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森林草原火險因子綜合監測站及預報預警系統實施方案
2024-03-26 15:08:28 來源：中網動力（北京）科技發展有限公司
1、總體架構
針對森林草原高危和高風險縣火險狀況，建設基于凋落物含水率、地表溫濕度、可燃物物候、可燃物溫度、土壤含水率等關鍵火險因子監測站和空氣溫度、空氣濕度、環境光照度、風速、風向、降雨量、大氣壓等氣象因子火險監測站。耦合可燃物、氣象、地形等火險要素多源感知數據，研發火險探測預警模型，構建火險高發區域探測預警技術，提高森林草原火災預報、高火險預警、火險形勢研判的精細化水平，實現火災的早期精準識別和火險實時預警，提升本地區森林草原火災防范能力。2、技術路線
對森林草原高危地區復雜火險狀況，充分利用可燃物、氣象、地形等火險要素多源感知數據和預報數據，建立基于可燃物含水率、可燃物溫度、氣象因子、地形的融合預警預報模型；形成適用于不同區域的山地森林火災風險分區分級方法，制作森林草原火險預警預報數字化產品，提供預警成果服務，為輔助開展火災預防、力量調度、應急處置研判提供支撐，圖 2 是技術路線。
圖2 技術路線圖3、建設內容
3.1 開展森林草原火險因子綜合監測站建設
根據不同海拔、地形、植被特征，在森林草原代表性區域布設火險因子綜合監測站，在全省高風險區域建立重點森林草原火險監測網。該網格覆蓋全省高風險縣，通過監測凋落物含水率、可燃物物候、可燃物溫度和氣象因子等參數，實現火險多因子監測的全面性和多樣性。監測站如圖 3 所示：
圖3 火險因子監測站3.1.1 監測站組成
監測站由數據感知、數據采集、數據傳輸、供電系統、立桿結構件五部分組成，如圖 4 所示：
（1）數據感知：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、風速傳感器、風向傳感器、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）數據采集系統：數據采集器；
（3）數據傳輸系統：數據可通過 4G 模塊、北斗短報文模塊、Lora 模塊等多種傳輸方式，確保數據穩定可靠傳輸；
（4）供電系統：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，保證系統在無電地區常年穩定工作；
（5）結構件立桿：根據現場條件選擇使用 3 米或 10 米立桿，系統采用了防雷、抗電磁干擾電路設計，安裝避雷裝置確保系統安全穩定運行；
圖4 系統硬件組成3.1.2 主要設備
3.1.2.1 數據采集器
數據采集器采用模塊化設計，可以根據用戶的需求進行配置：可以采集 6 路模擬信號和 8 路數字信號。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字信號，可以根據用戶需要外接風速、風向、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測要素配置要求。系統連接示意圖如圖 5 所示。
圖5 采集器連接示意圖3.1.2.2 監測參數
（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、降雨量結合紅外光譜檢測出凋落物的表層含水率和內層含水率。- 可燃物物候
圖6 可燃物物候檢測儀可燃物物候檢測儀支持預置位動態抓拍，全自動數據采集 ，1600 萬高清+200 萬近紅外組合全天候高清抓拍，水平 360°旋轉，垂直-90°~+90°，30 倍光學變倍鏡頭+高清廣角鏡頭組合全角度細節抓拍功能。可實時計算植被蓋度、NDVI 指數、植被物候。還可以實現動植物、火電等動態識別。設備效果圖和實物如圖 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。感應部件位于傳感器桿頭部，外有一層濾膜過濾罩保護。傳感器如圖 7 所示：
圖7 溫濕度傳感器（4）風速傳感器
風速傳感器的感應元件為三杯式回轉架，信號變換電路為霍爾開關電路。在水平風力的作用下，風杯組旋轉，通過主軸帶動磁棒盤旋轉，其上的 36 個磁體形成 18 個小磁場，風杯組每旋轉一圈，在霍爾開關電路中感應出 18 個脈沖信號，其頻率隨風速的增大而線性增加。如圖 8 所示：
圖8 風速風向傳感器（5）風向傳感器
EL15-2C 風向傳感器的測量是利用一個低慣性的風向標部件作為感應原件，風向標部件隨風旋轉，帶動轉軸下端的風向碼盤，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行過載保護。外部零件選用耐腐蝕的材料制造并噴涂層保護，密封采用迷宮結構和 O 型環保儀器內部的敏感原件不受惡劣環境影響。
（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、林業等有關部門用以測量液體降水量、降水強度，儀器感應器用二芯電纜連接，輸出機械觸點信號（干簧管）。SL3-1 型雨量傳感器由承水器、上翻斗、計量翻斗、計數翻斗等組成。如圖 9 所示：
圖9 雨量傳感器（7）大氣壓力傳感器
PTB220 數字氣壓表都是經數字化調整，并由電子工作標準校準。PTB220 系列壓力表采用維薩拉研制的 BAROCAP 硅電容式絕對壓力傳感器來測量大氣壓力。 BAROCAP 傳感器具有優異的無滯后、可重復、耐溫變和長期穩定等特性。- 土壤水分傳感器
（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，實現對溫度的測量，通過電阻值與溫度的對應關系即可換算出當前溫度值。ZW-WZP1 溫度傳感器廣泛應用于土壤/水質等環境的溫度測量。如圖 12 所示：
（10）光照強度傳感器
火災的蔓延方向和速度受地形因素影響，太陽輻射強度以及土壤特性等；太陽輻射強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（或光照度感應器）采用專用光照度傳感核心、光學材料窗口、鋁合金殼體結構，具有結構堅固、密封性好、使用壽命長、測量精度高、穩定性好，傳輸距離長、抗外界干擾能力強等特點。
3.1.2.3 供電系統
監測站供電采用光伏太陽能供電系統供電：供電設備包括光伏太陽能板、充電控制器、蓄電池以及電源線纜、防護地埋箱等。供電系統經過計算并嚴格測試，配置合理。確保設備可在連續 10 天以上陰雨天氣條件下正常運行。
（1）太陽能板和蓄電池
太陽能電池板是自動站電源系統中的核心部分，它作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，為蓄電池充電，同時當電池電壓不足時，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，發電效率更高。蓄電池采用膠體免維護蓄電池，整體防水免維護，使用壽命達到 5 年以上。本系統采用 400W 太陽能板為系統充電，300AH 膠體電池。太陽能電池板如圖 13所示：
圖 13 太陽能電池板和膠體電池（2）電源控制器
電源控制器是專為野外環境工作、無人職守的自動站而設計。可為傳感器及自動氣象站系統供電，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，不間斷的向負載供電。圖 14 為太陽能充放電控制器。
圖 14 太陽能充電控制器3.1.2.4 通訊解決方案
設備通訊可采用 4G 和北斗互補的傳輸方式。數據采集器內置 4G 通訊模塊，給設備插上 4G 通訊卡即可實現 4G 數據傳輸圖 15 所示。
監測通訊也可采用北斗和 4G 相結合的方式，北斗和 4G 通訊互為備份。4G 網絡具有網絡速度快，帶寬大的特點。北斗具有不依賴于地面通訊網絡，安全、可靠性高的特點。二者優勢互補，可確保通訊不會中斷。圖 16 所示。3.1.3 技術參數
火險因子監測站技術參數請聯系我公司人員。
3.2 森林草原火險監測預警數字化平臺
3.2.1 火險因子監測站數據采集與融合
實時采集火險因子綜合監測站監測數據，基于采集的多源數據，包括凋落物、可燃物、氣象、地形等火險要素數據，開展數據融合與整合工作。從火險監測站、氣象監測站、可燃物物候監測站、遙感數據等多個數據源收集數據首先需要進行數據清洗，以去除異常值、處理缺失值和校準不同數據源的不一致性。不同來源的數據轉換成統一的格式和標準單位，并通過匹配和對齊，以確保空間和時間上的一致性。對整合后的數據進行質量評估，檢查其準確性、完整性和一致性。將不同來源的數據集成到一個系統中，確保數據的連續性和可靠性。將整合后的多源數據應用于火災預警預報系統中，構建綜合的火災感知技術體系，實現火災信息的全面感知和分析。為全面掌握監測覆蓋情況、了解監測數據變化趨勢、開展風險管控提供數據支撐。
3.2.2 模型構建與算法開發
基于多源數據，提取和選擇對火災預警具有顯著影響的特征，開發基于機器學習、深度學習或統計方法的火災預警預報模型。利用歷史數據集進行模型訓練，并通過交叉驗證方法評估模型性能。確保模型在訓練集和測試集上都具有良好的泛化能力，可以準確預測火災預警。著重研究多源數據驅動的火災預警預測技術，探索不同數據源之間的關聯性和互動作用，通過數據挖掘和機器學習算法實現多元數據融合。利用融合后的數據，提高火災預警的準確性和靈敏度，實現多源數據的協同作用。
3.2.2 建立火險等級評估系統
開發適用于不同地區和復雜地形的火災風險分區分級方法。利用 GIS技術對收集到的地形、氣象和植被數據進行數據可視化、空間疊加分析等。運用多元統計分析方法，對收集到的多源數據進行分析，探索數據之間的關系和模式，識別影響火災風險的關鍵因素。基于多元統計分析結果，建立火災風險評估指標體系，包括火災潛在危險性指標、易燃性指標、火災擴散性指標等，用以量化和評估火災風險。根據火災風險評估指標，利用GIS 技術繪制火災風險分區圖，將區域劃分為不同的風險等級或類別，以突出不同地區的火災風險程度，并對生成的風險分區圖進行驗證和優化。
3.2.3 火險感知警告
基于基于逐小時森林草原火險等級評估和預報，實時篩 選高風險區域特征，同時結合地形、植被特征、地表可燃物和天氣狀況，計 算引燃概率，實現火災高風險區的動態智能識別生成告警信息。
3.2.4 生成火險等級圖
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，融合應急管理部 EGIS 底圖或地方高清底圖服務，形成精細化的森林草原火險等級熱力圖險等級圖。
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