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)的早期精準(zhǔn)識別和火險(xiǎn)實(shí)時預(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。

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)域建立重點(diǎn)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)測的全面性和多樣性。監(jiān)測站如圖 3 所示：

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、數(shù)據(jù)傳輸、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）數(shù)據(jù)傳輸系統(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)定可靠傳輸；
（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)安全穩(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 路模擬信號和 8 路數(shù)字信號。每路模擬測量通道都具有三種工作方式：測量一個電阻或者同時測量三個單端電壓和一個電流或者一個單端電壓一個差分電壓及一個電流。可以采集各種模擬和數(shù)字信號，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。

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)合紅外光譜檢測出凋落物的表層含水率和內(nèi)層含水率。

1. 可燃物物候

可燃物物候檢測儀支持預(yù)置位動態(tài)抓拍，全自動數(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?？蓪?shí)時計(jì)算植被蓋度、NDVI 指數(shù)、植被物候。還可以實(shí)現(xiàn)動植物、火電等動態(tài)識別。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：

（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)，通過主軸帶動磁棒盤旋轉(zhuǎn)，其上的 36 個磁體形成 18 個小磁場，風(fēng)杯組每旋轉(zhuǎn)一圈，在霍爾開關(guān)電路中感應(yīng)出 18 個脈沖信號，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加。如圖 8 所示：

（5）風(fēng)向傳感器
EL15-2C 風(fēng)向傳感器的測量是利用一個低慣性的風(fēng)向標(biāo)部件作為感應(yīng)原件，風(fēng)向標(biāo)部件隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)，帶動轉(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極管進(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（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（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。如圖 9 所示：

（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。

1. 土壤水分傳感器

ZW-SW01 型土壤水分傳感器性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高，是觀測和研究土壤水分動態(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，是符合目前國際標(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)害等多個應(yīng)用場景。如圖 11 所示：

（9）土壤溫度：
ZW-WZP1 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-WZP1 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-WZP1 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，更易燃燒；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）采用專用光照度傳感核心、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、抗干擾的能力強(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站電源系統(tǒng)中的核心部分，它作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，為蓄電池充電，同時當(dāng)電池電壓不足時，為自動站提供工作的能量。太陽能采用單晶硅太陽能硅晶片，發(fā)電效率更高。蓄電池采用膠體免維護(hù)蓄電池，整體防水免維護(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：

（2）電源控制器
電源控制器是專為野外環(huán)境工作、無人職守的自動站而設(shè)計(jì)?？蔀閭鞲衅骷白詣託庀笳鞠到y(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，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。

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 數(shù)據(jù)傳輸圖 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)，安全、可靠性高的特點(diǎn)。二者優(yōu)勢互補(bǔ)，可確保通訊不會中斷。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
3.2.1 火險(xiǎn)因子監(jiān)測站數(shù)據(jù)采集與融合
實(shí)時采集火險(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)等多個數(shù)據(jù)源收集數(shù)據(jù)首先需要進(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?？臻g和時間上的一致性。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)集成到一個系統(tǒng)中，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。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)信息的全面感知和分析。為全面掌握監(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，識別影響火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素?；诙嘣y(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，以突出不同地區(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
基于基于逐小時森林草原火險(xiǎn)等級評估和預(yù)報(bào)，實(shí)時篩 選高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域特征，同時結(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)的動態(tài)智能識別生成告警信息。
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。