物联网森林火险预警系统研究

摘要：该文在研究物联网技术现状基础上，结合现有森林防火技术，如全球定位系统和地理信息系统，搭建仿真模型进行森林火灾实时监测，以提高森林防火的实效性。系统分析表明，模型具有较好的可信度和优越性，并初步探讨了森林防火监测的关键技术。

关键词：物联网；火灾预警；仿真；元胞自动机；vega prime

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）04-0870-03

1 概述

森林资源是地球上最重要的资源之一，在贯彻落实科学发展观、建设资源节约型和环境友好型社会、实现人与自然和谐发展、推进我国经济崛起的战略中，具有不可替代的地位和作用。我国是一个森林火灾高发的国家，森林火灾对社会经济和生态环境造成的破坏难以估量。而近年来受全球气候变暖的影响，高温、干旱等极端天气现象频发，森林火险长期居高不下，森林火灾预警压力巨大，防火形势严峻。

在森林火灾的预警和扑灭上，已有地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）、遥感技术（RS）、传感器技术、神经网络、图像处理技术等应用实例，但各种技术优缺点不一，很难根据实际情况设计适宜的系统。国内森林防火系统大多通过GIS系统整合多种功能系统，实现火灾预案、火线分析、灾情评估等功能，但同样受限于设备落后、火灾蔓延预测模型不匹配等制约因素。针对气候变化新形势下面临的新问题，如何运用各种技术手段对森林火险进行预警，对森林火灾进行监控， 不断提高森林火险预警、火灾监测、火灾扑救与指挥的能力和水平，成为当今国内外学者研究的热点内容。

物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，其组成元素是个性化和私有化的，因此以物联网基础，设计的森林防火系统能更为灵活地适应各地森林环境。该文在研究现有的森林防火技术基础上，结合物联网、计算机技术和数据融合技术， 阐述了森林防火系统的实现方式。

2 数据感知层结构设计

要实现森林火灾智能预警，首要的任务是森林实时状态数据的采集。森林实时状态数据采集的好坏，如图像的对比度，传感器的敏感程度等，会直接影响到森林火灾的识别率、误报率和能否及时发出预警。在森林火灾智能预警系统中，森林实时状态数据的采集主要由传感器感知的森林环境数据和森林火灾图像数据构成。

数据感知层主要通过传感器网络采集森林环境烟雾浓度、温度和湿度实时数据，经过预处理后，通过无线模块将数据返回到监控平台。监控平台将数据送入神经网络中进行判断，并输入发送火灾的概率值。若该数值高于系统预警线，控制中心调用当地摄像头采集监控现场的图片，对连续的图片进行数字图像处理分析，结合早期火焰的特征进行检测，进行再一次的数据处理，判断火灾是否发生。

3 支撑系统设计

3.1 森林火灾蔓延算法

森林环境有大量植物类型需要考虑，为了加快计算机的运行速度，系统采用算法是以栅格为基础的边界插值算法。以当前着火点为中心，火灾在二维平面上有八个蔓延方向（正东、正南、正西、正北、东南、东北、西南、西北），火灾蔓延速度和栅格长度决定了扩展蔓延时间T，当计算机存储的火灾积累时间大于T，就沿此方向前行一个栅格长度。蔓延模型采用基于边界插值算法的元胞自动机，将森林空间转换为元胞格网空间，元胞存储着树种易燃性、可燃物密度、地形坡度等模型因子，根据燃料情况和蔓延时间修改存储状态。

3.2 数据库系统设计

仿真系统采用Microsoft SQL Server 2005后台数据库 ，SQL Server 2005是一种高性能的关系型数据库管理系统，与其他数据库相比，在企业数据管理、开发效率和商业智能三个主要方面提高业务能力。针对企业级的数据管理，该系统以数据库引擎为核心，使用集成商业智能工具，可以为规模各异的企业提供不同的解决方案，从而构建和管理符合需求的高性能数据应用程序。

仿真系统将背景地形图划分为许多大小相同的网格，网格用坐标G（X，Y）记录，每个网格代表树、草及建筑等环境信息，且网格坐标和北京54坐标系下的电子地图平面坐标相对应。每个网格赋予一定的值，通过数值来反应火灾现场情况。（1表示正在燃烧，0表示未燃烧，-1表示已经燃烧过的火烧迹地。）以下图为例，设中点为起火点，风向为正北方一级，则满足蔓延条件时，每个边界点的正北方向的两个相连点被赋值为1（燃烧状态），边界点的其他方向的一个点被赋值为1。

3.3 VegaPrime视景仿真设计

视景模型的地形采用VegaPrime基础场景，由LynX Prime 图形界面配置文件设置场景中树木分布，并搭建登记在后台数据库，将基本地形和火的模型的文件导出为C++文件。在Visual Studio 2005编写控制台程序，和VegaPrime中场景类结合，搭建MFC平台。

将火因子的控制数据改为变量型，在数据库建立火的控制变量库，编写数据库连接、读取等函数，程序运行时直接连接数据库读取这些变量，并添加一些按键功能。使用火模型能够按照一定规律蔓延，火的蔓延控制变量从数据库导入。火灾蔓延效果如图4所示。

BehavePlus 由Rothermel模型改进预测表面火蔓延，有53中标准火灾行为和13种燃料模型，可通过选择模型来模拟火灾蔓延速度，根据南方森林特点，选取Dormant Brush， Hardwood Slash燃料模型，结合风力因子，得出蔓延速度如下表所示，将相应梯度数值导入MFC数据库中，即可控制元胞机中火灾扩散速度。

4 结论

在物联网森林防火系统设计中，GPS和GIS作为基础数据库，提供可燃物、道路、河流等基础地理环境信息，由前端传感器监测森林火灾发生概率，经二次判断后将火灾发生点位置传回系统，Vega Prime 仿真系统实时模拟森林火灾的蔓延情况。系统通过多数据融合判断和蔓延仿真，提高森林火灾预警准备性能及扑火指挥的决策效率。

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