引言

森林火灾一直是森林树木的最大威胁,全世界森林每年都会发生多起大面积的火灾，严重破坏森林结构和环境，破坏地球的生态平衡，甚至造成人畜伤害和经济损失。一般森林地域面积大，地理环境恶劣，森林火灾的监测就变得异常困难。近几年，随着嵌入式系统、物联网技术、传感器技术、3G技术及3S技术的成熟，开发森林火灾智能无线监测系统具有广阔的推广前景。

北斗卫星导航系统是我国自主研制的全球卫星定位及通信系统，它由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面端包括主控站、注入站和监测站等,用户端由北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端组成。北斗卫星导航系统免费向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。定位精度为10 m，测速精度为0.2 m/s，授时精度为10 ns。并且北斗导航系统与其他卫星导航系统相比增加了短信服务，可以实现通信功能。

为了保证森林火灾监测的及时性和准确性，笔者基于北斗技术设计了森林火灾监测及定位系统。森林火灾的影响因素有温度、湿度、降雨量、风向、风速、可燃物湿度、太阳辐射强度、植被类型等[1]。本森林火灾监测定位系统采用了MQ2烟雾传感器、SHT11温湿度传感器、低照度透雾摄像机、UM330北斗模块结合嵌入式技术实现高精度的火灾监测、火灾位置的精确定位。并通过3G模块将报警信息发送到中心平台，在没有3G信号的地区启动UM330北斗模块的短报文功能实现数据上报。微处理器采用S5PV210+Android2.3实现对现场终端控制和管理，为GIS数据库系统提供实时数据，实现森林火灾全天候的监测。

1 监测系统结构

森林火灾监测系统主要由两部分组成：中心平台和现场终端。中心平台主要包括系统数据库、GIS系统管理平台、决策指挥系统、火灾预测预报系统、火灾定位系统、防火应急指挥系统等；现场终端主要包括现场温湿度等数据采集模块、图像识别模块、通信模块，以及Android管理软件。

森林火灾监测需要对数据庞大、种类繁多的各种环境信息进行采集、处理、分析、汇总等[2]。由于各监测数据都与空间地理位置相关，因此处理起来极其复杂。利用北斗技术提供准确的位置数据信息和3G通信技术为数据的实时性提供保证，从而保障了系统实时性、准确性。中心平台利用GIS技术构建的森林火灾监测信息平台，能够使现场终端各个监测点信息在空间上直观明了地显示出来，还可把这些信息进行深层次挖掘，形成监测区域的状态云图，或为后台的信息服务和辅助决策提供空间属性和实时数据。基于北斗的森林火灾监测系统的系统整体结构图如图1所示。

图1 系统整体结构图

1.1 中心平台

森林火灾监测系统的中心平台总体采用B/S架构设计，充分利用GIS强大的数据信息管理功能，把现场终端采集的数据经过过滤、分析、加工，将各种信息进行准确地显示、表达、解析，通过地图的形式可视化地表征出来。森林火灾监测系统包括火灾预测预报系统、火灾定位系统、防火应急指挥系统等。火灾预测预报系统主要是用来监测评估发生森林火灾的可能性和危险程度及等级，为防火工作者提前预防火灾发生提供参考，也为气象预报提供理论依据。火灾定位系统接收到现场终端的位置信息，准确地在电子地图上定位和显示火灾发生的位置，并把相关信息传至防火应急系统。防火应急指挥系统根据火情的等级及危险程度，为指挥决策人员快速、科学、合理地制定出可行的火灾扑救的方法，及时地实施灭火指挥调度。

1.2 现场终端

在森林火险等级的确定中，空气湿度和温度是关键因素，对森林火灾的影响也非常大。当空气湿度小于60%时，会大大提升火灾的发生率。现场终端所采集的数据是按《国家森林火险气候等级标准》进行现场数据的采集，该标准共考虑了7个火险气象因子：地面温度、可燃物温度、湿度、温度、土壤湿度、风向风速、降雨量[1]。

在系统中红外温度传感器检测地面温度和可燃物温度，SHT11检测空气的温度和湿度，土壤湿度传感器监测土壤湿度，超声波风向风速传感器监测风向和风速，降雨量传感器监测降雨量，这些模块均由S5PV210统一管理，如图2所示。

本系统现场终端对森林环境的烟雾情况进行检测,低照度透雾摄像机[3]为远距离的火情识别提供了保障。该森林火灾监测系统现场终端的低照度透雾摄像机经过一颗TVP5150视频芯片接入现场终端完成视频采集功能。S5PV210芯片有4个通用串口，其中UART0为现场调试口，UART1连接UM330北斗模块，UART2连接3G模块，UART3经一颗双4路模拟转换开关CD4052连接4颗MAX1487芯片，实现以现场终端为中心,东西南北4个方向的各组传感器（如：烟雾传感器、风向风速传感器、降雨量模块、温湿度传感器等）的数据采集。采集系统采集各传感器的流程图如图3所示。

森林火灾监测系统现场终端的通信及定位部分采用UM330北斗模块和华为3G猫，UM330是支持北斗的短报文功能，在没有3G信号或3G链路出现故障时，启用北斗的短报文功能，实时地把现场终端采集的数据信息及终端运行状态发送给中心平台。

图2 现场终端框架图

图3 传感器数据采集流程图

森林火灾监测系统现场终端支持标准USB键盘和TFTLCD显示器，因为现场终端工作在野外无人区，方便对终端进行检测、安装调试及现场维护。现场终端采用太阳能供电并备有后备电池，白天太阳能电池板既给现场终端供电，又给电池充电。阳光照度不好、夜间及阴雨天时现场终端采用电池供电，此时终端自动进入低功耗状态。充分保障出现问题时，现场终端有能量可靠地运行。

2 系统优势

2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。本系统在没有3G信号或者3G信号出现故障时，可充分利用北斗短报文优势保证数据的实时连续性。

系统现场终端支持前端视频采集，采用了低照度透雾摄像机（在配有透雾特制镜头时可视半径为10 km），并配有万向云台,可实现360°旋转，俯仰角范围可达90°，大大扩展了监测点的范围。低照度透雾摄像机为终端软件的火情识别中间件提供了高质量的图片，还可为工作人员观测环境（图片通过3G模块传输给中心平台），极大地提高了系统的可视化和有效监测范围。

系统中的各个现场终端独立运行，互不影响，组网方便，终端的添加和剔除对系统的运行没有影响，但会影响到GIS平台中云图的点数。

结语

在基于北斗和GIS的森林火灾监测定位系统中，北斗为系统提供了精准的位置信息，在必要时可把现场终端的实时数据以短报文方式发送给中心平台，确保了现场各个监测点数据的实时连续性。GIS强大的数据管理能力、空间分析能力及其图形化的界面增强了人机交互的方便性和直观性。本系统采用嵌入式技术、北斗卫星定位技术及GIS技术，实现了森林信息的实时监测、精确定点及模糊识别，建立起一个具有火情预测预报、实时监测火灾及火灾精确定位功能的森林火灾监测系统，极大地提高了森林火灾预测预报、扑火指挥的决策能力和调度效率，有效避免和减少了森林火灾带来的各项损失。