我國(guó)城市面山森林火災(zāi)的特征分析與解決方案的探索實(shí)踐

我國(guó)城市面山森林火災(zāi)的特征分析與解決方案的探索實(shí)踐律江1封強(qiáng)2馬曉光2李偉2（北京西山試驗(yàn)林場(chǎng)重慶英卡電子限公司）摘要：城市面山是一座城市的重要自然景觀和生態(tài)資源，也是社會(huì)公眾享有生態(tài)價(jià)值紅利的便利去處，但同時(shí)給森林防火也造成了日益巨大的壓力。本文綜合全國(guó)南北方城市面山人為火、電力火、雷擊火等因素，通過(guò)多年的探索實(shí)踐提出了以地面防控能力建設(shè)為主的解決方案，綜合運(yùn)用無(wú)人機(jī)巡航、視頻監(jiān)控、地表火探測(cè)、火險(xiǎn)因子監(jiān)測(cè)、智能卡口路網(wǎng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，以及深度學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)手段等結(jié)合人防、物防和技防實(shí)施24小時(shí)的智能化防控，積極探索由經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)、被動(dòng)向主動(dòng)、人工向智能的新質(zhì)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)型的模式，為我國(guó)典型性、普遍性的城市面山森林防火和生態(tài)保護(hù)提供思路和技術(shù)選型。關(guān)鍵詞：城市面山；森林防火；地面防控；新質(zhì)生產(chǎn)力一、引言城市面山，生態(tài)服務(wù)功能與人為火災(zāi)是對(duì)立統(tǒng)一的矛盾，既需要其充分發(fā)揮重要的生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值，又需要加強(qiáng)森林防火管控和生態(tài)資源保護(hù)。一旦發(fā)生城市面山森林火災(zāi)，不僅破壞城市自然生態(tài)和污染城市空氣，而且危及城市安全、引發(fā)公眾恐慌和造成負(fù)面社會(huì)影響。與旅游景區(qū)、自然公園、自然保護(hù)區(qū)和國(guó)家公園相比較，城市面山的森林防火更加困難。因此，在眾多技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用面前，如何加強(qiáng)城市面山的森林防火管控，采用什么樣的解決方案，成為擺在我國(guó)城市面山森林防火面前的典型性、普適性問(wèn)題。二、火情特征城市面山，是指城市周邊的山體，是在城市的視線范圍內(nèi)可見(jiàn)的自然生態(tài)景觀。城市面山對(duì)城市的生態(tài)、文化、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)都有著重要影響，可為城市提供保持水土、凈化空氣、改善生態(tài)、美化環(huán)境、文化旅游、健身康養(yǎng)、民風(fēng)民俗等生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值。為此，城市面山在不同時(shí)節(jié)都會(huì)吸引大量城市居民或外來(lái)游客登山健身、文旅觀光、生態(tài)康養(yǎng)、祭祀活動(dòng)等，充分體現(xiàn)城市面山具有獨(dú)特而便捷的生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值。與此同時(shí)，大量的人車入林活動(dòng)，也給城市面山帶來(lái)巨大的森林防火壓力。據(jù)全國(guó)21個(gè)省區(qū)100余個(gè)城市面山地表火情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，每年的春節(jié)、清明節(jié)、五一節(jié)、端午節(jié)、中元節(jié)、國(guó)慶節(jié)、中秋節(jié)等重要節(jié)日，東部地區(qū)每天的7時(shí)至17時(shí)、西部地區(qū)的8時(shí)至18時(shí)，是人類活動(dòng)頻繁而人為火險(xiǎn)高發(fā)時(shí)段。因此，城市面山所面臨的森林防火壓力，主要是人為因素帶來(lái)的壓力，歷年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明城市面山人為因素火情占比近98%，只有我國(guó)的東北和西南地區(qū)監(jiān)測(cè)到極少的雷擊或電力設(shè)施火情。三、主要問(wèn)題當(dāng)前，我國(guó)城市面山森林防火主要面臨以下五個(gè)方面的問(wèn)題：一是生態(tài)服務(wù)與防火管控之間的矛盾問(wèn)題。城市面山的生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值是所有森林生態(tài)類型中服務(wù)功能價(jià)值發(fā)揮作用最大的類型之一，但人流量的增加，就意味著人為因素火災(zāi)發(fā)生概率的增大。如果不加強(qiáng)人車流量的適度管控，就可釀成火災(zāi)事故；但過(guò)度管控又會(huì)給公眾享有生態(tài)紅利造成不良影響。因此，人車流量管控的度就十分重要，這涉及時(shí)節(jié)氣候、立地條件和人為火源三要素之間的相互關(guān)聯(lián)的火災(zāi)概率問(wèn)題。二是加強(qiáng)宣教管控與人力資源緊張的矛盾問(wèn)題。盡管我國(guó)公民的文化素質(zhì)、生態(tài)意識(shí)和法律意識(shí)有了很大的提高，自覺(jué)保護(hù)生態(tài)和愛(ài)護(hù)環(huán)境的意識(shí)較為普遍，但還是存在不同年齡段的林區(qū)吸煙、野外用火、燒香祭祖等現(xiàn)象，特別是幾千年來(lái)傳統(tǒng)的祭祀風(fēng)俗，對(duì)城市面山而言不可避免。為此，為了加強(qiáng)森林防火的法律法規(guī)和防范意識(shí)教育，不僅需要增設(shè)宣傳標(biāo)語(yǔ)、標(biāo)牌、展板等設(shè)施加強(qiáng)宣教，防火期內(nèi)還需要增派人員值守道路和檢查站點(diǎn)，禁止帶火進(jìn)山，造成年復(fù)一年的防火壓力。特殊異常氣候時(shí)，這些壓力甚至?xí)鲗?dǎo)至城市的所有行政機(jī)構(gòu)及事業(yè)單位。三是森林氣象火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)預(yù)警失調(diào)問(wèn)題。目前我國(guó)主要由氣象局依據(jù)GB/T36743-2018《森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)利用城市氣象預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)因子及算法模型進(jìn)行宏觀層面的火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)預(yù)警，但林區(qū)內(nèi)的微氣候因子與城區(qū)差異較大，而且不同坡位和坡向之間的差別也很大，加之缺失人車流量數(shù)據(jù)、地表凋落物含水率及載量等核心因子參與模型計(jì)算，實(shí)踐中氣象火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)預(yù)警僅具有宏觀性的決策支撐作用，但不能發(fā)揮防火管控力量部署決策支撐作用。四是地表火情早期監(jiān)測(cè)和定位報(bào)警難的問(wèn)題。森林火災(zāi)主要來(lái)自于早期的地表火情，如果不能及時(shí)監(jiān)測(cè)或發(fā)現(xiàn)地表火現(xiàn)象，在風(fēng)力作用下將迅速上樹(shù)形成樹(shù)冠火，從而釀成森林火災(zāi)。目前，我國(guó)城市面山森林防火主要依靠無(wú)人機(jī)巡航、視頻監(jiān)控和人工巡查等手段。但是，城市面山通常無(wú)人機(jī)巡航會(huì)受到一定的飛行限制，而且實(shí)施成本較高；視頻監(jiān)控除特定敏感區(qū)域外通常不受限制，成為主要的技防手段，適合于大范圍24小時(shí)出林煙火監(jiān)測(cè)，但仍然存在視覺(jué)盲區(qū)和難于及時(shí)發(fā)現(xiàn)樹(shù)冠以下早期林火的缺陷；人工巡查主要不能24小時(shí)持續(xù)開(kāi)展，時(shí)常出現(xiàn)凌晨入林燒香祭祀現(xiàn)象，城市面山野外用火防不勝防。五是肇事調(diào)查和火源取證難的問(wèn)題。城市面山森林火災(zāi)成因主要是人類因素，但也有極少量的電力設(shè)施或雷擊火因素。引發(fā)火災(zāi)的肇事成因調(diào)查十分困難，需要實(shí)地勘察、大量走訪和調(diào)取監(jiān)控，特別是在缺失視頻監(jiān)控條件下的成因調(diào)查和肇事取證，十分困難。四、解決方案針對(duì)上述普遍性問(wèn)題，以及隨著城市面山森林資源持續(xù)增長(zhǎng)和愿意就職于巡山護(hù)林適宜人員的持續(xù)減少，本文提出以技防和智防為主要的解決方案，探索城市面山森林防火由經(jīng)驗(yàn)防控向科學(xué)防控、被動(dòng)防控向主動(dòng)防控、低效防控向高效防控的新質(zhì)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)型發(fā)展途徑，并持續(xù)在全國(guó)城市面山實(shí)踐提升。（一）預(yù)防為盾，加強(qiáng)路網(wǎng)智能卡口建設(shè)強(qiáng)化多模態(tài)宣教與火源管控城市面山的人車流量、活動(dòng)區(qū)域、活動(dòng)時(shí)段和活動(dòng)強(qiáng)度，是火源的主要影響因子，在城市面山出入林區(qū)的路口及路網(wǎng)加強(qiáng)智能卡口建設(shè)實(shí)施24小時(shí)無(wú)人值守的語(yǔ)音、文字、喊話、對(duì)講等多模態(tài)宣教和火源管控，既可以增強(qiáng)法律法規(guī)和防火意識(shí)的宣傳教育，又可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人為火源的主要影響因子數(shù)據(jù)，還可以為災(zāi)后調(diào)查取證和人員追蹤提供影像數(shù)據(jù)，從而對(duì)城市面山路網(wǎng)實(shí)施24小時(shí)的火源宣教、管控和監(jiān)測(cè)，與防火檢查站相比較，具有投資成本低、運(yùn)行費(fèi)用少和時(shí)空數(shù)據(jù)全的顯著優(yōu)點(diǎn)，可為城市面山的森林防火建立起預(yù)防為主的防護(hù)盾牌，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)標(biāo)語(yǔ)宣教向多模態(tài)智能宣教、白天宣教向晝夜宣教、有人值守向無(wú)人值守轉(zhuǎn)型。（二）預(yù)測(cè)為矛，加強(qiáng)高時(shí)空精度火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)預(yù)警與主動(dòng)防控能力城市面山的不同坡位和坡向的微氣候因子、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、凋落物組成、凋落物含水率、凋落物載量等都有所不同，在城市面山的不同坡位（高、中、低海拔和平地）、不同坡向（陽(yáng)坡和陰坡）、不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種地類、不同人類活動(dòng)區(qū)域類型和電力設(shè)施部署區(qū)域分別安裝部署火險(xiǎn)因子綜合監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)微氣候因子（空氣溫度、空氣濕度、降雨量、光照強(qiáng)度、風(fēng)力、風(fēng)向、大氣壓力等）、地表因子（地表溫度、地表濕度）、土壤因子（表層溫度、表層濕度）、凋落物因子（厚度、表面含水率、各分層含水率、各分層密度）、物候狀態(tài)（冰雪、雨水、光地、增減變化、返青等）和物候因子（CCI、GCC、RCC、BCC、EVI、NDVI、EXG），結(jié)合路網(wǎng)智能卡口監(jiān)測(cè)的人為火源因子（人車流量、活動(dòng)區(qū)域、活動(dòng)時(shí)段、活動(dòng)強(qiáng)度）和林地資源調(diào)查數(shù)據(jù)，利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)構(gòu)建高精度的火災(zāi)發(fā)生概率預(yù)測(cè)算法模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同點(diǎn)位類型的林區(qū)火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)，進(jìn)而可根據(jù)與對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)類似的林地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行泛化，從而實(shí)施每小時(shí)的100m*100m高時(shí)空精度的火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)預(yù)警，還可以聚合成各管護(hù)站、分場(chǎng)級(jí)的火險(xiǎn)等級(jí)，以便各管護(hù)站或分場(chǎng)科學(xué)決策和部署人力資源，按時(shí)空預(yù)警等級(jí)有的放矢的開(kāi)展應(yīng)急響應(yīng)工作，實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)防控向科學(xué)防控、被動(dòng)防控向主動(dòng)防控轉(zhuǎn)型。在我國(guó)東北、新疆、西北和西南等地區(qū)，存在雷擊火隱患?？稍诔鞘忻嫔揭滓l(fā)雷擊火的區(qū)域增設(shè)甚低頻/低頻三維雷電監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地閃雷擊現(xiàn)象，在算法模型中增加雷擊火預(yù)測(cè)預(yù)警因子，從而可全面實(shí)現(xiàn)人為火、電力火、雷擊火等預(yù)測(cè)預(yù)警。（三）監(jiān)測(cè)為鎧，加強(qiáng)立體化火情監(jiān)測(cè)定位報(bào)警體系與快速處置響應(yīng)城市面山的地表火情監(jiān)測(cè)是最后一道防線，若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)定位報(bào)警和快速處置，極可能引發(fā)森林火災(zāi)。因此，可在城市面山的至高點(diǎn)建設(shè)雙光譜（白天利用可見(jiàn)光譜影像監(jiān)測(cè)、夜晚利用紅外光譜影像監(jiān)測(cè)）重型云臺(tái)監(jiān)控視頻，可在運(yùn)營(yíng)商鐵塔或自建鐵塔搭載安裝，實(shí)施大范圍的24小時(shí)出林煙火現(xiàn)象監(jiān)控和定位報(bào)警；為克服視頻監(jiān)控存在的盲區(qū)、觀光區(qū)、露營(yíng)區(qū)、人行道、祭祀?yún)^(qū)、采摘區(qū)等關(guān)鍵部位的高風(fēng)險(xiǎn)林緣區(qū)域，可在這些區(qū)域安裝部署地表火探測(cè)器，利用樹(shù)木固定安裝，可實(shí)施24小時(shí)林下火情的早期監(jiān)測(cè)和定位報(bào)警，并取得地表火發(fā)生的火源取證照片；將智能卡口視頻聯(lián)網(wǎng)實(shí)施邊緣計(jì)算的AI煙火監(jiān)測(cè)，從而可構(gòu)建起林上雙光譜視頻監(jiān)控、路網(wǎng)智能卡口視頻監(jiān)控、林下重要部位地表火探測(cè)的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)，規(guī)避了無(wú)人機(jī)受限、視頻監(jiān)控受限、巡護(hù)員下班休息等問(wèn)題，讓城市面山24小時(shí)穿上立體保護(hù)的鎧甲。（四）智防為腦，融合人防、物防和技防增強(qiáng)智能化處置指揮能力城市面山通常涉及許多重要保護(hù)對(duì)象和單位，為加強(qiáng)森林火災(zāi)的撲救處置能力，通常都建立有專業(yè)或半專業(yè)滅火隊(duì)伍，配置了相應(yīng)的防滅火物資、設(shè)施、裝備和車輛，以便根據(jù)火災(zāi)情況及氣象條件指揮組織滅火?？衫昧值刭Y源調(diào)查數(shù)據(jù)、林區(qū)微氣候監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、人防部署數(shù)據(jù)和物防儲(chǔ)備數(shù)據(jù)，以及無(wú)人機(jī)火場(chǎng)回傳的火線蔓延動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，借助深度學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)構(gòu)建火災(zāi)行為預(yù)測(cè)指揮算法模型，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)警爆燃火、蔓延趨勢(shì)和蔓延速度，以便科學(xué)指揮撲救，有效減少或避免人員傷亡。五、實(shí)踐案例城市面山的森林防火，是屬于防范與管控難度最大的類型，人為因素火險(xiǎn)高于自然公園或旅游景區(qū)，主要原因是24小時(shí)均存在人類活動(dòng)。因此，也是立體化、智能化、實(shí)時(shí)化防控要求最高的類型。近年來(lái)，本文提出的解決方案先后在華北地區(qū)的北京市西山試驗(yàn)林場(chǎng)、華東地區(qū)的威海劉公島國(guó)家森林公園、西南地區(qū)的重慶壁山區(qū)東風(fēng)林場(chǎng)、四川成都市龍泉驛國(guó)家森林公園、云南昆明市西山林場(chǎng)等開(kāi)展實(shí)踐探索，通過(guò)少量部署高空視頻、路網(wǎng)部署智能卡口、重要部位（觀光道路和祭祀）部署地表火探測(cè)器、典型林區(qū)部署火險(xiǎn)因子綜合監(jiān)測(cè)站等技術(shù)方案，探索出城市面山向科學(xué)防控、主動(dòng)防控、高效防控的新質(zhì)生產(chǎn)力轉(zhuǎn)型發(fā)展的模式，使城市面山森林防火能夠有效的防范于未然，并逐步過(guò)渡適應(yīng)護(hù)林員持續(xù)減少的未