激光雷達(dá)——森林防火的新法寶

森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，是地球上的基因庫(kù)、碳貯庫(kù)、蓄水庫(kù)和能源庫(kù)，對(duì)維系整個(gè)地球的生態(tài)平衡起著至關(guān)重要的作用。隨著全球氣溫的逐漸升高，空氣的干燥度越來(lái)越高，加上人為活動(dòng)增多，林區(qū)可燃物逐漸增加，森林火災(zāi)猛發(fā)、頻發(fā)的特點(diǎn)更為明顯。2019年和2020年，四川涼山發(fā)生了兩起森林火災(zāi)，奪去了46位消防員的生命。四川省政府公告顯示，是預(yù)測(cè)不及時(shí)、風(fēng)力陡增，風(fēng)向突變等原因造成悲劇的發(fā)生。那么為了避免悲劇重蹈覆轍，如何才能及時(shí)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)呢？

圖1 熊熊燃燒的森林

森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙是最顯著、最及時(shí)的信號(hào)，而風(fēng)對(duì)火勢(shì)蔓延起決定性影響。為響應(yīng)“科技引領(lǐng)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)”森林草原防滅火的工作要求，加快裝備轉(zhuǎn)型升級(jí)，有效提高森林草原防滅火效率，森林防火激光雷達(dá)應(yīng)運(yùn)而生，它能探測(cè)火災(zāi)早期的煙、實(shí)時(shí)精確反演風(fēng)場(chǎng)信息，完善現(xiàn)有森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系。

圖2 多普勒原理示意圖

激光雷達(dá)通過(guò)發(fā)射一束激光進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)這束光碰到煙粒子時(shí)會(huì)被散射回來(lái)，并攜帶回?zé)煹念w粒和速度信息。當(dāng)探測(cè)風(fēng)場(chǎng)時(shí)，會(huì)利用多普勒原理，如圖2所示，激光雷達(dá)發(fā)出的光碰到正在移動(dòng)的氣溶膠，它散射回來(lái)的光的頻率會(huì)隨之發(fā)生變化，這樣就能知道它移動(dòng)的最新信息。此外，激光雷達(dá)還可以對(duì)粒子的形狀進(jìn)行識(shí)別，如圖3所示，霧粒子是圓乎乎的球形粒子，煙粒子則是細(xì)長(zhǎng)的形狀，通過(guò)探測(cè)得到目標(biāo)物的退偏比，退偏比越大，表明粒子越狹長(zhǎng)，越小，其越圓潤(rùn)。

圖3 煙霧粒子識(shí)別圖

激光雷達(dá)是個(gè)名副其實(shí)的千里眼，10km以?xún)?nèi)的早期煙霧，它看得清清楚楚；而且它轉(zhuǎn)動(dòng)腦袋，就能實(shí)現(xiàn)三維空間的探測(cè)。它發(fā)射的光，也大有講究，因?yàn)榘l(fā)射的不是普通的光線(xiàn)，而是波長(zhǎng)為1.5μm 的紅外光，對(duì)云霧有很強(qiáng)的穿透力。激光雷達(dá)是不折不扣的時(shí)間管理能手，因?yàn)樗幻腌姲l(fā)射一萬(wàn)束光，能快速洞悉煙和風(fēng)的發(fā)展趨勢(shì)。它兢兢業(yè)業(yè)，能全天候24小時(shí)不間斷工作。

激光雷達(dá)喜歡登高望遠(yuǎn)，日常工作地點(diǎn)是在森林防火瞭望塔上，或者是高的居民樓頂?shù)?，只要視野開(kāi)闊，能提供持續(xù)充足的電，它就能不間斷穩(wěn)定地運(yùn)行。它一般身披厚厚的鋁板，內(nèi)部裝有水冷系統(tǒng)，能應(yīng)對(duì)日常風(fēng)吹日曬等情況。

作者所在的南京信息工程大學(xué)智能遙感工程研究院研制的森林防火激光雷達(dá)，在森林防火監(jiān)測(cè)中，發(fā)現(xiàn)一起由秸稈燃燒引起的森林火災(zāi)，茫茫大霧能見(jiàn)度不足500m，視頻監(jiān)測(cè)儀無(wú)動(dòng)于衷。而它仍能在5km外 ，看清火勢(shì)的一舉一動(dòng)。它可以將探測(cè)的結(jié)果結(jié)合地圖實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，并向消防工作人員匯報(bào)。它還赴四川西昌市進(jìn)行功能驗(yàn)證和性能測(cè)試，西昌市應(yīng)急管理局邀請(qǐng)專(zhuān)家考察其的各項(xiàng)功能。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了燒除計(jì)劃的監(jiān)測(cè)和試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急調(diào)度指揮，完成了5分鐘內(nèi)發(fā)現(xiàn)早期著火點(diǎn)、火場(chǎng)風(fēng)速風(fēng)向監(jiān)測(cè)、煙霧和火勢(shì)擴(kuò)散方向和范圍的預(yù)報(bào)。它為西昌市提高森林防火效率、精準(zhǔn)研判森林火情和科學(xué)指揮火災(zāi)撲救提供有力保障，為后期的綜合調(diào)度和實(shí)施決策賦予精準(zhǔn)參照。

森林防滅火工作是事關(guān)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和國(guó)家生態(tài)安全的大事。一群氣象科研人員潛心向?qū)W、埋頭苦干、迎難而上、攻堅(jiān)克難才將森林防火激光研制出來(lái)，并筑造起森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)鋼鐵長(zhǎng)城。森林防火激光雷達(dá)的誕生，助力實(shí)現(xiàn)“打早、打小、打了”的目標(biāo)，為消防員平安歸來(lái)提供保障，為祖國(guó)綠水青山貢獻(xiàn)科技力量。