近年，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，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(gè)國家層面的森林防火規(guī)劃，體現(xiàn)了黨中央、國務(wù)院對森林防火工作的高度重視，也將推動(dòng)森林防火工作再上一個(gè)新臺(tái)階。規(guī)劃提出“設(shè)計(jì)建設(shè)森林防火預(yù)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(qiáng)預(yù)警、監(jiān)測、應(yīng)急處置和撲救能力，實(shí)現(xiàn)“火災(zāi)防控現(xiàn)代化、管理工作規(guī)范化、隊(duì)伍建設(shè)專業(yè)化、撲救工作科學(xué)化”。

　　對森林防火預(yù)警監(jiān)測手段有遙感衛(wèi)星、固定翼飛機(jī)巡邏、直升機(jī)巡邏、無人機(jī)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(shí)觀測到林區(qū)的火情，同時(shí)由于低軌道衛(wèi)星的運(yùn)行狀況也不能保證24小時(shí)在林區(qū)上空進(jìn)行森林火情觀測。固定翼飛機(jī)巡邏、直升機(jī)巡邏、無人機(jī)巡邏因飛行成本、出航率等問題限制也無法保證24小時(shí)在林區(qū)上空進(jìn)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(shí)現(xiàn)24小時(shí)森林火情觀測，本文也重點(diǎn)分析望塔遠(yuǎn)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(jī)觀測能力進(jìn)行初步分析，并采用蜂窩布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行望塔布局，并采用這一方法計(jì)算出整個(gè)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(yuǎn)，在視網(wǎng)膜上成像角度小，如果物體太遠(yuǎn)，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(biāo)高度

　　R：地球半徑(在該處地球曲率折算)

　　由此得到計(jì)算結(jié)果如表1所示。

　　在實(shí)際當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超出人眼實(shí)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(jì)算出對于不同觀測目標(biāo)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(dāng)目標(biāo)投影面積 > S，則目標(biāo)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(huì)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(biāo)。

　　能見度用氣象光學(xué)視程表示。氣象光學(xué)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(dāng)時(shí)天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)的目標(biāo)物(黑色、大小適度)的最大水平距離。實(shí)際上也是氣象光學(xué)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(dāng)大小的黑色目標(biāo)物能被看到和辨認(rèn)出的最大水平距離。

　　2、中等強(qiáng)度的發(fā)光體能被看到和識(shí)別的最大水平距離。

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

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

　　森林火災(zāi)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(zāi)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(qiáng)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(gè)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(xué)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。現(xiàn)實(shí)中許多光源都可以近似認(rèn)為是黑體，例如太陽、地球、星球，包括人和部分動(dòng)物也可以近似認(rèn)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(gè)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(gè)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(jì)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(gè)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(huì)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(dāng)溫度有較小變化時(shí)，就將會(huì)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(zāi)不同時(shí)期的溫度

　　火災(zāi)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(yù)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(zāi)探測的特殊性，因此將起始階段再劃分為兩個(gè)子階段：

　　· 預(yù)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(shí)間段;

　　· 預(yù)熱階段晚期：可燃物體從熱解溫度升溫至可燃物體燃點(diǎn)溫度的時(shí)間段。

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

　　試驗(yàn)表明，不同樹木的燃點(diǎn)在250℃-300℃之間，因?yàn)槟静某煞謴?fù)雜，含水量不一，即使同質(zhì)樹木燃點(diǎn)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(dá)700℃～800℃。多數(shù)可燃物質(zhì)的燃點(diǎn)低于煙蒂頭的表面溫度。一旦將煙蒂扔在燃點(diǎn)低于煙蒂頭表面溫度的可燃物上，就極易引起火災(zāi)。

　　大興安嶺地表干性植被的燃點(diǎn)為180℃～200℃，是引發(fā)大興安嶺樹木燃燒的重要原因。森林火災(zāi)不同時(shí)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(zāi)不同階段其輻射的紅外中心波長對如圖5?？芍?，在森林火災(zāi)的各階段，紅外輻射波長在4.8μm ~ 7.8 μm之間，預(yù)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(shí)必須對這段紅外波長進(jìn)行充分的響應(yīng)，特別是針對預(yù)熱階段對應(yīng)的紅外輻射波長應(yīng)予以關(guān)注。

　　8、森林火災(zāi)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(zāi)初期是，現(xiàn)場火點(diǎn)的紅外輻射需要通過大氣傳輸?shù)酵?，紅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(diǎn)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(gè)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(jì)算得出，大興安嶺火災(zāi)預(yù)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(zāi)預(yù)熱階段紅外輻射吸收能力較強(qiáng)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(jìn)行光合作用，吸收二氧化碳，放出氧氣，因此無風(fēng)白天森林的二氧化碳濃度較低(黃昏是空氣最新鮮的時(shí)候)，而到了夜間樹木又會(huì)吸收氧氣放出二氧化碳，此時(shí)無風(fēng)下二氧化碳濃度較高(太陽升起前二氧化碳濃度達(dá)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(zāi)預(yù)熱階段紅外輻射吸收有較大影響。

　　二氧化氮

　　因?yàn)樵诖髿庵校貏e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(zāi)預(yù)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(yù)熱階段紅外輻射的4.8μm(對應(yīng)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(yù)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(zāi)往往發(fā)生在干熱時(shí)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(shí)水蒸汽濃度略高一些。

　　從圖6中可以看出，在整個(gè)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(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測能力分析

　　望塔遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要功能：

　　· 白天采用云臺(tái)攝像機(jī)自動(dòng)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(dòng)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(tái)視頻智能分析軟件自動(dòng)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(shí)間、方位、地點(diǎn)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(fù)責(zé)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(diǎn)：

　　· 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(fèi)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(gè)園得半徑都為R，都受到均勻覆蓋，每個(gè)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(gè)園與周邊6個(gè)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(xué)模型計(jì)算，得到結(jié)果如表5。從分析中可知，當(dāng)望塔之間距離小于20公里，則會(huì)出現(xiàn)三個(gè)望塔相互觀測重疊區(qū)，將導(dǎo)致資源浪費(fèi)。而當(dāng)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(dǎo)致對遠(yuǎn)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(yīng)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(jì)算方法已經(jīng)應(yīng)用在國家森林防火體系項(xiàng)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(yīng)急系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分，關(guān)系到我國的國計(jì)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(luò)建設(shè)、通訊系統(tǒng)兼容和寬帶數(shù)據(jù)傳輸問題。