近年，經(jīng)國務院批準，國家林業(yè)局和國家發(fā)改委聯(lián)合印發(fā)了《全國森林防火中長期發(fā)展規(guī)劃》(簡稱《規(guī)劃》)，是新中國成立以來第一個國家層面的森林防火規(guī)劃，體現(xiàn)了黨中央、國務院對森林防火工作的高度重視，也將推動森林防火工作再上一個新臺階。規(guī)劃提出“設(shè)計建設(shè)森林防火預防、撲救、保障三大體系，大幅提高森林防火裝備水平、改善基礎(chǔ)設(shè)施條件，增強預警、監(jiān)測、應急處置和撲救能力，實現(xiàn)“火災防控現(xiàn)代化、管理工作規(guī)范化、隊伍建設(shè)專業(yè)化、撲救工作科學化”。

　　對森林防火預警監(jiān)測手段有遙感衛(wèi)星、固定翼飛機巡邏、直升機巡邏、無人機巡邏、望塔觀測等。

　　遙感衛(wèi)星因受大氣窗口限制以及對流層氣象影響，不能保證每次掠過林區(qū)上空時觀測到林區(qū)的火情，同時由于低軌道衛(wèi)星的運行狀況也不能保證24小時在林區(qū)上空進行森林火情觀測。固定翼飛機巡邏、直升機巡邏、無人機巡邏因飛行成本、出航率等問題限制也無法保證24小時在林區(qū)上空進行森林火情觀測。因此目前我國森林火情觀測還是以望塔組網(wǎng)為主要觀測手段實現(xiàn)24小時森林火情觀測，本文也重點分析望塔遠程視頻監(jiān)控的優(yōu)化布局。

　　本文在森林防火期的環(huán)境下對目視觀測、攝像機觀測能力進行初步分析，并采用蜂窩布局結(jié)構(gòu)進行望塔布局，并采用這一方法計算出整個林區(qū)的望塔觀測覆蓋率。

　　目視監(jiān)測能力分析

　　眼睛正常的分辨率大約在1角分左右，即一度的60分之一，物體近，在視網(wǎng)膜上成像角度大，物體遠，在視網(wǎng)膜上成像角度小，如果物體太遠，在視網(wǎng)膜上成像小于該角度則眼睛無法分辨。

　　先分析不考慮人眼視覺極限情況下的物理距離極限。

　　人的視覺也受地球曲率的影響，在不考慮人眼視覺極限情況下，可以觀測到的距離為：

　　其中：

　　L：理想觀測距離(不考慮人眼視覺極限情況下)

　　h1：人在地面的站立高度(按男人平均高度1.70米)

　　h2：受測目標高度

　　R：地球半徑(在該處地球曲率折算)

　　由此得到計算結(jié)果如表1所示。

　　在實際當中，由于望塔都部署在山頂上，因此在不考慮人眼視覺極限情況下的極限距離都大于30公里，遠遠超出人眼實際觀測能力，因此在以后的論證中主要考慮人眼的觀測能力(眼睛視覺極限的最小面積示意圖如圖1)。

　　依據(jù)一般人的眼睛的分辨率大約在1角分左右，因此可以計算出對于不同觀測目標的極限距離(良好氣象條件下)。

　　眼睛視覺極限的最小面積S=π(2.9 x10-4L)2/4，當目標投影面積 > S，則目標可視，并考慮修正系數(shù)1.5，具體關(guān)系如表2。

　　由于氣象因素影響，望塔上的人員視力會受到這些因素的影響，能見度是描述氣象因素影響的重要指標。

　　能見度用氣象光學視程表示。氣象光學視程是指白熾燈發(fā)出色溫為2700K的平行光束的光通量，在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。

　　白天能見度是指視力正常(對比感閾為0.05)的人，在當時天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認的目標物(黑色、大小適度)的最大水平距離。實際上也是氣象光學視程。[nextpage]

　　夜間能見度的定義：

　　1、假定總體照明增加到正常白天水平，適當大小的黑色目標物能被看到和辨認出的最大水平距離。

　　2、中等強度的發(fā)光體能被看到和識別的最大水平距離。

　　所謂“能見”，在白天是指能看到和辨認出目標物的輪廓和形體，在夜間是指能清楚看到目標燈的發(fā)光點。凡是看不清目標物的輪廓，認不清其形體，或者所見目標燈的發(fā)光點模糊，燈光散亂，都不能算“能見”。

　　目標物的能見度，與大氣透明度和目標物同背景的亮度對比有關(guān)。當天氣晴朗、 大氣透明度良好時，能見度就好;反之，當空氣混濁，特別是有霧、霾、煙、風沙及降水時，能見度就差。在大氣透明度不變的條件下，如果目標物同背景的亮度對比較大，則能見距離較遠;相反，則能見距離較近。

　　森林火災紅外輻射譜

　　在望塔上夜間使用紅外熱成像儀，因此需要對對森林火災的紅外輻射特性作出分析。

　　熱輻射是熱量傳遞的其中一種途徑。熱輻射是自然界最普遍的現(xiàn)象之一，亦即一切物體只要其溫度高于絕對零度(-273.15℃)都將產(chǎn)生輻射。

　　熱輻射的主要特征：

　　· 隨著溫度升高，輻射的總功率也隨之增大;

　　· 強度在光譜中的分布規(guī)律由長波向短波轉(zhuǎn)移;

　　· 物體溫度高于絕對零度(-273.15℃)都將產(chǎn)生輻射。

　　1、熱輻射定律

　　黑體：一個能夠完全吸收入射在它上面的輻射能的理想物體。

　　黑體在輻射度學中占有非常重要的作用，只有黑體光譜輻射量和溫度之間存在精確的定量關(guān)系。

　　黑體在物質(zhì)世界不是抽象的?，F(xiàn)實中許多光源都可以近似認為是黑體，例如太陽、地球、星球，包括人和部分動物也可以近似認為是黑體。

　　2、基爾霍夫定律

　　研究黑體輻射基本定律最重要的是基爾霍夫定律，它是研究一切物體熱輻射的普遍定律?；鶢柣舴蚨芍赋觯何矬w的輻射出射度M和吸收本領(lǐng)a的比值a/M與物體的性質(zhì)無關(guān)，都等于同一溫度下絕對黑體(a=1)的輻射出射度M0。

　　M1/a1= M2/a2 = M3/a3 = M4/a4 =… = M0

　　3、普朗克輻射定律

　　一個絕對溫度為T(K)的黑體，單位表面積在波長λ附近單位波長間隔內(nèi)向整個半球空間發(fā)射的輻射功率(簡稱為光譜輻射度)Mλ(T)與波長λ、溫度T滿足下列關(guān)系：

　　Mλ (T)=C1λ-5[EXP(C2/λT)-1]-1

　　其中：

　　C1：第一輻射常數(shù)，

　　C1=2πhc2=3.741×10-16 w·m-2

　　C2：第二輻射常數(shù)，

　　C2=hc/k=1.43879×10-2 m·k

　　c：光速

　　k：波爾茲曼常數(shù)

　　普朗克輻射定律是所有定量計算紅外輻射的基礎(chǔ)。

　　4、斯蒂芬-玻爾茲曼定律

　　斯蒂芬-玻耳茲曼定律描述的是黑體單位表面積向整個半球空間發(fā)射的所有波長的總輻射功率Mb(T)(簡稱為全輻射度)隨其溫度的變化規(guī)律。因此，該定律為普朗克輻射定律對波長積分得到：

　　M0(T)=∫∞ Mλ(T)dλ=σT4

　　其中斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)：

　　σ= π4C1/(15(C2)4)=5.6697×10-8w/(m-2·k-4)

　　斯蒂芬-玻耳茲曼定律表明，凡是溫度高于開氏零度的物體都會自發(fā)地向外發(fā)射紅外熱輻射，而且，黑體單位表面積發(fā)射的總輻射功率與開氏溫度的四次方成正比。而且，只要當溫度有較小變化時，就將會引起物體發(fā)射的輻射功率很大變化。[nextpage]

　　斯蒂芬-玻耳茲曼定律是所有紅外測溫的基礎(chǔ)。

　　5、維恩位移定律

　　黑體光譜輻射是單峰函數(shù)，其輻射峰值波長λm滿足下列公式：

　　λm = b / T

　　其中

　　b：常數(shù) 2898μm K

　　T：絕對溫度

　　(維恩位移定律圖解如圖2)

　　6、森林火災不同時期的溫度

　　火災發(fā)生的各階段定義各國略有不同，我國普遍采用四階段，國外有采用如圖3的劃分。

　　我國普遍采用的四階段為：

　　· 起始階段(預熱階段);

　　· 發(fā)展階段(氣體燃燒階段);

　　· 猛烈階段(蔓延階段);

　　· 熄滅階段(木炭燃燒階段)。

　　鑒于對森林火災探測的特殊性，因此將起始階段再劃分為兩個子階段：

　　· 預熱階段早期：可燃物體從常溫升溫至可燃物體熱解溫度的時間段;

　　· 預熱階段晚期：可燃物體從熱解溫度升溫至可燃物體燃點溫度的時間段。

　　為此，這里將整個火災發(fā)展四階段表現(xiàn)出的不同物理特征列表如表3。

　　試驗表明，不同樹木的燃點在250℃-300℃之間，因為木材成分復雜，含水量不一，即使同質(zhì)樹木燃點也不一樣。[nextpage]

　　煙蒂頭的溫度較高，其表面溫度為200℃～300℃，其中心溫度可達700℃～800℃。多數(shù)可燃物質(zhì)的燃點低于煙蒂頭的表面溫度。一旦將煙蒂扔在燃點低于煙蒂頭表面溫度的可燃物上，就極易引起火災。

　　大興安嶺地表干性植被的燃點為180℃～200℃，是引發(fā)大興安嶺樹木燃燒的重要原因。森林火災不同時期的溫度變化圖如圖4。

　　7、紅外熱成像儀的工作波長的確定

　　由維恩公式得到的森林火災不同階段其輻射的紅外中心波長對如圖5。可知，在森林火災的各階段，紅外輻射波長在4.8μm ~ 7.8 μm之間，預熱階段紅外輻射波長在4.8μm ~ 5.8 μm之間。

　　因此在選擇紅外外熱成像儀或者紅外探測儀時必須對這段紅外波長進行充分的響應，特別是針對預熱階段對應的紅外輻射波長應予以關(guān)注。

　　8、森林火災熱輻射紅外傳輸

　　如果選用紅外熱成像儀或者紅外探測儀觀測火災初期是，現(xiàn)場火點的紅外輻射需要通過大氣傳輸?shù)酵t外熱成像儀或者紅外探測儀接收的是經(jīng)過大氣傳輸?shù)募t外譜信號。

　　由于大氣的吸收和散射作用，有效的火點紅外輻射信號經(jīng)過大氣傳輸將有所衰減，直接影響紅外熱成像儀或者紅外探測儀的觀測距離和結(jié)果。這里將分析大氣對林火初期紅外輻射的影響，以便確定紅外熱成像儀或者紅外探測儀的有效觀測距離。

　　類似地球的四個大氣窗口一樣，大氣紅外吸收呈離散的吸收帶。表4為大氣中各組分的紅外吸收帶。

　　從前面的維恩公式計算得出，大興安嶺火災預熱階段紅外輻射波長在4.8μm ~ 5.8 μm之間。

　　由表4可知，對大興安嶺火災預熱階段紅外輻射吸收能力較強的有二氧化碳、二氧化氮、一氧化碳和水。

　　二氧化碳

　　二氧化碳約占大氣總量的1%。

　　森林樹木白天進行光合作用，吸收二氧化碳，放出氧氣，因此無風白天森林的二氧化碳濃度較低(黃昏是空氣最新鮮的時候)，而到了夜間樹木又會吸收氧氣放出二氧化碳，此時無風下二氧化碳濃度較高(太陽升起前二氧化碳濃度達到最高)。由于紅外成像儀和紅外探測儀需要工作在夜間，因此較高濃度的二氧化碳對火災預熱階段紅外輻射吸收有較大影響。

　　二氧化氮

　　因為在大氣中，特別在大興安嶺地區(qū)含量很低(ppm數(shù)量級)因此在這里可以不考慮其對大興安嶺火災預熱階段紅外輻射吸收的影響。

　　一氧化碳

　　一氧化碳的吸收帶只有4.7μm靠近預熱階段紅外輻射的4.8μm(對應溫度230°)，由于一氧化碳在大興安嶺林區(qū)濃度較低，而且對預熱初期的紅外輻射波長7.8μm沒有吸收能力，這里可以忽略一氧化碳的影響。[nextpage]

　　水蒸汽

　　水蒸汽在大氣中比例與天氣、地區(qū)、季節(jié)有很大關(guān)系，通常為0 ~ 4%內(nèi)變化。不過在大興安嶺地區(qū)，火災往往發(fā)生在干熱時期，水蒸汽在大氣中的比例較低，不利的因素就是夜間紅外觀測時水蒸汽濃度略高一些。

　　從圖6中可以看出，在整個紅外探測波段，二氧化碳在4.8μm和5.2μm波長上有吸收作用，不過吸收的能力極為有限。

　　攝像機遠程監(jiān)測能力分析

　　望塔遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要功能：

　　· 白天采用云臺攝像機自動監(jiān)視、記錄望塔周圍12 ~ 20公里范圍的火情情況，每10分鐘巡視一次;

　　· 夜晚采用紅外熱成像儀自動監(jiān)視、記錄望塔周圍5公里范圍的火情情況，每10分鐘巡視一次;

　　· 后臺視頻智能分析軟件自動分析前端傳送的視頻/紅外圖像，在40ms內(nèi)判別是否火情發(fā)生，一旦判明為火情，給出火情發(fā)生時間、方位、地點和鎖定顯示發(fā)生火情的圖像;

　　· 各林業(yè)局的分控中心可以調(diào)看、檢索任意一路視頻圖像;

　　· 視頻圖像通過視頻解碼器可以顯示在大屏幕上;

　　· 塔房的值班員負責本望塔視頻/紅外監(jiān)視。

　　通常在良好天氣情況下可以觀測10-20公里。

　　平原上望塔最優(yōu)布局分析

　　要求：

　　· 均勻覆蓋;

　　· 所有圓上邊界都有覆蓋。

　　平原上望塔有各種布局方式：正方形布局、矩形布局、菱形布局和蜂窩布局。這里簡化起見不再介紹其它的布局優(yōu)劣，而主要介紹蜂窩型布局，這種布局方式有如下優(yōu)點：

　　· 沒有空白區(qū)域;

　　· 各望塔覆蓋面積均勻;

　　· 最少望塔可獲得最大觀測面積;

　　· 很高的費效比。

　　假定圓半徑為R，望塔之間距離相等為a，平原上理想的望塔最優(yōu)布局是在任意大小的平面上各個園得半徑都為R，都受到均勻覆蓋，每個園的邊界上都有覆蓋。因此所有圓心位置布局都成等邊三角形分布。俗稱蜂窩布局。

　　故滿足要求的均勻最優(yōu)布局是每個園與周邊6個園互相重合(典型的蜂窩結(jié)構(gòu)，如圖7)。

　　經(jīng)過建立數(shù)學模型計算，得到結(jié)果如表5。從分析中可知，當望塔之間距離小于20公里，則會出現(xiàn)三個望塔相互觀測重疊區(qū)，將導致資源浪費。而當望塔之間距離大于22公里，其觀測邊緣重疊覆蓋率大大下降，將導致對遠處火情定位困難和發(fā)現(xiàn)概率低的問題。

　　最優(yōu)解是望塔觀測距離12公里(晴朗白天)，間距離20公里。亦即在平原林區(qū)的望塔布局應依據(jù)塔觀測距離12公里(晴朗白天)，望塔之間距離20公里設(shè)置。

　　結(jié)語

　　這種分析和計算方法已經(jīng)應用在國家森林防火體系項目可行性分析中，為國家有關(guān)部門決策提供了可靠地依據(jù)。

　　國家森林防火體系建設(shè)是林業(yè)部門信息化和應急系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分，關(guān)系到我國的國計民生大問題，我們將在今后的森林防火體系中逐步解決通訊網(wǎng)絡建設(shè)、通訊系統(tǒng)兼容和寬帶數(shù)據(jù)傳輸問題。