【3S技术在森林防火中的运用研究10000字（论文）】

现代林业3S技术在森林防火中的运用研究目录1绪论 页共20页1绪论1.1研究背景及意义随着人类活动的影响和全球气温的变化，森林火灾发生的频率逐渐增加，强度逐年加大，森林火灾毁损大量的森林资源，造成巨大的环境、经济损失，森林火灾始终伴随着人类生产生活存在。我国是森林火灾多发国家，我国近十年发生森林火灾37887起，受害森林面积多，人员伤亡严重。其中，2018年，全国共发生森林火灾2478起（一般森林火灾1579起、较大森林火灾894起、重大森林火灾3起、特大森林火灾2起），39人在森林火灾中造成伤亡。森林火灾也给森林带来了巨大的灾难，约有16309公顷大面积森林受到火灾的影响。在2019年，森林火灾发生数量非常多，有2345起，大量森林受到影响，约有13505公顷的森林被破坏。对森林的保护，某种意义上讲也是强调对森林火灾的预防。森林火灾是每个国家、每个地区都需要重视的问题，这其中有许多不可控的因素，所以也是对森林管控人员的一次巨大挑战。森林火灾具有不可控性，发生森林火灾大概率都是偶然性事件，3S技术对林火扑救工作具有极其重要的意义。3S技术的引用可以对火灾的防控起实际意义，在发生森林火灾时，可以利用遥感技术对火灾发生的地点进行检测，并对其进行分析，利用3S技术进行定性和定量分析。3S技术在森林火灾的防控中有重要的作用。在掌握发火点之后，可以利用遥感系统对火灾面积进行预测，进而使消防人员能够更快的扑灭火灾，使得森林火灾的危害降低。在森林防火过程中，可以充分利用3S系统进行检测，因为3S系统具有非常高的可靠性，能够方便快捷的对森林火灾进行监测，这是科技发展到一定阶段的产物，对森林火灾的防控有重要的意义。目前，全球定位系统提供了准确的地理位置，遥感技术监测变化数据，地理信息系统对相关数据进行收集、编排、存储、管控、操作和分析，在发挥各自技术优势的基础上，3S技术已发展为系统的有机整体，并实现了地理信息系统的高度智能化，其为林火扑救提出了很多个性化的解决方案，在森林火灾预防的过程中，3S技术发挥了不可替代的作用。全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）、遥感技术（Remotesensing，RS）、地理信息系统（GeographicalInformationSystem，GIS）和RS（遥感）三者的总称为3S技术。3S技术在监测和防治自然灾害，城乡管理与规划，林业资源合理规划以及现代社会持续发展等领域中都有着独特的作用。3S技术是将各种技术综合在一起的技术，如通信技术、计算机技术、传感器技术、空间技术以及卫星定位和导航技术。当这些技术综合使用在一个技术中，就会实现对信息的传播、表达、分析、管理、处理以及采集。RS技术使用范围非常的广泛，很多领域都出现了RS技术的身影，特别在自然科学领域中发挥着自己独有的优势，比如测绘、气象、水文和林业。RS是指在远距离的范围过程中对特定对象不接触的进行测量的一种科学方法。RS技术可以实现周期性监测，并且可以获取大面积的地面信息，保证遥感信息的实时性、动态性、精度性。该技术下的卫星接收系统非常精准，可以根据用户的需求进行相对应设定，形成相对应的数据库，如林区植被指数、区域地表亮度等影像资料，为森林火灾的实时监测提供重要数据，RS技术可以很好的提高数据的精准性，对火灾的程度进行精准的监控，可以向卫星发送高分辨率的材料。但是RS技术也有一定的缺陷，比如定位方面不太精准。但是在3S整个系统中，可以使用GPS和RS进行协作完成。GPS在精准定位方面作用十分显著，我们可以通过GPS对森林火灾的地点进行定位，对森林火灾发生的范围进行测量，可以测量火烟的高度，因此GPS在森林火灾的防控过程中发挥着重要的作用[1]。GPS有很多功能，包括定位森林火点，为指挥部队提供方向。由于政府各国认识到了全球定位系统在军事上的重要作用,美国政府把未经美国军方许可的广大用户的实时定位精度降低到它所允许的水平100mm，以保护其国家利益。中国北斗卫星导航系统(BeiDouNavigationSatelliteSystem，BDS)是中国自行研制并取得成功的全球卫星导航系统。这是第四个被熟知的卫星导航系统，其它三个分别是美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)和欧盟伽利略定位系统（GalileoPositioningSystem）。2019年9月，北斗系统开启了它的美妙旅程，综合来看，目前北斗系统有2颗运行于倾斜地球同步轨道、18颗运行于中圆轨道、1颗运行于地球静止轨道，共组成21颗北斗三号卫星，实际在轨39颗卫星。GIS是将地理空间数据库以及计算机软硬件相结合运用的技术系统，其对相关数据进行收集、编排、存储、管控、操作和分析等。该系统用以发现火情，在实际应用中，可以很好的对森林火灾进行相对的预判，提高了森林火灾预防的精准性，对森林火灾进行高效率扑救。3S技术不仅仅是在森林火灾的防控上有重要作用，还在森林资源的监测和森林资源规划上有着独特的作用。1.2研究现状3S技术在发达国家的应用较早且相对成熟，但在我国仍有很大发展空间，近年来许多学者利用3S技术在森林火灾方面开展了研究。梁晓辉在对森林火灾以及3S技术进行相对应的研究过程中，指出3S技术可以有效监测森林火灾；徐爱俊在对各项森林火灾预测的研究中，提出了可以建立火灾预测的模型，具体可以通过数学建模、GIS技术以及遥感数据来实现；赵乘指出，3S技术可以应用于不同的领域，森林火灾属于林业方面。在森林火灾发生之后，可以根据3S技术对发火点进行定位跟踪，在对发火点进行监测的过程中，可以预测火灾的面积，进而推测出最佳的灭火方案。使用3S技术可以更好的保障消防员的安全，也可以更快的扑灭森林火灾。3S技术在防控森林火灾中有十分重要的作用。3S技术在森林火灾领域有重要的作用，在森林火灾发生的过程中，3S技术可以很好的进行跟踪监测，这是防控森林火灾中的一个非常重要的方法。3S技术可以更加方便快捷的对火灾数据进行监测和分析，根据人工智能做出可以挽回整个火灾局势的决定，并为控制中心传输数据。其中，RS是GIS的重要信息来源依据，GIS是支持遥感技术进一步开发利用的平台，GPS可以提供精确地位置信息。由此可见，3S技术功能非常强大。它可以对森林火灾进行实时监控，对着火点进行定位以及进行森林火灾损失的评估。遥感具有很多优点，特别是成本低、速度快和面积大，可以对林火的发生和及时动态进行监测，同时结合GIS技术，对观测到的具体数据进行分析、处理，再结合遥感影像对与专题地图，叠加后得出火点准确位置。采用GPS火场进行定位、测算火场面积，保证了数据的精确度安全性，为火灾扑救指挥部门提供火灾准确定位和对火情准确的判断。3S技术在我国已经使用的非常频繁，特别是在森林火灾领域。在使用3S技术发展的同时，我国积极研发了森林火灾损失评估系统、森林火灾扑救指挥系统以及信息管理系统等，将3S技术与这些系统融合在一起时，可以更好地对森林火灾进行防控。在科学技术不断向前发展的过程中，森林火灾防控系统也在不断的优化完善。通过3S技术与物联网技术的联手，实现了森林火灾协同监测体系的建立。这个体系可以更加精准的对森林火灾进行防控，减少不必要的人力物力财力的损失。1.3研究内容本文以3S技术为研究对象，主要研究其在森林防火中的具体应用。第一章绪论中，先介绍了3S技术在林火消防中的研究背景、意义及研究现状，并对研究内容进行梳理；第二章分析总结了我国面临的林火形势与森林防火工作现状，林火消防工作仍重道远、十分艰巨；第三章从火险区划、监测火情、制定防火系统三个方面来分析3S技术在林火消防中的具体应用；第四章在前三章的基础上，以东仲林区森林防火工作为例，对3S技术在林火消防工作中的应用与不足进行分析；最终在第五章给出相关改进建议，即技术革新、分层规划；第六章结论中再次强调总结了3S技术对保护森林生态资源，维护森林资源可持续发展的重要意义。

2我国森林火灾防控现状2.1我国面临的森林火灾形势全球每年约有1%的森林经历火灾的干扰，森林火灾的危险系数非常高，因为气候原因，我国的森林火灾发生数量非常多。在2000至2014这14年之间，1.0×105hm2/年的森林面积被破坏，2.4×105hm2/年的森林面积遭受到火灾，7945次/年是这14年森林火灾发生的平均次数。火灾造成的金钱损失高达1.5亿元/年[3]。此外我国正在不断提高森林覆盖率，大力开展植树造林工作，这也导致一旦出现火灾，就会有更多的植被遭到破坏；由于全球变暖，极端天气出现的频率也逐渐增多，这也加大了森林火灾出现的风险，国家防治森林火灾工作不容忽视。我国地域广阔，社情、林情、火情更为复杂。我国不断地植树开荒，森林面积越来越广，其中森林面积覆盖最多的是东北和华南地区，这中间也涵盖了大量的原始森林。这些地区近些年来也在不断发展经济林，再加上经济的不断发展，城镇面积的不断扩大，人们居住地与森林间的距离也越来越近，这也大大增加了发生森林火灾的风险，在未来森林火灾出现的频率会越来越高。而那些森林覆盖率较高以及由国家重点保护园林的地区，就成为火灾高发区，需要做好防护。如果遇到高温少雨多风天气，火灾风险就会大大提高，如果在火灾发生初期没有很好的控制火势，火势就会利用大风不断蔓延，造成更多的损失。加上北方森林覆盖面积广，就会出现连带反应。禁止在大中林区修建工厂等的措施可以大大减小森林火灾对居民居住地的危害。再加上我国这些地区人口众多，居民区面积广，经济林面积大，城镇化速度不断加快，这也一定程度上会导致城市边缘森林火灾频发，且各区域之间距离小会加快火势蔓延速度，从而带来更大的危害和损失。虽然在居民区域和森林区之间会用耕地来阻断，但是居民房屋大都是木材制造的，防火性能差，再加上森林覆盖面积广，地势复杂，火灾发生时，很难找到火源，扑救难度大，消防人员生命安全会遭受威胁。此外森林火灾会造成财产损失，损害个人权益，容易激发社会矛盾。2.2我国森林防火工作的发展与现状我国的防止林火事业的发展，大体上经历了5个阶段。第一个阶段是1949年到1956年，我国森林防火工作逐步开展；第二阶段为1957年到1965年，我国进入林火防治的全面建设中；第三阶段是1966年到1976年，我国森林防火工作处在停顿状态，森林火灾十分严重；第四阶段即1977年到1986年，为我国林火防治工作进入全面恢复与发展阶段；第五阶段自1987年至今，1987年5月6日至6月2日，黑龙江省大兴安岭北部林区发生了一起特大森林火灾，国务院当即成立中央森林防火总指挥部，并每年召开两次会议，研究部署森林防火工作，使我国森林防火工作得到全面加强。目前，我国林火防治工作十分严峻。首先，从地理情况来看，我国森林资源主要分布在人口密度小、地形复杂的山区，人工扑救不能满足现实要求。其次，我国有着春夏、秋季相连的防火期，加之全球气候变暖，温度上升也提高了森林火灾发生的频率。此外，为了促进工业化发展，开始构建工业园林，导致林区单位面积的可燃物增加，加大了林区的可燃性。所以要做好对森林园区的防护工作，提高应对火灾的能力，不断研发先进技术提高森林火灾的扑救效率，3S技术可以有效提高扑救效率，正逐渐被运用到森林火灾扑救工作当中。

33S技术在扑救森林火灾中的具体应用3.1火险区划目前，3S技术广泛应用于森林火险区划研究当中。其中，RS以其实时性的优势，与GIS和GPS这两个技术有效结合，能够更好地判断火势蔓延情况，更快速地找到起火的具体位置，为火灾防治工作提供了重要数据来源与先进技术手段。3S技术具有强大的空间分析系统，并结合定性、定量分析方法，可以实现我国的森林火灾监测以及完成相应的森林火险区划任务。在3S技术与数学统计方法的结合下，调查区域的火势情况，以及各个方面的详细信息都可以通过检测得到。从火灾发生时间，发生地点等有关信息中判断火灾发生的主要原因，在分析整理检测到的有关数据来观测火势具体情况和蔓延趋势，从而及时找到有效方法控制火势。在得到火灾的具体情况之后，运用3S技术，划分出活在区域，制作出火势模拟图，在将有关数据搜集整理分析，为以后扑救工作积累经验以及技术支持。图3-1九寨沟国家级自然保护区森林火险等级区划图如上图3-1，根据九寨沟森林火灾管制要求和防治具体情况，利用相关信息可以分析出九寨沟不同地区发生火灾的危险系数以及林区占总面积的比例；结合区域内人员活动密集分布、易燃树种分布区、林木资源和人为用火活动情况分析易燃原因；为了制定高效的管理措施，找出实用的防治方案，相关部门要严格按照国家标准不断完善林区的防火设施，根据其相关系数将林区划分为不同的等级，分级管理，要时刻关注高火险区，对于危险系数不那么高的地区，可以稍微放宽监管频率，但仍要定期核查，设计完善的检测系统，及时排查出安全隐患，从而达到有效预防森林火灾的目标。3.2监测火情森林火灾发生时往往比较突然，火势迅速蔓延，破坏力极大，影响深远。RS技术可以实时检测，并在同一时间替换以往数据使得人们能够准确获取火点信息并及时了解火灾情况。林火情况中，利用遥感技术的卫星影像发现火点，并进行实时监测，再根据GPS的定位功能准确地找到火源，然后利用GIS有关功能对火灾地区的数据进行采集并深度分析，将这些技术结合分析可以更快速地判断火灾具体情况。目前，我国已经已经开始将互联网技术运用到火灾防治工作中，构建了更高效更完整的检测体系，实现了林火的自动监测预警，进一步地提高了森林火灾防治水平。气象卫星作为监测森林火灾的重要技术支撑，其特点是观测范围广，频次密，信息丰富。新一代极轨气象卫星FY-3卫星的标志着我国气象卫星火情监测应用进入了更深层次的发展，与此相关的火点判识自动化、长时间序列火点数据集建立等研究在同步发展，完善了气象卫星火情监测在防灾减灾等领域中的功能。2009年4月下旬至5月上旬，在黑龙江省逊克县的森林火灾中。FY-3A星对火灾进行了持续监测和快速评估。如图3-2所示：火场的明火区、过火区和未燃区；再用亚像元火点面积划分黑龙江逊克县火情火点的强度，如图3-3所示：在火场的东北方向和西北方向有像元火点呈粉红色，强度达6级，表明该处火势较其他区域大。图3-2FY-3A星VIRR黑龙江逊克县火情多通道合成图图3-3FY-3A星VIRR黑龙江逊克县火情火点强度利用FY-3A星MERSI（中分辨率光谱成像仪）的2009年5月5日10:05的过火区监测图，如图3-4所示。由图可知:过火区域面积大。再用4月28日至5月5日FY-3A星MERSI提取的过火区信息，获取连续时间段内的过火区叠加图，如图3-5所示。根据图3-5，可以了解火场各日的火情发展程度。图3-4FY-3A星MFRSI黑龙江逊克县火情-2009-05-0510:00图3-5FY-3A星MFRSI黑龙江逊克县火情多日叠加情况RS技术下，指挥中心可以连续跟进黑龙江逊克县火情动态，掌握该地区详细的火区位置、温度变化等，使该地实现了灾前准备、救灾、监控、灾后损失评估和重建恢复等工作。2020年3月28日19时30分，四川省凉山州发生森林火灾。为及时支撑应急灭火工作，多个卫星紧急驰援灾情监测，获取火灾区高分卫星数据，第一时间提供给四川省应急管理厅、省林业厅、凉山州政府等相关应急服务部门，为前方指挥及灾情评估提供重要参考。省、州、县各级领导及时组织森林消防、地方专业扑火队伍、应急民兵以及群众等灭火力量共2182人和3架森林航空消防直升机采取地空配合全力扑救。图3-6高分四号卫星数据（获取时间：2020年3月29）图3-7高分一号C（获取时间：2020年3月30）图3-8哨兵2卫星数据采取不同波段组合的显示效果综上所述，RS卫星遥感在森林火灾扑救中发挥的作用十分重要，其特点是得到结果的速度快并且耗费小。3.3制定防火系统目前，我国综合运用3S技术，并以此项基础为核心，再与GPS、CIS进行结合，对产生的重要信息进行分析，归纳。这一技术可以有效的判断火灾发生的具体位置以及实时情况，从而能够预测火险程度、分析火灾救援方式及评估灾后经济、生态损失。系统功能结构如图3-9。图3-9系统结构功能图3S技术为该地的林火监测提供技术支持，并有助于构建完善的林火管理和防控系统，以便获得更详细的数据，对火灾破坏程度进行一个准确的评估，从而进一步提升了区域林火防治水平，减少火灾带来的巨大损失。结合区域林火情况统计可以看出该地区火灾发生次数在年尺度和月尺度上是否存在规律性：在冬季和春季时天气比较干燥时森林火灾的高发区，在这两个季节要高度重视，做好预防工作。再结合森林火灾的空间分布情况与地区森林火险等级的划分图，对等级不同的区域采取不同的防治方案。首先要加大对防火知识的宣传，加强监督管理，提高群众自纠自查的意识；提高对对区域可燃物的管理力度，对风险较高的可燃物进行监管或提供防火设备支持；完善基础消防设施，建设并维护防火隔离地带，防治森林火灾蔓延扩大而导致的居民财产受到严重威胁；在清明节等存在较大火灾隐患期间要落实巡逻制度，发现问题及时处理。

43S技术在扑救森林火灾中的应用实例与不足东仲林区在林火扑救实际中以3S技术为主：借助遥感技术可24小时不间断检测气象情况，及时输出数据，对火灾的防控和检测工作有很好的辅助作用，再利用GPS系统准确发现火势源头；通过GIS技术检测得到的信息进行辅助决策、受灾分析，灾后评估，为林火指挥决策提供依据。4.13S技术在东仲林区森林防火技术框架3S技术有三层，第一层是表现层，包括森林防火主系统，森林防火信息管理子系统，火场跟踪与指挥子系统；第二层是业务层包括林火监测，防火专题图的显示，森林火灾档案管理等；第三层是数据层包括基础地形数据库，防火信息数据库，多媒体资料数据库。如图4-1所示：图4-13S技术在东仲林区森林防火技术框架同时，如下图4-2所示，3S技术在东仲林区森林防火中应用的核心：一是基于GIS、GPS、RS技术的林火信息数字化，以RS对林火的图像信息进行采集，通过GPS精确定位林火位置，以G1S为平台对数据进行处理分析；二是对这些数字信息进行存储、传输和应用。图4-23S技术在东仲林区森林防火中的应用4.23S技术在东仲林区森林防火中的具体应用1.气象遥感卫星可以对接收的相关数据进行预处理，并且系统自动生成区域投影的相关数据，从而达到自动监测火情，并生成火情、植被指数等监测报表以及图像。该系统下，生成的成像范围广、及时准确、成本合理，十分满足林火监测预警的现实工作要求。2.地理信息系统技术实现了包括瞭望台位置分析、林火扑救道路选择和防火隔离带布设在内的森林防火规划；该系统可以实现对现场林火的报告与准确定位林火的位置；建立起一套有针对性的林火信息管理库；有利于对火灾带来的损害有一个准确的预估，再将各相关技术工作产生的信息深度分析。3.GPS在林火扑救工作中使扑火队伍能以最短的路径和时间，抵达火灾现场，为“三打”提供更多的操作时间，GPS在整个火灾扑救工作中起着重要作用，可以准确判断火灾发生具体位置，规划扑救路线，有效预判出受灾面积。目前，我国有很多林区在进行扑救工作时都采用了3S技术，借助遥感技术可实现火灾全天候监控；利用这些系统检测到的具体情况，可以更好的判断火灾火势，从而拟定出最高效的扑救方案，为林火指挥提供决策依据；借助全球定位系统定位火灾的地点和范围。综上，3S技术在东仲林区森林防火中的应用，为全面了解火势蔓延情况，火灾发生地区实时气象等提供了重要信息，可以更及时准确的进行防空指挥，有效保障森林安全，提高了林业资源综合管理水平。4.33S技术在扑救森林火灾应用中存在的不足虽然3S技术已经广泛应用到森林火灾的扑救工作当中，但由于我国研究发展较晚，3S技术还没有最大程度上的被挖掘出来，仍然存在一些问题和不足。1.卫星数据存在空间分辨率较低，易受到强反射面和高温饱和等因素的干扰，很难实现对林火火烧强度十分精确的监测；同时，NOAA、MODIS、FY等极轨卫星虽然对同一林区每天2次扫描，但每次扫描时间短暂，不能够全程监控了解气体形成和排放的具体流程，此外，天气状况不同，气象监测效果也不同，云雾天气会导致监测结果准确度低。所以在使用遥感技术工作时，不可避免的会出现误差。2.多普勒雷达火情自动监测系统（DRARFS）在实际工作中存在大量火情不能被监测预警的情况，如：林火初发时，数据在系统报警阈值内，雷达无法探测，也无法实现及时预警；当风级别较大时，稀释烟尘浓度，降低了雷达检测灵敏度，影响火势判断的及时性，导致报警时间出现延迟，不能够及时发现火灾；此外，雷雨等天气同样会导致系统失误。3.无线传感器网络（WSN）的各个节点、基站都需要大量的电池供应，从而实现林火数据的传递，其供电能力十分关键，会影响到数据处理能力。当森林生态环境复杂时，要尽可能的减少电池以及传感器的体积。因此，对于网络的持续能力、稳健性和重纠能力提出了新的要求。4.我国小型无人机目前存在的问题是电池续航能力较差，这就意味着飞行时间较短，难以实现长距离的飞行与运作；机身的载荷较小；缺乏抗干扰性较好的火点自动识别系统，在飞行过程中又易受火场的影响。

53S技术在扑救森林火灾应用中的意见建议5.1对设备不同空间层次监测平台的技术革新在RS技术方面，空间信息获取技术在持续更新，在云计算、大数据挖掘等领域的处理技术实现了巨大突破，同时，新型高分卫星传感器实现了技术层面上的革新，其能更准确的进行判断分析，其对时间的敏感度更高，也能更全面的分析空间数据。RS技术通过不断进步和改良，大大提高了检测的准确度，大大提高了火灾扑救质量和效率。目前，以无人机为首的航空监测技术也有巨大突破，如小型无人机的飞控时间、远距离数据传输、电池的续航能力等方面。使得小型无人机的飞行时间大大增加、加大了机器的载荷能力，可以搭载更多的传感器，增强了小型无人机对林火的监测、探测性能，使图像和数据及时到达检测系统的核心部位。对于雷达的监控、判断、检测功能也在不断改进，对其在森林火灾防治方面的研究应用也在不断加深，这为林火消防事业的进一步发展提供了新的保障和可能。5.2多种监测平台的系统集成和监测体系的分层规划我国已经初步搭建好了完整的森林检测系统，利用RS、GPS、GIS结合雷达、卫星等实现更精确的管理防治。但目前相关工作在进行时，还是存在很多缺点，比如，效率不高，灵敏度还没有达到管控要求等。在检测管理时，应该将各项技术有效结合，而不是只侧重使用卫星等检测平台。技术使用的不全面，也会导致一些关键信息的缺失，各方面信息匹配度较低，指挥中心便无法靠该信息做出全面、准确的决策。目前，除了传统监测系统，以无线传感器网络WSN与“3S”技术的结合的远程监测系统也拓展了林火监测的途径，其使用费用较低，且使用效果好。此外，不同阶段的扑救工作的重点也不同，且各地区对森林的划分标准也不同，这也导致检测结果误差大，检测火灾时提供的数据不够全面，同时监控体系也十分欠缺。展望林火消防系统的建设，要在以新型信息技术为主的基础上，整合公共网络资源，使宽带传输实现高速化，继续完善通信网络传输，优化系统模型，从而形成完整的预警、监测、评估的综合体系。由于各个监测系统的监测角度不同，对林火检测需要在不同地区选取不同角度对其有效监测，确保监测数据具备有效性和针对性。比如：使用无人机、航空护林机、卫星定位系统对重点林区