《现代技术在森林防火中的应用及优化策略（论文）9600字》

现代技术在森林防火中的应用及优化策略目录TOC\o"1-2"\h\u14972前言 112131一、云南地区森林现状 15445（一）云南地区区域概况 115436（三）云南地区气候条件 22533二、云南地区林业资源概括与防火现状 213057（一）云南地区的林业资源概况 2133521.林业结构 2257772.地域分布 231438（二）云南地区森林防火现状 313886三、云南地区森林防火预测 327594（一）卫星监测林业状况 312289（二）林火预测 48058（三）GIS地图的应用 57331（四）智能识别系统的应用 6672四、云南森林防火系统优化 714254（一）定位系统的优化 79509（二）管理优化 812747（三）林火扑救系统建设 1123531结语 12

前言（一）研究背景云南地区研究地点位于中国西南，因为该地区地处湿润的亚热带环境，因此该地的优势森林类型包括温度针叶常绿和温带阔叶落叶灌木。在云南地区东北部，针叶落叶树和阔叶落叶树因其位于寒冷的温带地区而在景观中占主导地位。目前。云南地区发生火灾的年平均密度同样大于森林年平均火灾密度的两倍，分别为10.9×10-3/km2和4.31×10−3/km2。主要集中在西北部地区。因此对于该地区的各个因素都应进行具体的分析，以寻求火灾的防控策略。（二）研究意义森林防火就是防止森林火灾的发生和蔓延，即对森林火灾进行预防和扑救。预防森林火灾的发生，就要了解森林火灾发生的规律，采取行政、法律、经济相结合的办法，运用科学技术手段，最大限度地减少火灾发生。本文针对云南地区的林业资源状况、森林防火状况等进行分析，为我国林业的发展、森林的保护提供参考，这就是本研究的理论与实际意义所在。一、云南地区森林现状（一）云南地区区域概况云南省位于我国西南地区，地理位置97°—105°E，20°—28°N，面积约39万km2，人口约4600万，大部分地区为亚热带季风气候，少部分地区为热带季风气候。地形以高原山地为主，包括高原、山地、盆地、丘陵等。森林类型多样，资源丰富，全省森林覆盖率达52.93%，蓄积量达17.12亿m3，主要包括热带和亚热带常绿阔叶林以及高寒山地的温带针叶林，西南部以阔叶林为主，北部地区的优势树种多为针叶林。由于不同的森林类型穿插分布，造成云南省不同区域的景观格局差异较大。云南省大部分地区的主要优势树种为以思茅松为主的针叶林，占全省林地面积的50%左右。思茅松富含松脂，为易燃树种，因此导致森林火灾频繁发生，重大森林火灾较多，森林资源损失严重，每年的12月至次年6月为森林防火期。（三）云南地区气候条件云南山地地形非常复杂，山势十分陡蛸．一旦发生火灾，火的蔓延将变得难以预测，很难在短时期内扑灭。2006年3月29日，昆明市境内的安宁市温泉镇古朗箐发生森林火灾后，由于气温高、风力太、风向多变等诸多原因，风助火势，火灾迅速蔓延．多头明火突破控制区域。4月1日，燃烧的大火越过防火隔离带，蔓延至昆明市西山区境内。由火情变化快和火线迅速延伸．形成了森林火灾安宁、西山两线多点灭火的态势。二、云南地区林业资源概括与防火现状（一）云南地区的林业资源概况1.林业结构从林种结构来看，以木材林和经济林为主。在植树造林总面积中，有203,600公顷的木材林，47,300公顷的经济林，134,500公顷的防护林，11.4万公顷的薪柴林和51,500公顷的特殊用途林，林木分布较为集中，间距小，因此出现火灾的时候危害极大。另外，工业原料林（木材林，经济林和薪柴林）占一半以上，针叶林和阔叶林的面积比为64:36，针叶树种的比例太大，针叶林多，阔叶林少，造林树种相对单调。阔叶树种的比例仍在下降。近年来，混交林面积占多数，但混交林的比例和混交林的比例仍有待继续提高;从林龄结构来看，幼林，中年林，近成熟林，成熟林和过成熟林的蓄积率分别为28.4％，42.4％，15.7％，11.8％，1.7％。2.地域分布按云南地区区域划分，显示云南地区各区域森林火灾中人员伤亡情况不同，总体来看，2000-2018年各区域森林火灾中人员伤亡情况最重的地区为西部地区，该区伤亡人数占云南地区森林火灾中人员伤亡总数的35.5%，伤亡以轻伤为主，约占该区伤亡总数的62.6%。而这部分地区的主要树种都是易燃树种。由易燃树种组成的森林的火灾频度显著高于其他。这些地区的主要3种树种分别是油松(98.57/年)、桉树属(欧桉)(48.50/年)和其他种类(47.48/年)。然而，在烧损面积方面，桦木属5.8×103公顷/年)，松属(1.5×103公顷/年)和混合针叶林(0.6×103公顷/年)依次是三个树种的森林火灾记录。（二）云南地区森林防火现状根据我国森林火灾中人员伤亡数据的统计，1988－2017年我国云南地区共发生森林火灾1192次，年均发生41次，烧毁森林面积206.5×104hm2，年均烧毁8.2×104hm2，造成人员伤亡2618人，其中死亡363人，重伤562人，轻伤1693人，平均每年伤亡90人。1988－2017年间，云南地区森林火灾中人员伤亡数年际间波动较大，存在明显的年际振动，大概每隔4～6年就有一次人员伤亡严重的高峰年。通过对云南地区森林火灾中人员伤亡人数趋势进行分析发现，伤亡数总体呈现递减的趋势，在干旱严重的年份，森林火灾发生次数多，相应的森林火灾中人员伤亡也多。例如，1999-2000年云南地区经历了建国以来最严重的干旱，俗称世纪末大旱，1999年我国发生的6847次森林火灾共造成人员伤亡421人，创1988年以来人员伤亡最高纪录，其中云南地区1997－2000年连续4年遭受大旱，1999年的旱情、灾情最为严重，出现了40年不遇的干旱天气，同年4月3日，在云南地区发生的重大森林火灾，因组织扑火不利，致使火灾蔓延至与之相邻的水文县境内，火场面积1256hm2，受害森林面积912hm2，火灾直接造成23名人员死亡。三、云南地区森林防火预测（一）卫星监测林业状况遥感作为一种以卫星为基础的技术，在森林和陆地火灾评估中发挥着非常重要的作用，包括：火灾探测、火灾影响评估、预警系统、火灾管理计划和火灾后恢复计划。此外，20多年来，卫星数据被用于监测区域和全球范围内的生物量燃烧，使用的算法是在卫星立交桥时探测活跃火灾的位置，在过去十年中使用直接绘制受火灾影响地区的空间范围的燃烧面积算法，例如MODIS燃烧面积产品(MCD45)。森林火灾研究是GIS的众多应用之一。影响森林火灾开始和蔓延的各种因素要求采用综合分析方法。考虑到这一现象的内在动态性，遥感图像对于这类研究也是非常有价值的。它提供了对植被状况的快速评估，以及火灾对环境影响的调查。然而，关于技术应用范围和规模的信息仍然有限。以卫星为基础的森林和陆地火灾研究得到了发展和加强.毫无疑问，卫星应用程序在森林火灾控制中起着重要的作用，然而，有关应用范围和规模的信息仍然有限；群组是最有可能用于基于火灾卫星的研究的二次聚类，包括：火灾排放和污染、火灾风险和探测以及火灾影响评估；未来研究课题中的挑战：有效的EWS、火灾易发地区测绘、信息系统-Hostpot精度、火灾对生物多样性的影响、排放因子；卫星和地面研究相结合将取得最佳结果，并在尽量减少森林和陆地火灾发生及其影响方面发挥重要作用。人造卫星能够快速地监测出森林大火喷人大气层的二氧化碳、煤烟和其他温室效应气体及污染物的数量。目前，测量森林火灾对环境影响的唯一途径是亲临现场，比如肆虐澳大利亚和印度尼西亚的大火。但是许多火灾发生在十分偏远的地区或者在研究人员赶到之前就已经熄灭。英国伦敦国王大学马丁·乌斯特的实验表明，在最近发射的地球观测卫星上安装的红外线感应器可以用来测量火灾的热量，由此研究人员可推断出火灾释放出碳的数量。通过一架红外线照相机，乌斯特观察了来自欧洲和非洲、具有不同密度燃烧着的干草。他发现，无论干草堆积得多么紧密或源自何处，草释放出的热量几乎相同。其他欧洲国家的研究人员也发现，卫星上的红外线探测仪还能监测火灾释放的化学物质的类型。（二）林火预测炎热干燥的夏季是森林大火的多发季节，山火一旦发生就会迅速蔓延开来，造成的损失难以估量。美国蒙大拿州米苏拉的美国森林局火灾研究实验室中，研究人员正在试图建立一套计算机模型来预测火势的蔓延趋势，以协助消防员的灭火工作。研究人员事先将火灾发生地的天气情况、地形、地貌以及其他的一些自然因素信息输入电脑，然后通过一个软件程序的处理，就可以准确地预测出未来几分钟、甚至2h内的火势蔓延情况。这个软件还能预示火势蔓延的速度，以及那些即将面临火灾危险的地域。因此，开展了大量研究，以查明全球各种生态系统中森林火灾发生背后的空间分布和驱动因素。先前的研究表明，火势在空间和时间上都是可变的，这是多种因素相互作用的结果，这些因素一般分为四大类，包括：气候、植被、地形和人类活动。气候和天气等因素决定了燃料的可用性和含水量，而燃料负荷将直接反映燃料状况和火灾活动-这可以受到影响风、水平衡和传热的地形的强烈控制。此外，人为干预可能会触发点火和灭火，并改变火灾的频率、强度、严重程度和分布情况。森林生态系统的复杂性是由气候、地形、森林组成、人类活动和其他社会经济条件等多种内部因素所决定的。生态系统中影响因素之间的相互作用对森林火灾有多种动态影响，由于不同生态系统中人类活动、小气候或基础设施等具体因素的发展不一致，森林火灾可能会随着时间而变化。因此，不同生态系统的火灾驱动因素不同，影响了未来火灾预测与火灾管理资源配置的一致性。（三）GIS地图的应用近年来，随着遥感和地理信息系统(GIS)研究的重大进展，这些技术推动了在许多区域制作森林火灾风险图的研究。其原因是，地理信息系统提供了几种工具，用于整合影响森林火灾的各种因素的空间信息。一般而言，森林火灾的发生及其蔓延受到气候条件、植被、地形特征和人类活动等因素的相互影响。此外，区域范围内的分析表明，收集到的基于地理信息系统的数据的规模很大。这些事实意味着森林火灾的分析是多元的，需要能够处理许多变量和大量数据集的技术。因此，机器学习算法在分析与森林火灾有关的空间数据集方面发挥了重要作用。此外，机器学习的推理能力对估计森林火灾的空间分布有很大的帮助。虽然已有的研究表明了人工神经网络在森林火灾危险性评价中的潜力，但通过加强人工神经网络的训练过程，这些模型的准确性和有效性仍有明显提高。传统的人工神经网络模型训练方法依赖于带反向传播的梯度下降算法。在许多情况下，反向传播可以帮助模型以可接受的精度快速训练，但是由于该算法是基于梯度下降的，因此它具有相当的早熟收敛性。这意味着培训过程已经结束，但还没有找到更好的模式。为了应对过早收敛的风险，许多作者将元启发式作为一种训练算法，而不是传统的背靠背。基于元启发式的机器学习模型，例如采用基于生物地理学的优化、人工蜂群、Cuckoo搜索、差异进化和粒子群优化的机器学习模型。基于元启发式的方法确实可以帮助识别更好的人工神经网络模型；然而，这些训练方法正在缓慢收敛，它们需要巨大的计算成本。这是因为元启发式依赖于代理群体的集体智能。为了探索和开发网络权重的搜索空间，需要大量的函数调用。此外，最近的实验工作显示，使用元启发式算法训练的人工神经网络模型存在一种非常不受欢迎的停滞现象。缓慢的收敛和停滞的风险导致以下事实：在某些情况下，元启发式方法的性能并不比传统的反向传播方法好。在建立一种新的基于人工神经网络的森林火灾空间预测模型的混合训练方法。提出了一种新的混合算法，该方法能有效地弥补反向传播和元启发式算法的不足。新建立的方法是两种训练算法的混合，因为反向传播和元启发式实际上是相辅相成的。元启发式算法降低了早熟收敛的风险，而反向传播具有最陡的下降运动，有助于综合算法更好地利用搜索空间，避免停滞。因此，新的混合训练方法对森林火灾危险空间建模具有较好的预测性能。（四）智能识别系统的应用利用一颗名为“大地”的气象卫星探测野外的火苗，指导消防部门高效扑灭森林大火，这是美国把卫星科技用于消防领域的新举措。“大地”卫星在离地面大约705km的轨道上绕地球运转，卫星上装备的“中等分辨率成像分光辐射谱仪”具有灵敏探测地面上的高温地区、浓烟地带以及火灾遗址的能力。它每天两次向地面传回有关火情的数据，这些数据经过专门的计算机程序分析后可绘制成火情图。该图涵盖的信息包括火灾地点、火势蔓延的趋势，以及大火对环境造成的损害程度。这样就缩短了消防部门预测、判断火灾发生地情况的时间，便于合理分配消防资源，大大提高了扑灭森林大火的效率。然而，利用卫星传回来的数据绘制的火情图还比较粗糙，它只能为森林防火提供一个战略上的指导。在实际灭火工作中，为了使定位更加准确，森林防火部门还要同时参考其他气象卫星和天气预报提供的天气信息，以便在有可能发生闪电、风暴的日子里密切注意较为干燥的地带。一旦火灾发生，配有传感器的飞机和附近的嘹望塔以及火灾现场的护林员将同时行动，遥相呼应。四、云南森林防火系统优化（一）定位系统的优化2005年，FIRE—WATCH森林火灾自动预警系统在德国培兹林业局所属的森林里正式投入使用。这是一种应用数码摄像技术的森林火灾自动预警系统，它能够及时定位森林火灾，是当前欧洲最新的技术。德国勃兰登堡州原有133个森林防火嘹望台。这些森林防火设施用了近30多年，已经不能适应人类工程学的要求，且有些防火设施长期失修。据专家估计，建造新的设施至少需要25万欧元，外加200万欧元用于必要的维修。因此，勃兰登堡州农业部与财政部联合决定，共同开发一种森林火灾自动预警系统。在德国航天航空中心的技术支持下，FIRE—WATCH森林火灾自动预警系统研制成功。这是一种森林与灌木火灾的烟气识别系统，该系统经过了多年的实地试验。2002年，在勃兰登堡州、梅克伦堡一前波莫瑞州与萨克森州安装了24套这种摄像系统以及7套第二代FIRE—WATCH装置，这以后在所监视的林区发生了近120次森林火灾，没有一次漏报。为加快森林防火建设，已有几家公司开展了森林防火系统研发工作，并具备了参与市场开发的技术能力和售后服务能力，用户也比较满意。如北京亚盟基业环保科技有限公司，能根据具体用户的用电负荷特征以及用户所在区域的太阳能、风能资源状况，有针对性地配置出适合用户的供电系统。该公司在国家发改委再生能源办的大力支持下，研制出专供林业使用的“森林防火风光互补供电系统”。在确保林业防火安全的同时，经济、方便、彻底地解决森林陈望台、看护房、监控器、远程伐木等方面的用电难题。由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。风光互补供电系统可以根据用户的用电负荷情况和资源条件进行系统容量的合理配置，即可保证系统供电的可靠性，又可降低发电系统的造价。无论是怎样的环境和用电要求，都可作出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。应该说，风光互补发电系统是森林防火最合理的独立电源系统。这种合理性表现在资源配置最合理，技术方案最合理，性能价格最合理。正是这种合理性保证了风光互补发电系统的高可靠性。风光互补发电系统由太阳能发电板、风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成。在系统控制器部分，是一种全新的保护和控制理念，它包括过充、过放、过载、过温、短路、反接；对风力发电机实行强风自动限速；对市电进行旁路自动切换；对输出实行多路控制；对负载增加节电控制等，使保护和控制动作十分安全可靠与稳定。（二）管理优化1.实施共管在人造卫星和无人机之前，人们观察是否发生森林火灾主要依靠嘹望塔。为了有效预防森林大火蔓延，必须在最短时间内观测到起火部位。为此，欧盟研制出了一套“森林火灾自动观察系统”。它由4个可以监视500m到10km范围的黑白摄像机和一个热敏与烟感应器组成，可以在30s内发现烟火，40s内确定起火区域。地球森林火灾监测卫星通过遥感技术，把发生林火范围、火场温度、火灾蔓延速度、烟的高度和扩散方向、受到火灾严重威胁的高风险地段测算出来，然后卫星上的微处理器立即把这些数据加以整理，连同图像等资料发到地球接收站，之后自动传送到美国森林警察总署。森林火灾的整个监测和信息传送程序，从地球卫星发现火情开始，不超过2小时。森林火险气象等级主要考虑天气和气象要素的变化，对森林可燃物易燃性的影响，依次为依据划分的火险等级，称之为森林火险气象等级。制作和发布火险天气等级的预报称为森林火险气象等级潜势预报。目前，中央气象台业务上预报的森林火险气象等级有5级。一级：气温偏低，相对湿度大，林区潮湿而不易燃烧。无火险，不易发生火灾。二级：气温不高，相对湿度较大，林区较潮湿而难燃烧。属低级火险，由火种引起的火灾燃烧后蔓延也很慢。三级：气温较高，湿度不大，林区较干燥，有利起火，可蔓延。属中级火险，易引起火灾且蔓延较快。四级：气温高，湿度小，风力大，林区干燥，有利起火，容易蔓延。属高级火险，易引起火灾且蔓延较快。五级：气温高，湿度很小，风力大，林区干燥，极易起火，蔓延迅速。属特级火险，极易引起火灾且蔓延特快。2.强化火源管理消除隐患在未来预期更严峻的森林火险状况下，全国各级森林防火部门应采取更加积极的林火防控对策，以使森林火灾的危害降到最低。这主要包括以下几个方面：(一)强化宣传教育：积极开展森林防火宣传，提高相关部门和社会公众的森林火灾防范意识。充分利用电视、网络、手机等信息发布渠道，及时发布森林火险预警信息，扩大预警信息覆盖面。(二)严格野外火源管理：严格野外火源管理主要指人为火源的管理。人为火源主要分为两类：一类是因烧荒、烧炭、炼山造林、烧牧场等生产性用火引起的森林火灾；一类是上坟烧纸、野外吸烟、小孩玩火和痴呆弄火、取暖做饭等非生产性用火引起的森林火灾。随着林区改革的深入和绿色食品产业的发展，入山人员增多，成分复杂，活动分散，火源管理难度加大。从一定意义上讲，“防火就是防人”，只要尽最大努力减少人为火源，就可以最大限度的防止森林火灾发生。各级森林防火部门应严格按照《森林防火条例》的规定，加强人为火源的管理。近年来，许多地方还探索出了一系列火源管理的好做法，比如东北林区的“十户联保”、西南林区的专职巡山员和村民轮流挂牌制度等，在工作实践中都取得了很好的效果。(三)采取积极的可燃物管理措施：林内大量的可燃物累积，是发生大型森林火灾的物质条件，采取包括计划烧除在内的积极的可燃物管理措施，避免林下出现大量可燃物累积的现象，就可以尽可能地减小发生大面积火灾的隐患。(四)强化预案修订完善：针对气候变暖背景下森林火灾呈现出的新特点，如火险期延长、火灾发生区域扩大、火天气恶劣、火势猛烈、扑救难度增大等，强化各级防火部门森林火灾扑救预案的修订和完善工作，提升森林火灾发生后的应急处置能力。(五)加强森林消防队伍建设：近些年来，我国森林消防队伍建设虽然有所加强，但综合扑火能力还不是十分强，扑火专业队、半专业队、森林警察部队的数量相对来说比较少，且总体装备水平有待大幅提高。(六)增加防火基础设施投入力度，加大扑火物资储备种类奔口数量：林区特别是重点火险区的防火基础设施的建设力度需进一步增加，主要包括生物防火林带、林火嘹望台、林区道路、地面火灾监测网、雷电监测网、电力和通信线路等。因为我国人口众多，山区群众的生产生活对森林的依赖性大，我国99%以上的森林火灾都是因为人为火源进山引起的。因此，在森林防火期内控制火源是最直接有效的防火措施。火源控制要从以下两方面着手：一是在防火区的进山处、路边等，设立禁火标志。二是严格防火区的用火管理：一级防火区禁止擅自野外用火；二、三级防火区禁止烧荒、点篝火、烧香烧纸、野外烧烤。在山区林地作业和通行的机动车辆，必须严防漏火、喷火，严禁司乘人员丢弃火种。因特殊情况需要在一级防火区进行生产性用火的，须经所在区县人民政府或者区县森林防火指挥部批准，核发用火许可证。在一、二级防火区组织大型群众活动的，应当制定具体防火措施，并报所在区县森林防火指挥部批准。在戒严期内，各级防火区禁止一切野外用火，禁止携带火种进入森林和林地。森林防火通道是扑救森林火灾的生命线，又是森林抚育、检疫、管护、造林及生态旅游的交通要道，在国有林场生态建设、森林防火工作中起到重要作用。防火通道建设：一是有效提高了护林员巡山护林次数和速度；二是一旦发生森林火灾，能迅速将扑火队伍和扑火机具送达目的地，为快速扑灭森林火灾提供交通保障；三是阻止和减缓林火的蔓延和扩涨；四是确保国有林资源0.397万hm2和周边群营林资源0.28万hm2森林资源得到安全保障。五是从根本上改变了岭林场东半部没有主干道、交通不便的状况。同时解决了林区及周边群众生产生活交通的实际困难，也是一项惠民工程。3.强化基层工作加强抗灾宣导根据护林防火政策法令，开展宣传教育工作，落实防火工作人员，明确防火责任者、严格控制火源等行政措施；加强火险气象预报、应用遥感技术监测、提高预报准确率、合理设置护林防火设施、划分森林火险等级和防火区，做到心中有数，重点防范等技术措施。此教育工作，落实防火工作人员，明确防火责任者、严格控制火源等行政措施；加强火险气象预报、应用遥感技术监测、提高预报准确率、合理设置护林防火设施、划分森林火险等级和防火区，做到心中有数，重点防范等技术措施。《森林防火条例》规定，各级人民政府森林防火机构和有林责任单位，实行森林防火行政领导负责制，层层签订护林防火工作责任书。建立森林防火责任制，划定森林防火责任区，确定森林防火责任人，并配备森林防火设施和设备，要做到责有人担，林有人护，火有人管。旅游、供电、气象、铁路、水利、电信、物资、民政等各有关部门，按照各自职责，落实各项防火措施，做好与防火扑火相关的工作。多年来，各地制定的、行之有效的规章制度主要有：分片包干负责制、单位系统负责制、24小时值班制、定期防火检查制、护林防火奖惩制、森林防火定期安全检查和安全用火制、林火预测预报制等。加强森林防火意识教育，坚持群防群治；《森林防火条例》规定：各级人民政府、森林防火机构、有林责任单位，要经常性地组织森林防火宣传活动，利用广播、地方电视、报纸、手机短信、宣