本實(shí)用新型涉及一種系統(tǒng)，尤其涉及一種基于地理信息GIS采集技術(shù)的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

森林火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大、影響面廣等特點(diǎn)，森林火災(zāi)不僅對森林資源的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅而且破壞人類生態(tài)環(huán)境甚至還會對人的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重危害。森林火災(zāi)監(jiān)測是對預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生所采取的各種預(yù)防和控制措施。我國是一個森林火災(zāi)多發(fā)國家，森林防火形勢十分嚴(yán)峻。森林火災(zāi)監(jiān)測在森林防火中占有相當(dāng)重要的地位。目前我國森林林區(qū)火險(xiǎn)監(jiān)控預(yù)警的方式還主要依靠人工監(jiān)測，存在巡護(hù)面積小、視野狹窄和反應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)，有些林區(qū)建有林火監(jiān)測了望塔，監(jiān)測人員在了望塔上對周邊森林進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)火情后通過電話報(bào)告火情，但依然存在監(jiān)測范圍小、防火人員勞動強(qiáng)度大和不能全天候進(jìn)行林火監(jiān)測的缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種基于地理信息GIS采集技術(shù)的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的目的在于：采用GIS技術(shù)設(shè)計(jì)了森林火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，通過安裝在不同位置的裝置監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)并實(shí)時傳輸?shù)缴址阑鸨O(jiān)測中心，一旦發(fā)現(xiàn)煙火等疑似警情，自動觸發(fā)報(bào)警，能有效降低監(jiān)控管理人員的勞動強(qiáng)度。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)：包括管理服務(wù)器、GIS服務(wù)器、數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、傳輸網(wǎng)絡(luò)；其特征為：所述GIS服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；管理服務(wù)器與GIS服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；所述監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚；所述數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)與管理服務(wù)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的上傳；所述系統(tǒng)中每個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)都有獨(dú)立的地址編碼ID，且每個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)與地理信息系統(tǒng)中的位置一一對應(yīng)，一旦發(fā)現(xiàn)火情，管理服務(wù)器接收到來自監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的報(bào)警信息，再經(jīng)過GIS服務(wù)器的處理，將火災(zāi)發(fā)生的具體地點(diǎn)直觀地顯示在電子地圖上。

優(yōu)選為：所述監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)都采用以MSP430F149為控制核心。

優(yōu)選為：所述監(jiān)測節(jié)點(diǎn)包括控制器、煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、通信模塊和電池供電單元；所述煙霧傳感器、溫濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、通信模塊分別與控制器連接；電池供電單元為所述控制器、溫濕度傳感器、通信模塊供電。

優(yōu)選為：所述煙霧傳感器型號為MIS-09C；溫濕度傳感器型號為SH11、通信模塊型號為CC2420。

優(yōu)選為：所述數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)包括控制器MSP430F149、ZigBee通信模塊CC2420、GPRS模塊、SIM300C和電源管理單元；所述控制器MSP430F149分別與ZigBee通信模塊CC2420、GPRS模塊、SIM300C進(jìn)行通信；所述電源管理單元為控制器MSP430F149、GPRS模塊供電；數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯聚從各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后通過GPRS通信模塊SIM300C接入Internet，將數(shù)據(jù)發(fā)送至林區(qū)監(jiān)測中心的服務(wù)器上。

有益效果：該系統(tǒng)能準(zhǔn)確采集林區(qū)的環(huán)境參數(shù)信息，并進(jìn)行有效分析，與人工監(jiān)測相比，具有監(jiān)測范圍廣泛、火情發(fā)現(xiàn)速度快、響應(yīng)速度快和不受天氣因素影響等優(yōu)勢，對早日實(shí)現(xiàn)森林防火工作的規(guī)范化、科學(xué)化和信息化管理具有重要意義，能為防火提供直觀的規(guī)劃和決策支持。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型基于地理信息GIS采集技術(shù)的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實(shí)用新型基于地理信息GIS采集技術(shù)的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件組成示意圖；

圖3為采用本實(shí)用新型基于地理信息GIS采集技術(shù)的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本實(shí)用新型基于地理信息GIS采集技術(shù)的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

基于地理信息GIS采集技術(shù)的山林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有4個方面：①環(huán)境參數(shù)獲取：利用建立分布在火災(zāi)易發(fā)區(qū)不同至高點(diǎn)的野外信息采集站，獲取覆蓋范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)全天候不間斷監(jiān)測；②實(shí)時動態(tài)監(jiān)測：在無線數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)平臺系統(tǒng)的支持下，將采集到的數(shù)據(jù)信息實(shí)時同步傳輸?shù)缴址阑鸨O(jiān)測中心，實(shí)現(xiàn)實(shí)時觀測林區(qū)的動態(tài)情況；③火災(zāi)定位：如有火情，利用GIS地理信息系統(tǒng)完成定位；④預(yù)報(bào)分析：根據(jù)檢測到的環(huán)境參數(shù)，并參考林區(qū)物候、可燃物特性數(shù)據(jù)，利用專家數(shù)據(jù)庫模型進(jìn)行綜合分析，預(yù)測出相應(yīng)地區(qū)的森林火災(zāi)等級數(shù)據(jù)。

森林火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚；數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)端管理服務(wù)器采用C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的上傳。

系統(tǒng)中每個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)都有獨(dú)立的地址編碼ID，且每個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)與地理信息系統(tǒng)中的位置一一對應(yīng)，一旦發(fā)現(xiàn)火情，管理服務(wù)器接收到來自監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的報(bào)警信息，再經(jīng)過GIS服務(wù)器的處理，會將火災(zāi)發(fā)生的具體地點(diǎn)直觀地顯示在電子地圖上，并提醒值班人員察看顯示畫面，便于及時通知消防部門采取有效的撲救措施，結(jié)合風(fēng)速和風(fēng)向等氣象信息，可提供火勢蔓延的動態(tài)預(yù)測，為撲救火決策提供輔助支持，大大降低了工作人員的工作勞動強(qiáng)度，提高了防火、救火決策的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。基于Oracle的數(shù)據(jù)庫管理通過對大量歷史資料數(shù)據(jù)進(jìn)查詢、處理和分析，建立森林火災(zāi)預(yù)警模型，為今后的森林防火預(yù)防工作提供了積極的指導(dǎo)和參考決策價(jià)值，將火險(xiǎn)控制在萌芽狀態(tài)。

系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)主要包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)兩種，兩者都是采用芯片MSP430F149作為控制核心，不同之處在于所添加的模塊。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要由控制器MSP430F149、煙霧傳感器NIS－09C、溫濕度傳感器SH11、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、ZigBee通信模塊CC2420和電池供電單元組成，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境中的煙霧、溫濕度、風(fēng)速和風(fēng)向等信息，并通過ZigBee無線模塊經(jīng)路由發(fā)送至數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)。煙霧傳感器輸出的電壓由控制器MSP430F149的ADC0口輸入進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由于周圍環(huán)境復(fù)雜多變，并且傳感器本事也存在一定的誤差，降低誤報(bào)率成為了技術(shù)的關(guān)鍵問題，故在信號數(shù)據(jù)處理程序中引入了模糊邏輯算法，以解決外界干擾的模糊性和報(bào)警閾值變化問題；從監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中獲取溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)，還可根據(jù)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)生成火險(xiǎn)指數(shù)，劃分火險(xiǎn)等級進(jìn)行提前預(yù)警。

數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)

數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)主要由控制器MSP430F149、ZigBee通信模塊CC2420、GPRS模塊SIM300C和電源監(jiān)測管理單元等組成。數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

數(shù)據(jù)基站節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)匯聚從各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后打包，再通過GPRS通信模塊SIM300C接入Internet，將數(shù)據(jù)發(fā)送至林區(qū)監(jiān)測中心的服務(wù)器上。由于林區(qū)面積廣、海拔高、環(huán)境復(fù)雜、山頂沒有電源，布線非常困難，系統(tǒng)采用白天將太陽能換成電能的方式對UPS蓄電池充電，夜間蓄電池向設(shè)備供電保證前端設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，采用太陽能保證了前端設(shè)備在不同的地理環(huán)境和不同氣候條件下也能全天候不間斷工作。

GIS服務(wù)器架構(gòu)設(shè)計(jì)

GIS是多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物，以地理空間為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法實(shí)施提供多種空間和動態(tài)的地理信息，它是一種為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)，其基本功能是將表格型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為地理圖形顯示，然后對顯示結(jié)果瀏覽、操作和分析。

該框架設(shè)計(jì)采用Oracle+ArcSDE，它是目前世界上最成熟、最穩(wěn)定的空間數(shù)據(jù)管理技術(shù)，也是基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫工程建設(shè)的主流模式，主要存儲兩種類型的數(shù)據(jù)：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和森林防火數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層采用Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，實(shí)現(xiàn)森林防火基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的高效存儲和管理；中間層通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎實(shí)現(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的訪問，基于Arc－GIS Engine和ArcIMS技術(shù)構(gòu)建空間信息綜合應(yīng)用開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯，如空間數(shù)據(jù)的表現(xiàn)和操作；應(yīng)用層在ArcGIS Engine和ArcIMS的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)森林防火基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫的具體應(yīng)用。

實(shí)施例2

森林內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，而且火災(zāi)信號也具有很大的隨機(jī)性，環(huán)境變化和傳感器系統(tǒng)內(nèi)部噪聲對煙霧參數(shù)會產(chǎn)生干擾，需要將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理，并要求信號處理算法能夠適應(yīng)各種環(huán)境因素變化的影響，自動調(diào)整報(bào)警參數(shù)以達(dá)到既能快速探測火災(zāi)又降低誤報(bào)率的目的。

模糊數(shù)學(xué)中的模糊邏輯理論很好地解決了采用精確計(jì)算和布爾邏輯難以確定的問題，故在控制器的信號數(shù)據(jù)處理中采用了模糊邏輯算法，以解決外界干擾的模糊性和報(bào)警閾值變化之間的關(guān)系，從而達(dá)到提高監(jiān)測節(jié)點(diǎn)可靠性的目的。

具體算法如下：首先對經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后的煙霧信號進(jìn)行模糊化處理，具體如下：①當(dāng)煙霧信號值x小于閾值B0時，認(rèn)為沒有出現(xiàn)火警；②當(dāng)信號值x大于閾值B1時，認(rèn)為出現(xiàn)火警；③當(dāng)信號值x介于B0和B1兩個閾值之間時，認(rèn)為可能出現(xiàn)火警，并且x越大越接近B1時，火警出現(xiàn)的根據(jù)越充分。模糊化隸屬度函數(shù)如下：

式中，A為反應(yīng)火災(zāi)出現(xiàn)可能性的模糊量，f(x)為相應(yīng)的隸屬度。外界環(huán)境的干擾信號帶來的影響是瞬態(tài)的，可采用窗口移動濾法來提高抗干擾能力。濾波函數(shù)如下：

窗口大小取值為5，當(dāng)連續(xù)有5次f(x)值不為零時，計(jì)算K值，判斷K值是否超過閾值K0，如果K大于或等于K0時立即報(bào)警，否則不報(bào)警。

同時，模糊量A是一個與溫度相關(guān)的值，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在探測煙霧的同時，還通過溫度傳感器對現(xiàn)場環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，A與溫度的對應(yīng)關(guān)系表預(yù)先存入單片機(jī)中，控制器MSP430F149根據(jù)監(jiān)測到的環(huán)境溫度查找該關(guān)系表，以確定A的值；閾值B0、B1和K0是3個關(guān)系報(bào)警器精度的量，需合理設(shè)置以確保報(bào)警器在精度符合國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下大幅降低誤報(bào)率。

根據(jù)地理和氣候條件，在林區(qū)設(shè)置了8個監(jiān)測區(qū)：A～H，每個監(jiān)測區(qū)布置了8個監(jiān)測點(diǎn)：P1～P8，選擇了A的8個點(diǎn)：AP1～AP8對設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場測試，測得的溫度、濕度、煙霧濃度、風(fēng)向和風(fēng)速等信息如附圖4所示。從附圖4的數(shù)據(jù)上看，林區(qū)A的溫度較高，平均溫度為25.95℃，平均濕度為20.54RH％，風(fēng)速的平均值為1.004m/s，屬于高溫、干燥和微風(fēng)的環(huán)境，通過煙霧濃度數(shù)據(jù)觀察到目前無火災(zāi)警報(bào)，經(jīng)過火險(xiǎn)等級預(yù)測分析可知：在這種環(huán)境下極易發(fā)生火災(zāi)，可以向森林防火監(jiān)測中心管理部門提供科學(xué)的數(shù)據(jù)，便于盡快做出應(yīng)對方案。

在以上的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本實(shí)用新型。但是以上描述僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，本實(shí)用新型能夠以很多不同于在此描述的其它方式來實(shí)施，因此本實(shí)用新型不受上面公開的具體實(shí)施的限制。同時任何熟悉本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本實(shí)用新型技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。凡是未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。