传感网环境下事件驱动的林火动态观测方法研究--《武汉大学》2013年博士论文
传感网环境下事件驱动的林火动态观测方法研究
【摘要】：火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。全世界每年发生大量的森林火灾,给生态环境造成严重破坏,给人民生命财产造成巨大损失。如何对森林进行全面观测,及时获取环境信息,对林火的发生进行预测预报,以求尽可能地降低火灾造成的损失,一直是人类关心的重要研究课题。传统的观测以人工和半自动化的手段为主,观测过程比较繁琐,信息处理的效率比较低,不利于火险信息的及时发现。随着对地观测技术的发展,越来越多的空、天、地传感器加入了环境观测的行列,使人类能够更快地获取森林环境信息。而自上世纪末开始的计算机、通讯、微电子等领域的快速发展和融合,催生了传感网技术。这种技术整合了环境观测所需的感知、存储、通讯、网络、计算等等资源,可以大大提高空间信息的发现、获取和处理的自动化水平,从而提高环境观测的效率。在过去的十多年中,传感网技术获得了迅速地发展,在许多领域得到了研究和应用。但是,如何将传感网技术应用于森林环境观测,提高林火观测的水平,仍然是个有待深入研究的课题。
在地学领域,传感网技术的研究和应用大多以OGC发展的系列规范为基础。OGC为了促进地理信息的开放和互操作,发展了多个系列的服务规范,其中包括地学信息服务(OGC Web Service)系列规范和传感网服务(Sensor Web Service)系列规范。这些服务规范均针对面向服务的架构(Service Oriented Architecture, SOA)设计。SOA架构可以很好地整合现有的资源,使它们协同工作,但是本身最适合的的模式是请求-响应,这种模式缺乏反应性。而环境观测是个感知的过程,除了被动的获取环境信息以外,主动地对环境变化作出反应也很重要。为此,OGC试图为系列服务规范引入事件驱动的方法,以弥补这方面的不足。经过十多年的努力,现有的研究成果已经能够支撑一些基于事件驱动的观测应用。目前,国内外与之相关的应用研究还比较少。论文从林火动态化观测的需求出发,研究在传感网环境下使用事件驱动方法观测林火所需的一些关键技术。主要工作和研究成果如下：
(1)针对事件驱动的林火观测方法的需求,回顾和总结了林火观测的基本原理和方法、OGC系列规范中与传感网应用有关的服务规范的研究和发展、事件驱动技术的研究和发展、以及传感网中对事件驱动技术的研究和发展,指出了在传感网环境下实现事件驱动应用的基本思路。
(2)林火观测事件的分层、分类和建模方法。它们是事件驱动技术应用的设计基础。事件存在多种层次,但是人们在日常生活中谈论的事件并无明确的层次区分。而事件处理中这种区分是必要的,因为不同层次的事件处理方法可能会不一样。分析了观测与环境之间的层次关系,给出了观测事件的三种抽象层次。以一种林火预测模型为基础,研究了林火观测过程中的事件,并对它们进行了分类。在此基础上,建立了观测事件的概念模型。
(3)林火观测事件的处理方法。事件处理是事件驱动的关键。论文主要研究了观测事件处理中的几项关键技术,包括观测事件的组织、观测事件的过滤、复杂观测事件的处理和观测事件处理流程的建模。分析了传感网系列规范中对这些关键技术的支持。然后以一种林火预测模型为基础,研究了前三种技术的实现方法。最后采用有限状态机对观测事件处理流程进行了建模。
(4)适用于林火观测的事件驱动架构。事件驱动架构是设计和实现事件驱动应用的基础,大致包含四个部分：事件产生、事件通道、事件处理和事件消费。论文针对林火观测的需要,分析了这四部分中必需的构件。然后在此基础上构建并详细分析了观测事件的处理流程。接着,以该流程和现有数据服务设施为基础,设计了观测事件驱动的概念框架。最后,以概念框架为基础,采用传感网相关技术,设计了一种适用于林火观测的事件驱动架构。
(5)观测事件和事件模式的编码。基于观测与测量(Observations and Measurements, OM)规范对观测信息进行编码和基于事件模式描述语言(Event Pattern Markup Language, EML)对事件模式进行编码是传感网技术的研究热点和远景目标。论文采用现有的OM规范对观测事件进行编码,采用EML规范对事件模式进行编码,并使二者配合完成了事件过滤。
(6)针对一种林火预测方案,建立了仿真的林火观测实验平台,验证了论文提出的模型和方法的可行性。实验根据事件驱动架构划分为四个阶段,每个阶段分别测试了一些关键技术。此外,通过实验平台中各模块协同工作的时序图说明了事件驱动架构的运行过程。
【关键词】：
【学位授予单位】：武汉大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2013【分类号】：S762;P208【目录】：
摘要7-9Abstract9-12目录12-15图索引15-17第一章 绪论17-32 1.1 研究背景及意义17-23
1.1.1 林火观测18-19
1.1.2 对地观测传感网19-22
1.1.3 事件驱动22-23 1.2 国内外研究现状23-27
1.2.1 林火预测研究现状23-25
1.2.2 传感网与事件驱动研究现状25-27 1.3 面临的问题和研究思路27-29 1.4 论文主要研究内容29-30 1.5 论文的组织结构30-32第二章 研究的理论基础与支撑技术32-50 2.1 林火观测32-34
2.1.1 林火观测理论基础32-33
2.1.2 林火观测方法33-34 2.2 传感网34-37
2.2.1 OGC服务框架34-36
2.2.2 传感网应用架构36-37 2.3 事件驱动37-49
2.3.1 事件的定义37-38
2.3.2 事件的建模38-42
2.3.3 事件的处理42-43
2.3.4 事件驱动架构43-46
2.3.5 其它相关技术46-49 2.4 本章小结49-50第三章 林火观测事件的建模50-65 3.1 林火观测应用框架与模型50-54
3.1.1 一种林火观测应用框架50-52
3.1.2 一种林火观测数据处理模型52-54 3.2 林火观测事件的建模与实现54-64
3.2.1 观测事件的层次54-56
3.2.2 观测事件的分类56-58
3.2.3 观测事件的建模58-60
3.2.4 观测事件的实现和编码60-64 3.3 本章小结64-65第四章 林火观测事件的处理65-83 4.1 观测事件管理65-70
4.1.1 观测事件的组织和过滤65-68
4.1.2 传感网中的事件组织和过滤68-70 4.2 复杂观测事件处理70-77
4.2.1 复杂事件处理方法70-71
4.2.2 传感网中的复杂事件处理71-74
4.2.3 复杂观测事件处理的实现74-77 4.3 观测事件处理流程建模77-82
4.3.1 观测流程中的状态与事件78-79
4.3.2 观测任务流程建模79-82 4.4 本章小结82-83第五章 林火观测的事件驱动架构83-95 5.1 事件处理构件与流程83-88
5.1.1 观测事件处理构件83-86
5.1.2 观测事件处理流程86-88 5.2 观测事件驱动架构88-92
5.2.1 观测事件驱动概念框架88-90
5.2.2 林火观测事件驱动架构90-92 5.3 林火观测事件驱动流程92-94 5.4 本章小结94-95第六章 事件驱动的林火观测实验95-111 6.1 实验系统简介95-97 6.2 实验方法及过程97-107 6.3 实验结果及分析107-109 6.4 本章小结109-111第七章 总结与展望111-114 7.1 研究成果及创新111-113 7.2 研究展望113-114参考文献114-122攻博期间发表论文和科研情况122-123致谢123
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森林火灾损失评估技术规范（试行）
吉林省林业厅 lyt.
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　　第一章&总&则
　　一、指导思想与目的
　　为进一步加强森林防火工作的规范化水平，规范森林火灾损失评估指标体系，完善森林火灾损失评估程序，加强森林资源保护，提高社会消防意识，结合森林火灾发生发展特点，特制定本规范。
　　二、依据
　　《火灾直接财产损失统计方法》（GA 185-1998）、《森林火灾成因和森林资源损失调查方法》（LY/T ）和《森林火灾林木受害程度判定标准》（DB23/T ）。
　　三、范围
　　本规范规定了森林火灾损失的术语、评估指标、损失分类、损失计算方法。
　　本规范适用于全国发生的森林火灾的损失评估和统计。
　　第二章&术语与定义
　　一、&森林火灾 forest fire&
　　指发生在除城市市区以外的一切森林、林木和林地的火灾。
　　二、&受害森林面积 affected forest areas&
　　指被火烧过的森林面积，不论火烧程度如何均属于受害森林面积。
　　三、&森林火灾损失 forest fire loss
　　指因森林火灾造成的用货币或其他方式表示的损失，包括直接损失和间接损失，前者如烧毁、烧死、烧伤的林木等，后者如因森林火灾引起的林分生产力的下降等。
　　四、&森林火灾直接经济损失 forest fire direct economic loss
　　指因森林火灾所造成“受灾体”的毁坏或损耗，引起“受灾体”在经济价值方面的灾前与灾后差异，并可用前后对比的原则，直接用货币量来体现的损失。
　　五、&森林火灾间接经济损失 forest fire indirect economic loss
　　指森林火灾的“受灾体”对其它“受灾体”的影响或“受灾体”不可能马上表现出经济损失而是通过影响本身的内部机制进而造成衍生的经济损失。
　　六、&立木资源损失 standing trees resource loss
　　指森林火灾造成的天然林或人工林中一切可用于生产、生活及其它用途的活立木和枯立木的木材价值损失。
　　七、&商品木材损失 commodity wood loss
　　指火烧区内采伐迹地、山楞、中楞等木材的损失。
　　八、&固定资产损失 fixed assets loss
　　指由于森林火灾烧毁的固定资产的损失，包括工业用建筑物、机械设备、仪表、车辆、船舶、林区道路、桥、涵、输变电线及防火设施等。
　　九、&流动资产损失 current assets loss
　　指森林火灾烧毁在生产经营过程中参加循环周转、不断改变其形态的资产损失，包括原料、材料、在制品、半成品和成品等的经济损失。
　　十、&林副产品损失
　　指火烧区内林副产品（如香菇、木耳、中草药等有采集、加工价值的副产品等）的损失。
　　十一、农牧业产品损失
　　指火烧区内的农业作物（如粮、棉、油等）和畜牧产品（如牧畜、家禽等）的损失。
　　十二、火灾扑救费用 fire fighting expenses
　　指在扑救森林火灾过程中所投入的人力、物力、财力以及所带来的附加损失。
　　十三、居民财产损失 resident’s property loss
　　指由于森林火灾造成火烧区居民的财产受到的损失，包括房屋、粮食、衣服、家具等。
　　十四、停减产损失 stopping and reducing of produce loss
　　指受灾林区内木材生产、制材、加工、机械和其他部门的工厂及林产品经销、商业等单位遭受森林火灾影响而停止生产经营活动所减少的产量和营业额收入，包括工资、产值及正常的营业额损失。
　　十五、灾后处理费用 post-fire processing expenses
　　指森林火灾扑灭后用于处理各种后果的费用，包括社会性后果处理费和火场处理费。
　　十六、森林生态环境资源损失 forest ecological environment resources loss
　　指森林火灾对森林生态系统中非林木资源的有机体及其整个生态环境所造成的一切后果而带来的全部损失，如水土流失，地力降低，森林旅游和狩猎价值的减少，火灾时产生的一些有毒物质对环境的污染，大量烟雾对交通能见度的妨碍等。
　　第三章&森林火灾损失评估指标
　　森林火灾损失评估指标分为一级指标和二级指标，一级指标为概况性指标，二级指标为代表性指标，指标体系框架见图1，灾情综合指标解释如下：
　　1）森林火灾受害率（‰）=受害森林面积/森林总面积（hm2）×1000%
　　2）森林资源损失率（%）=林木损失蓄积量/灾区森林总蓄积量（m3）×100%
　　3）人均损失价值（元/人）=经济损失价值（元）/灾区总人口数（人）
　　4）林地损失平均价值量（元/hm2）=经济损失价值（元）/森林总面积（hm2）
　　5）火灾发生率（次/10万hm2）=火灾发生总次数（次）/森林总面积（10万hm2）×100%
　　6）扑火成效比（%）=扑火费用（元）/森林火灾损失（元）×100%
　　一级指标
　　实物量损失指标
　　价值量损失指标
　　灾情综合指标
　　森林火灾损失评估指标体系
　　二级指标
　　二级指标
　　二级指标
　　火场面积
　　受害森林面积
　　损失林木蓄积量
　　机械设备损失量
　　伤亡人数
　　建筑物损失量
　　立木资源损失价值量
　　商品木材损失价值量
　　停减产损失价值量
　　森林环境资源损失价值量
　　扑防火费用
　　善后处理费用
　　森林火灾受害率
　　森林资源损失率
　　人均损失价值
　　扑火成效比
　　林地损失平均价值量
　　火灾发生率
　　图1&森林火灾损失评估指标体系
　　第四章&森林火灾损失分类
　　直接经济损失
　　间接经济损失
　　森林火灾经济损失
　　立木资源损失
　　商品木材损失
　　固定资产损失
　　流动资产损失
　　林副产品损失
　　农牧业产品损失
　　火灾扑救费用
　　人员伤亡损失
　　居民财产损失
　　停减产损失
　　灾后处理费用
　　生态环境资源损失
　　森林火灾损失分类见图2，每类损失的具体含义见术语和定义。
　　图2&森林火灾损失分类
　　第五章&森林火灾损失计算
　　每起森林火灾损失是森林火灾直接经济损失和森林火灾间接经济损失的总和，损失额以人民币（元）为计算单位，在具体统计时，应按本《规范》逐项计算损失。
　　一、&森林火灾直接损失计算
　　（一）立木资源损失计算
　　式中：D—立木资源损失（元）；Vi—不同受害程度成林过火林木的蓄积量（m3）；Nj—不同受害程度未成林过火林木的株树（株）；Ai—不同受害程度成林过火林木的受害系数；Bj—不同受害程度未成林过火林木的受害系数；P0—成林木现行木材市场平均销售价格（元/ m3）；P1—成林过火林木现行市场平均销售价格（元/ m3）；P2—未成林幼树现行市场平均销售价格（元/株）；α—成林过火林木平均出材率。
　　过火林木受害系数参照《森林火灾林木受害程度判定标准》（DB23/T ）计算。名木古树等具有特殊价值的立木及少林地区的立木资源损失可根据当地实际情况计算。
　　（二）商品木材损失计算
　　商品木材损失额（元）=木材损失蓄积量（m3）×木材生产成本价格（元/m3）－残值（元）
　　（三）固定资产损失计算
　　固定资产损失额（元）=重置价值（元）×（1－年平均折旧率%×已使用年限）×烧毁率（%）
　　具体参照《火灾直接财产损失统计方法（GA 185—1998）》计算。
　　（四）流动资产损失计算
　　流动资产损失按不同流动资产的种类分别计算。
　　流动资产损失额（元）=流动资产数量（kg、台）×购入价（元/kg、台）－残值（元）
　　（五）林副产品损失计算
　　林副产品损失金额分别按不同品种和不同的现行市场价格进行计算。
　　林副产品损失额（元）=林副产品损失数量（kg）×市场平均现价（元/kg）
　　（六）农牧业产品损失计算
　　农牧业产品损失分别按照农产品、农作物、牲畜及家禽损失累计合算。
　　1）农产品损失额（元）=农产品损失数量（kg）×市场平均现价（元/kg）
　　2）农作物损失额（元）=农作物损失面积（hm2）×该农作物生产成本（元/hm2）
　　3）畜禽损失额（元）=牲畜及家禽数量（头或只）×成畜及家禽市场价格（元/头或只）
　　存栏牲畜及家禽价格中，牛、驴按成畜的1/3价格计算，马、骡按成畜的1/4价格计算，猪按成年猪的1/2价格计算，羊按成年羊的全价计算。
　　（七）火灾扑救费用计算
　　式中：P—总火灾扑救费用； Pi—扑救火灾支付的某项费用（元），具体如下：
　　1）飞机、船、车、马租金、交通费等的价值，用P1表示：
　　P1=飞行时间（小时）×飞行费（元/小时）+船舶租用时间（小时）×租赁费（元/小时）+行车时间（日）×租赁费（元/日）+马租用时间（日）×租赁费（元/日）
　　2）燃料、材料费的价值，用P2表示：
　　P2=燃料消耗量×现行价格+材料消耗量×现行价格
　　3）扑救人员的工资、伙食费等费用，用P3表示：
　　P3=参加扑救人数（人）×日工资标准（元/日）×救火天数（日）+参加扑救人数（人）×日伙食标准（元/日）×救火天数（日）
　　4）消耗的消防器材、装备、机具等的价值，用P4表示：
　　P4=消防器材（台或件）×现行价格（元/台或件）×（1－年平均折旧率%×已使用年限）+装备（台或件）×现行价格（元/台或件）×（1－年平均折旧率%×已使用年限）+机具（台或件）×现行价格（元/台或件）×（1－年平均折旧率%×已使用年限）
　　5）扑救森林火灾的组织管理费用，用P5表示：
　　P5=通讯费（元/日）×救火天数（日）+其他（元）
　　6）其它因扑救森林火灾而支付的费用，如人工增雨费用等，用P6表示：
　　（八）人员伤亡损失计算
　　人员伤亡损失额按轻伤、重伤和死亡三类分别进行计算。
　　1）受轻伤扑救人员的损失费用按医疗费、误工费、护理费、交通费、住宿费、住院伙食补助费、必要的营养费累计合算。
　　2）受重伤扑救人员的损失费用按医疗费、误工费、护理费、交通费、住宿费、住院伙食补助费、残疾赔偿金、残疾辅助器具费、被抚养人生活费、康复费、后续治疗费累计合算。
　　3）死亡扑救人员的损失费用按医疗费、误工费、护理费、交通费、住宿费、住院伙食补助费、丧葬费、被抚养人生活费、死亡补偿费、受伤职工亲属办理丧葬事宜支出的交通费、住宿费、误工损失累计合算。
　　具体损失费用参考《最高人民法院关于审理人身损害赔偿案件适用法律若干问题的解释》确定。
　　（九）居民财产损失计算
　　居民财产损失按不同财产的种类分别计算。
　　居民财产损失额（元）=财产数量（kg、台、件）×购入价（元/kg、台、件）×（1－年平均折旧率%×已使用年限）
　　具体参照《火灾直接财产损失统计方法（GA 185—1998）》计算。
　　二、&森林火灾间接损失计算
　　（一）停减产损失计算
　　停减产损失按停工损失、停产损失和停业损失累计合算。
　　1）停工损失（元）=停工人数（人）×停工天数（天）×日均工资总额（元/人/天）
　　2）停产损失（元）=产品数量（件/天）×停产时间（天）×产品出厂价（元/件）
　　3）停业损失（元）=日营业额（元）×停业天数（天）
　　有关停减产时间的确定为：对于生产部门停减产时间即为停止生产时间；对于商业部门停减产时间即为停止营业（销售）时间；对于能源生产（供应）部门停减产时间即为停止能源生产或供应的时间。
　　（二）灾后处理费用计算
　　式中：Q—灾后处理总费用（元）；Qi—灾后处理的某项费用（元），具体如下：
　　1）火烧迹地及火烧现场清理费用，按照清理火场的实际费用计算，用Q1表示；
　　2）安置受灾居民的支出费用，按照安置所需的实际费用计算，用Q2表示；
　　3）火烧迹地补植、补种的支出费用，按照所需的实际费用计算，用Q3表示。
　　（三）生态环境资源损失计算
　　生态环境资源损失按以下效益损失累计合算。
　　1）防风固沙效益损失（元）= 受害森林面积（hm2）×森林抑制风沙产生的效益（26.8元/hm2）
　　2）改善小气候效益损失（元）= 受害森林面积（hm2）×森林改善小气候年效益（361元/hm2）
　　3）吸收二氧化碳效益损失（元）=0.95355×林分蓄积量变化的绝对值（m3）×二氧化碳固定成本（273.3元/t）
　　4）净化粉尘效益损失（元）= 受害森林面积（hm2）×林地滞尘能力（t/hm2） ×消减粉尘单价（170元/t）
　　森林滞尘能力：针叶树的滞尘能力为33.2t/hm2，阔叶林的滞尘能力为10.11t/hm2。
　　5）吸收有害气体效益损失（元）= 受害森林面积（hm2）×林地年吸收有害气体SO2和NOx的能力（t/hm2）×削减SO2和NOx的单价（元/t）
　　森林对SO2的吸收能力：阔叶林为88.65 kg/（hm2oa）；针叶林为215.6 kg/（hm2oa），每削减ltSO2的投资成本为600元。森林对NOx的吸收能力为0.38t/（hm2oa），每削减1tNOx的投资成本为250元。
　　6）减轻水旱灾害效益损失（元）= 受害森林面积（hm2）×森林减轻水旱灾的年效益（65元/hm2）
　　7）保护野生生物效益损失（元）= 受害森林面积（hm2）×森林野生生物的保护效益（110.40元/ hm2）
　　第六章&附&则
　　本《规范》由国家森林防火指挥部办公室负责解释。
　　附&录&
　　森林火灾损失汇总表
　　森林火灾编号：　　　　　
　　起火单位
　　起火时间
　　火场面积/hm2
　　受害森林面积/hm2
　　伤亡人数/人
　　损失林木蓄积/m3
　　建筑物损失量/m2
　　机械设备损失量/台、件
　　损失分类
　　损失金额（元）
　　立木资源损失
　　商品木材损失
　　固定资产损失
　　流动资产损失
　　林副产品损失
　　农牧业产品损失
　　火灾扑救费用
　　人员伤亡损失
　　居民财产损失
　　停减产损失
　　灾后处理费用
　　生态环境资源损失
　　损失总计
　　森林火灾受灾率/‰
　　森林资源损失率/%
　　人均损失价值/元/人
　　林地损失平均价值量/元/hm2
　　火灾发生率/次/10万hm2
　　扑火成效比%
附　　件：
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