近年，经国务院批准，国家林业局和国家发改委联合印发了《全国森林防火中长期发展规划》(简称《规划》)，是新中国成立以来第一个国家层面的森林防火规划，体现了党中央、国务院对森林防火工作的高度重视，也将推动森林防火工作再上一个新台阶。规划提出“设计建设森林防火预防、扑救、保障三大体系，大幅提高森林防火装备水平、改善基础设施条件，增强预警、监测、应急处置和扑救能力，实现“火灾防控现代化、管理工作规范化、队伍建设专业化、扑救工作科学化”。

　　对森林防火预警监测手段有遥感卫星、固定翼飞机巡逻、直升机巡逻、无人机巡逻、望塔观测等。

　　遥感卫星因受大气窗口限制以及对流层气象影响，不能保证每次掠过林区上空时观测到林区的火情，同时由于低轨道卫星的运行状况也不能保证24小时在林区上空进行森林火情观测。固定翼飞机巡逻、直升机巡逻、无人机巡逻因飞行成本、出航率等问题限制也无法保证24小时在林区上空进行森林火情观测。因此目前我国森林火情观测还是以望塔组网为主要观测手段实现24小时森林火情观测，本文也重点分析望塔远程视频监控的优化布局。

　　本文在森林防火期的环境下对目视观测、摄像机观测能力进行初步分析，并采用蜂窝布局结构进行望塔布局，并采用这一方法计算出整个林区的望塔观测覆盖率。

　　目视监测能力分析

　　眼睛正常的分辨率大约在1角分左右，即一度的60分之一，物体近，在视网膜上成像角度大，物体远，在视网膜上成像角度小，如果物体太远，在视网膜上成像小于该角度则眼睛无法分辨。

　　先分析不考虑人眼视觉极限情况下的物理距离极限。

　　人的视觉也受地球曲率的影响，在不考虑人眼视觉极限情况下，可以观测到的距离为：

　　其中：

　　L：理想观测距离(不考虑人眼视觉极限情况下)

　　h1：人在地面的站立高度(按男人平均高度1.70米)

　　h2：受测目标高度

　　R：地球半径(在该处地球曲率折算)

　　由此得到计算结果如表1所示。

　　在实际当中，由于望塔都部署在山顶上，因此在不考虑人眼视觉极限情况下的极限距离都大于30公里，远远超出人眼实际观测能力，因此在以后的论证中主要考虑人眼的观测能力(眼睛视觉极限的最小面积示意图如图1)。

　　依据一般人的眼睛的分辨率大约在1角分左右，因此可以计算出对于不同观测目标的极限距离(良好气象条件下)。

　　眼睛视觉极限的最小面积S=π(2.9 x10-4L)2/4，当目标投影面积 > S，则目标可视，并考虑修正系数1.5，具体关系如表2。

　　由于气象因素影响，望塔上的人员视力会受到这些因素的影响，能见度是描述气象因素影响的重要指标。

　　能见度用气象光学视程表示。气象光学视程是指白炽灯发出色温为2700K的平行光束的光通量，在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度。

　　白天能见度是指视力正常(对比感阈为0.05)的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离。实际上也是气象光学视程。[nextpage]

　　夜间能见度的定义：

　　1、假定总体照明增加到正常白天水平，适当大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大水平距离。

　　2、中等强度的发光体能被看到和识别的最大水平距离。

　　所谓“能见”，在白天是指能看到和辨认出目标物的轮廓和形体，在夜间是指能清楚看到目标灯的发光点。凡是看不清目标物的轮廓，认不清其形体，或者所见目标灯的发光点模糊，灯光散乱，都不能算“能见”。

　　目标物的能见度，与大气透明度和目标物同背景的亮度对比有关。当天气晴朗、 大气透明度良好时，能见度就好;反之，当空气混浊，特别是有雾、霾、烟、风沙及降水时，能见度就差。在大气透明度不变的条件下，如果目标物同背景的亮度对比较大，则能见距离较远;相反，则能见距离较近。

　　森林火灾红外辐射谱

　　在望塔上夜间使用红外热成像仪，因此需要对对森林火灾的红外辐射特性作出分析。

　　热辐射是热量传递的其中一种途径。热辐射是自然界最普遍的现象之一，亦即一切物体只要其温度高于绝对零度(-273.15℃)都将产生辐射。

　　热辐射的主要特征：

　　· 随着温度升高，辐射的总功率也随之增大;

　　· 强度在光谱中的分布规律由长波向短波转移;

　　· 物体温度高于绝对零度(-273.15℃)都将产生辐射。

　　1、热辐射定律

　　黑体：一个能够完全吸收入射在它上面的辐射能的理想物体。

　　黑体在辐射度学中占有非常重要的作用，只有黑体光谱辐射量和温度之间存在精确的定量关系。

　　黑体在物质世界不是抽象的。现实中许多光源都可以近似认为是黑体，例如太阳、地球、星球，包括人和部分动物也可以近似认为是黑体。

　　2、基尔霍夫定律

　　研究黑体辐射基本定律最重要的是基尔霍夫定律，它是研究一切物体热辐射的普遍定律。基尔霍夫定律指出：物体的辐射出射度M和吸收本领a的比值a/M与物体的性质无关，都等于同一温度下绝对黑体(a=1)的辐射出射度M0。

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

　　3、普朗克辐射定律

　　一个绝对温度为T(K)的黑体，单位表面积在波长λ附近单位波长间隔内向整个半球空间发射的辐射功率(简称为光谱辐射度)Mλ(T)与波长λ、温度T满足下列关系：

　　Mλ (T)=C1λ-5[EXP(C2/λT)-1]-1

　　其中：

　　C1：第一辐射常数，

　　C1=2πhc2=3.741×10-16 w·m-2

　　C2：第二辐射常数，

　　C2=hc/k=1.43879×10-2 m·k

　　c：光速

　　k：波尔兹曼常数

　　普朗克辐射定律是所有定量计算红外辐射的基础。

　　4、斯蒂芬-玻尔兹曼定律

　　斯蒂芬-玻耳兹曼定律描述的是黑体单位表面积向整个半球空间发射的所有波长的总辐射功率Mb(T)(简称为全辐射度)随其温度的变化规律。因此，该定律为普朗克辐射定律对波长积分得到：

　　M0(T)=∫∞ Mλ(T)dλ=σT4

　　其中斯蒂芬-玻耳兹曼常数：

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

　　斯蒂芬-玻耳兹曼定律表明，凡是温度高于开氏零度的物体都会自发地向外发射红外热辐射，而且，黑体单位表面积发射的总辐射功率与开氏温度的四次方成正比。而且，只要当温度有较小变化时，就将会引起物体发射的辐射功率很大变化。[nextpage]

　　斯蒂芬-玻耳兹曼定律是所有红外测温的基础。

　　5、维恩位移定律

　　黑体光谱辐射是单峰函数，其辐射峰值波长λm满足下列公式：

　　λm = b / T

　　其中

　　b：常数 2898μm K

　　T：绝对温度

　　(维恩位移定律图解如图2)

　　6、森林火灾不同时期的温度

　　火灾发生的各阶段定义各国略有不同，我国普遍采用四阶段，国外有采用如图3的划分。

　　我国普遍采用的四阶段为：

　　· 起始阶段(预热阶段);

　　· 发展阶段(气体燃烧阶段);

　　· 猛烈阶段(蔓延阶段);

　　· 熄灭阶段(木炭燃烧阶段)。

　　鉴于对森林火灾探测的特殊性，因此将起始阶段再划分为两个子阶段：

　　· 预热阶段早期：可燃物体从常温升温至可燃物体热解温度的时间段;

　　· 预热阶段晚期：可燃物体从热解温度升温至可燃物体燃点温度的时间段。

　　为此，这里将整个火灾发展四阶段表现出的不同物理特征列表如表3。

　　试验表明，不同树木的燃点在250℃-300℃之间，因为木材成分复杂，含水量不一，即使同质树木燃点也不一样。[nextpage]

　　烟蒂头的温度较高，其表面温度为200℃～300℃，其中心温度可达700℃～800℃。多数可燃物质的燃点低于烟蒂头的表面温度。一旦将烟蒂扔在燃点低于烟蒂头表面温度的可燃物上，就极易引起火灾。

　　大兴安岭地表干性植被的燃点为180℃～200℃，是引发大兴安岭树木燃烧的重要原因。森林火灾不同时期的温度变化图如图4。

　　7、红外热成像仪的工作波长的确定

　　由维恩公式得到的森林火灾不同阶段其辐射的红外中心波长对如图5。可知，在森林火灾的各阶段，红外辐射波长在4.8μm ~ 7.8 μm之间，预热阶段红外辐射波长在4.8μm ~ 5.8 μm之间。

　　因此在选择红外外热成像仪或者红外探测仪时必须对这段红外波长进行充分的响应，特别是针对预热阶段对应的红外辐射波长应予以关注。

　　8、森林火灾热辐射红外传输

　　如果选用红外热成像仪或者红外探测仪观测火灾初期是，现场火点的红外辐射需要通过大气传输到望塔，红外热成像仪或者红外探测仪接收的是经过大气传输的红外谱信号。

　　由于大气的吸收和散射作用，有效的火点红外辐射信号经过大气传输将有所衰减，直接影响红外热成像仪或者红外探测仪的观测距离和结果。这里将分析大气对林火初期红外辐射的影响，以便确定红外热成像仪或者红外探测仪的有效观测距离。

　　类似地球的四个大气窗口一样，大气红外吸收呈离散的吸收带。表4为大气中各组分的红外吸收带。

　　从前面的维恩公式计算得出，大兴安岭火灾预热阶段红外辐射波长在4.8μm ~ 5.8 μm之间。

　　由表4可知，对大兴安岭火灾预热阶段红外辐射吸收能力较强的有二氧化碳、二氧化氮、一氧化碳和水。

　　二氧化碳

　　二氧化碳约占大气总量的1%。

　　森林树木白天进行光合作用，吸收二氧化碳，放出氧气，因此无风白天森林的二氧化碳浓度较低(黄昏是空气最新鲜的时候)，而到了夜间树木又会吸收氧气放出二氧化碳，此时无风下二氧化碳浓度较高(太阳升起前二氧化碳浓度达到最高)。由于红外成像仪和红外探测仪需要工作在夜间，因此较高浓度的二氧化碳对火灾预热阶段红外辐射吸收有较大影响。

　　二氧化氮

　　因为在大气中，特别在大兴安岭地区含量很低(ppm数量级)因此在这里可以不考虑其对大兴安岭火灾预热阶段红外辐射吸收的影响。

　　一氧化碳

　　一氧化碳的吸收带只有4.7μm靠近预热阶段红外辐射的4.8μm(对应温度230°)，由于一氧化碳在大兴安岭林区浓度较低，而且对预热初期的红外辐射波长7.8μm没有吸收能力，这里可以忽略一氧化碳的影响。[nextpage]

　　水蒸汽

　　水蒸汽在大气中比例与天气、地区、季节有很大关系，通常为0 ~ 4%内变化。不过在大兴安岭地区，火灾往往发生在干热时期，水蒸汽在大气中的比例较低，不利的因素就是夜间红外观测时水蒸汽浓度略高一些。

　　从图6中可以看出，在整个红外探测波段，二氧化碳在4.8μm和5.2μm波长上有吸收作用，不过吸收的能力极为有限。

　　摄像机远程监测能力分析

　　望塔远程视频监控系统主要功能：

　　· 白天采用云台摄像机自动监视、记录望塔周围12 ~ 20公里范围的火情情况，每10分钟巡视一次;

　　· 夜晚采用红外热成像仪自动监视、记录望塔周围5公里范围的火情情况，每10分钟巡视一次;

　　· 后台视频智能分析软件自动分析前端传送的视频/红外图像，在40ms内判别是否火情发生，一旦判明为火情，给出火情发生时间、方位、地点和锁定显示发生火情的图像;

　　· 各林业局的分控中心可以调看、检索任意一路视频图像;

　　· 视频图像通过视频解码器可以显示在大屏幕上;

　　· 塔房的值班员负责本望塔视频/红外监视。

　　通常在良好天气情况下可以观测10-20公里。

　　平原上望塔最优布局分析

　　要求：

　　· 均匀覆盖;

　　· 所有圆上边界都有覆盖。

　　平原上望塔有各种布局方式：正方形布局、矩形布局、菱形布局和蜂窝布局。这里简化起见不再介绍其它的布局优劣，而主要介绍蜂窝型布局，这种布局方式有如下优点：

　　· 没有空白区域;

　　· 各望塔覆盖面积均匀;

　　· 最少望塔可获得最大观测面积;

　　· 很高的费效比。

　　假定圆半径为R，望塔之间距离相等为a，平原上理想的望塔最优布局是在任意大小的平面上各个园得半径都为R，都受到均匀覆盖，每个园的边界上都有覆盖。因此所有圆心位置布局都成等边三角形分布。俗称蜂窝布局。

　　故满足要求的均匀最优布局是每个园与周边6个园互相重合(典型的蜂窝结构，如图7)。

　　经过建立数学模型计算，得到结果如表5。从分析中可知，当望塔之间距离小于20公里，则会出现三个望塔相互观测重叠区，将导致资源浪费。而当望塔之间距离大于22公里，其观测边缘重叠覆盖率大大下降，将导致对远处火情定位困难和发现概率低的问题。

　　最优解是望塔观测距离12公里(晴朗白天)，间距离20公里。亦即在平原林区的望塔布局应依据塔观测距离12公里(晴朗白天)，望塔之间距离20公里设置。

　　结语

　　这种分析和计算方法已经应用在国家森林防火体系项目可行性分析中，为国家有关部门决策提供了可靠地依据。

　　国家森林防火体系建设是林业部门信息化和应急系统建设的重要组成部分，关系到我国的国计民生大问题，我们将在今后的森林防火体系中逐步解决通讯网络建设、通讯系统兼容和宽带数据传输问题。