圖3所示。

圖3 大數據分析平臺

基礎設施層主要涵蓋計算資源、內存與存儲和網絡互聯，具體表現為計算節點、集群、機柜和數據中心。數據存儲和管理層主要包括文件系統、數據庫和類似于YARN的資源管理系統。計算處理層，包括Hadoop MapReduce和Spark，以及在此之上的各種不同計算范式，如批處理、流處理和圖計算等，衍生出編程模型的計算模型如BSP，GAS等。數據分析和可視化基于計算處理層，主要包括簡單的森林數據查詢分析、流分析以及更復雜的分析(如機器學習、圖計算等)。查詢分析基于森林數據的表結構和關系函數，流分析基于森林數據、預警事件流以及火險火災的簡單統計分析，復雜分析基于森林防火預警數據的更復雜的數據結構與方法，如圖、矩陣、迭代計算和線性代數?？梢暬菍ι址阑痤A警分析結果的展示。通過交互式可視化，進行探索性地提問，使分析獲得新的線索，形成迭代的分析和可視化?；谏址阑鸫笠幠祿膶崟r交互可視化分析，以及在這個過程中引入自動化的因素，是當前研究的熱點。

3.3 云平臺部署設計

根據規模和結構體需求分為一般部署、私有云部署、公有云環境部署。本平臺采用Django authentication system安全認證方式，同時采用Iptables或阿里云Web應用防火墻有效的保證系統安全。

通過原始的機房部署形式，使用機房服務器，通過網絡連接，將PC端、移動端和服務器通訊連接在一起，需要龐大的網絡與機房維護資源。如圖4所示。

圖4 平臺本地部署

云端部署：將服務器放到云端，如阿里云、騰訊云等云服務器中，PC與移動端直接與云服務器通過互聯網連接，可減少大量的維護與管理資源。如圖5所示。

圖5 云端部署

3.4 存儲架構設計

本平臺采用分布式存儲架構，具有很強的伸縮性，其性能和容量能夠同時拓展。

圖6 云平臺分布式存儲架構

云平臺分布式存儲架構由三個部分組成：數據服務器、元數據服務器和客戶端。由客戶端發送讀寫的請求，緩存文件數據與文件元數據。元數據服務器負責管理元數據和處理客戶端的請求，是整個系統的核心組件。數據服務器負責存放文件數據，保證數據的可用性和完整性。分布式存儲分為塊存儲、文件存儲、對象存儲。如圖6所示。

4 功能設計及實現

采用云服務構建云平臺，采用JAVA語言開發Web端后臺程序，開發環境是Windows操作系統，采用Android Studio作為開發工具，發布環境采用云平臺。云平臺為應用開發提供云端服務，而不用建造自己的客戶端基礎設施，為開發者提供了穩定的開發環境。B/S架構即瀏覽器/服務器模式，這種模式將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，簡化了系統的開發、維護和使用。在省、市、縣各級指揮中心的電腦上只要安裝一個瀏覽器，即可通過IP地址訪問預警監控信息頁面，并根據省、市、縣不同角色分配不同的帳號權限，不同權限的帳號登錄預警監控頁面將呈現不同的預警信息內容。上級單位可以通過平臺實時查看下級單位的監控預警狀況，而下級單位的帳號只能查看他所在區域的預警監控信息。通過一個平臺不同權限帳號的方式，實現了省、市、縣一體化森林火災監測預警云平臺。如圖7、圖8所示。

圖7 云平臺體系功能架構

圖8 云平臺三層應用架構

云平臺按區域分為省、市、縣級用戶等，省級用戶平臺分為監控系統、預警系統、統計系統、資源系統；省級用戶擁有最高權限，可看到全省各地市州的森林防火監控預警狀況 。市級用戶平臺也分為監控系統、預警系統、統計系統、資源系統；但市級用戶只能看到市所轄區域的森林防火監控預警狀況?？h級用戶平臺分為預警系統、指揮系統、追責系統、管理系統，縣級用戶是森林防火的一線單位，其平臺功能結構圖如圖9所示。

圖9 云平臺用戶功能圖

為滿足湖北森林防火需求設計構造，省級用戶監控系統分為視頻監控、氣象監控、火情監控等功能，預警系統功能包括預警次數、預警位置、預警級別、天氣級別等功能，統計系統功能包括火情統計、森林面積、森林覆蓋率、瞭望覆蓋率等功能，資源系統功能包括防火物資、預案管理、系統管理等功能，功能結構如圖10～13所示。

圖10 云平臺省級功能結構圖

圖11 省級預警功能

圖12 市級預警功能

圖13 九峰國家森林公園預警功能

通過在森林區域安裝氣象監測站、可燃因子采集站、生物特征識別采集站等物聯網設備，實時監測林區的氣象條件、可燃因子參數、植物的生物特征數據，將數據上傳到平臺，通過大數據分析出哪些環境參數及條件下，容易發生火災，并發生預警。此外，根據風速、風向、溫濕度等氣象數據的監測，通過大數據可以分析出火災蔓延的趨勢。如圖14～16所示。

圖14 物聯網監控功能

圖15 歷史氣象曲線圖

圖16 林火蔓延趨勢圖

5 結論

湖北森林防火網格化監測預警云平臺以計算機網絡為基礎，以森林資源基礎數據、防火信息為數據源，遵照國家有關標準以及規范對森林防火相關數據進行科學地存儲與管理，實現快速的森林數據采集、校驗、建庫、查詢、檢索、更新、統計、輔助決策以及資源共享等，實現將大規模的、動態變化的森林防火基礎資料轉換為數字化的、可操作的、可共享的信息資源，為森林防火監控提供了現勢性、高精度的數據，使全省各級部門森林防火信息互聯互通，形成全省一體化的森林防火云平臺，為森林防火提供決策支持信息，為相關部門和社會各界提供不涉密的數據共享。

(1)本平臺提供日?；馂谋O控，減少火災發生的可能性，并能在火災發生的第一時間，及時做出警報，為森林防火指揮提供實時、準確的火災現場情況以及防火人力資源、物力資源、交通資源、水資源信息等各種信息；有效縮短撲火時間，及時控制火災蔓延，減少火災面積，實現有效的保護森林資源和維護生態環境，減少因森林火災所造成的停工、停產、停業等社會不良影響。有利于完善我省森林防火預警監測體系，提高火險預警模型適用性及預報準確率。

(2)通過對現有的森林防火信息平臺的整合， 引入新的云平臺模式，運用物聯網、大數據等新一代信息技術，創新了表現形式，有效解決了森林火災撲救過程中的信息發布不統一協調、監測圖像處理不及時、傳輸格式不統一、各系統間數據不兼容、無法實現數據信息共享和指揮過程滯后的問題。有利于提高我省森林防火信息化、智能化水平和應急指揮能力。

(3)通過云平臺的建設，進一步提高透明度和森林防火部門的社會形象，通過網絡技術加強各級領導及群眾與森林防火工作的聯系，加大對同級部門和下級部門共同履行森林防火工作職能的檢查監督力度，促使各級政府領導重視支持森林防火工作，使防火工作措施得到進一步落實，進一步提高林業部門的社會地位與影響力。有利于提升我省林業部門的社會地位和依法治火水平。