一种动态实时监测森林砍伐的方法及其系统

技术领域

本发明涉及森林防护的系统技术，特别提出了一种用于大面积、长周界森林防护 中对森林砍伐事件的动态实时监测、定位和报警的动态实时监测森林砍伐的方法及其系 统。

背景技术

森林防护工作是我国资源开发环节上的重点工作，但伴随经济的发展和人口的增 长，森林非法砍伐现象时有发生，个别的砍伐事件虽不能大面积破坏植被，但易形成林道和 小面积的空旷地表，这会进一步促成人们的移居和开垦种植。且砍伐植被的积少成多，使植 被的生长速度低于砍伐速度，终会造成森林植被的破坏。

为了防止非法入侵和各种破坏活动，大部分林区的防护措施是在这些区域的外围 修建屏障(如栅栏、围墙、铁丝篱笆等)，并且调遣大量人员加强巡逻。调遣人员防护森林免 受乱砍滥伐的方法往往受到时间、地域、人员素质等因素的影响，易产生疏忽和漏洞。联合 国环境署发布的“全球森林观察2.0系统”，提出利用遥感技术，显示高分辨率、接近实时的 森林砍伐地图，从而在全球范围内帮助识别非法砍伐和滥伐森林的热点地区。这种定位遥 感技术只是对全球森林的总体检测，无法实现细致的监控，以及非法砍伐事件发生时的精 准定位。一旦非法砍伐事件发生，信息捕捉的延迟时间长，不能实现动态实时的监控森林砍 伐。

目前的周界防护技术包括红外探测、微波、超声波等探测技术，存在设备运行环境 要求高、环境干扰性强、误报率高等问题，在森林防护中应用的实用性不强。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种利用光纤传感系统对外界干扰信号 具有灵敏感知能力的特点，提出一种用于大面积、长周界森林防护的光纤传感系统及其监 测方法。使用该系统及所提出的方法可以实现对异常砍伐事件动态实时监测。其原理是当 有电锯工作产生的振动信号作用在传感光纤上时，光纤内所传输的光信号的相位和偏振态 等参量会发生变化，进而引起干涉光强的变化，经分析、处理，识别砍伐事件发生，并及时进 行报警和定位。

本发明目的的技术方案是：一种动态实时监测森林砍伐的方法，该方法包括如下 步骤：

步骤1：将待监测的森林按照“己”形分成若干大区域，并将每个大区域划分成50m ×50m的小区域，所述大区域的编号为n，n为正整数，所述小区域的编号是从大区域开口处 的第一行开始横向依次编号，小区域的编号为k，k为正整数；

步骤2：将3芯同轴光纤，即包括传感光纤、参考光纤和引导光纤在待监测森林区域 内采用“己”形铺设方式，长边长度为H₁，短边长度为H₂，H₂取值范围为80-100m,铺设在森林 外围部分的光纤通常固定悬挂在森林周围的防护围栏上，铺设在森林内部的光纤采用悬挂 在植被上或浅埋在地表层的方式，布置完成后，将监测系统的各个部件依次连接组装完成， 启动系统；

步骤3：当A位置(森林内部)产生振动信号时，控制器接收到信号后，与数据库中的 振动信号进行比对，确认为砍伐的振动信号后，控制器对接收到的振动信号进行分析处理；

步骤4：首先，控制器接收到两路振动信号，根据互相关算法分别计算得到位置信 息z₁和z₂(位置信息是指监测到的砍伐事件发生的位置距离起始点的光纤长度)，通过如下 公式分别计算位置信息z₁和z₂所在的大区域编号n₁和n₂，如下所示：

$\left(\begin{array}{cc}\left[\frac{z_1}{H_1+H_2}\right]=n_1& \left[\frac{z_2}{H_1+H_2}\right]=n_2\end{array}\right)$

其中,H₁为按照“己”形铺设光纤的长边长度，H₂为短边长度。如式中所示，分别对除 式取整运算得到大区域编号n₁和n₂；

根据得到大区域编号n₁和n₂结合以下条件确定砍伐事件发生位置所在的大区域 条件如下：

当n₁＜n₂,且n₁＝n₂-1时，则

当n₂＜n₁,且n₂＝n₁-1时，则

其次，根据锁定的砍伐事件发生位置所在的大区域确定大区域中的小区域编号 k：

分别计算z₁和z₂两位置信息所对应的振动信号能量值，并进行大小比较，能量值大 的位置感受到的入侵信号较强烈，说明距离砍伐事件发生的位置近。

当z₁所对应的振动信号能量值大于z₂所对应的振动信号能量值时，则令z_max＝z₁, 并代入下式，反之则令z_max＝z₂代入，计算小区域的编号k值。结合以下条件确定砍伐事件发 生位置所在的小区域k，条件如下；

当时，则

当时，则

其中，z_max是振动信号能量较大的位置，H₁是传感光纤长边长度，H₂是传感光纤短边 长度，是大区域编号，h是小区域边长；

步骤5：根据得到的大区域编号和得到小区域编号k,实现对监测森林区域内砍伐 事件发生位置的精确定位。

进一步，本发明另一种动态实时监测森林砍伐的方法及其系统，该方法包括如下 步骤：

步骤1：将待监测的森林按照“己”形分成若干大区域，并将每个大区域划分成50m ×50m的小区域，所述大区域的编号为n，n为正整数，所述小区域的编号是从大区域开口处 的第一行开始横向依次编号，小区域的编号为k，k为正整数；

步骤2：将3芯同轴光纤，即包括传感光纤、参考光纤和引导光纤在待监测森林区域 内采用“己”形铺设方式，长边长度为H₁，短边长度为H₂，H₂取值范围为80-100m,铺设在森林 外围部分的光纤通常固定悬挂在森林周围的防护围栏上，铺设在森林内部的光纤采用悬挂 在植被上或浅埋在地表层的方式，布置完成后，将监测系统的各个部件依次连接组装完成， 启动系统；

步骤3：当B位置(森林周界)产生振动信号时，控制器接收到信号后，与数据库中的 振动信号进行比对，确认为砍伐的振动信号后，控制器对接收到的振动信号进行分析处理；

步骤4：首先，控制器接收到三路振动信号，根据互相关算法分别计算得到位置信 息z₁、z₂和z₃(位置信息指监测到的砍伐事件发生位置和起始点之间的光纤长度)，通过如下 公式分别计算位置z₁、z₂和z₃所在的大区域编号n₁、n₂和n₃，如下所示：

$\left(\begin{array}{ccc}\left[\frac{z_1}{H_1+H_2}\right]=n_1& \left[\frac{z_2}{H_1+H_2}\right]=n_2& \left[\frac{z_3}{H_1+H_2}\right]=n_3\end{array}\right)$

其中,H₁为按照“己”形铺设光纤的长边长度，H₂为短边长度。如式中所示，分别对除 式取整运算得到大区域编号n₁、n₂和n₃；

根据得到大区域编号n₁、n₂和n₃n，₁结合以下条件确定砍伐事件发生位置所在的大 区域条件如下：

当n₁＝n₂,或n₁＝n₃时，则

当n₂＝n₃时，则

其次，根据确定砍伐事件发生位置所在的大区域确定大区域中的小区域编号k：

分别计算z₁、z₂和z₃所对应的振动信号能量值，并进行大小比较，能量值大的位置 感受到的入侵信号较强烈，说明距离砍伐事件发生的位置近。

当z₁所对应的振动信号能量值最大时，令z_max＝z₁,并代入下式，反之则将能量值大 的位置信息代入，计算得到小区域的编号k，结合以下条件确定砍伐事件发生位置所在的小 区域的k，条件如下：

当时，则

当时,则

当时，则

其中，z_max是振动信号能量大的位置，H₁是传感光纤长边长度，H₂是传感光纤短边长 度，是锁定大区域编号，h是小区域边长；

步骤5：根据步骤4得到的大区域编号和小区域编号k,从而实现对监测森林区域 内砍伐事件发生位置的精确定位。

进一步，本发明的另一目的提供上述方法使用的动态实时监测森林砍伐的系统， 其特征在于，该系统包括光源、光隔离器、偏振器、耦合器C₁、耦合器C₂、耦合器C₃、耦合器C₄、 探测器P₁、探测器P₂、光纤、数据采集卡和控制器；

其中，所述光纤为3芯同轴光纤，包括传感光纤、参考光纤和引导光纤；

所述光源连接光隔离器和偏振器，所述偏振器与耦合器C₁相连，所述耦合器C₁输出 分别连接耦合器C₂和耦合器C₃，耦合器C₂分别输出连接传感光纤和参考光纤的一端，传感光 纤和参考光纤的另一端均与耦合器C₄连接，引导光纤的一端与耦合器C₃连接，引导光纤的另 一端与耦合器C₄连接，所述耦合器C₂与探测器P₁连接，所述耦合器C₃与探测器P₂连接，所述探 测器P₁和探测器P₂均与所述滤波放大电路连接，滤波放大电路与数据采集卡连接，采集卡与 控制器相连。

耦合器C₁、耦合器C₂、耦合器C₃、耦合器C₄和光纤组成了光纤传感器。

本发明的优点是：由于采用上述技术方案，本发明将森林分成不同区域,利用光纤 传感系统对砍伐信号的感知能力强、灵敏度高、定位较精确，快速识别砍伐事件，有效缩短 人们的应急处理时间。对于自然灾害发生也有一定的报警作用，且具有结构简单，使用方 便，适合大范围推广。

附图说明

图1为马赫曾德尔干涉仪结构图。

图2为本发明应用于森林防护的光纤传感系统结构图。

图3为本发明光纤传感系统工作流程图。

图4为本发明传感光纤在森林中的铺设图。

图5为本发明系统监测到砍伐事件发生在森林内部的定位示意图。

图6为本发明系统监测砍伐事件发生在森林边界的定位示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述。

如图2所示，为本发明一种动态实时监测森林砍伐的系统，该系统包括光源、光隔 离器、偏振器、耦合器C₁、耦合器C₂、耦合器C₃、耦合器C₄、探测器P₁、探测器P₂、传感光纤、参考 光纤、数据采集卡和控制器。

其中，所述光源连接光隔离器和偏振器，所述偏振器与耦合器C₁相连，所述耦合器 C₁输出分别连接耦合器C₂和耦合器C₃，耦合器C₂分别输出连接传感光纤和参考光纤的一端， 传感光纤和参考光纤的另一端均与耦合器C₄连接，引导光纤的一端与耦合器C₃连接，引导光 纤的另一端与耦合器C₄连接，所述耦合器C₂与探测器P₁连接，所述耦合器C₃与探测器P₂连接， 所述探测器P₁和探测器P₂均与所述滤波放大电路连接，滤波放大电路与数据采集卡连接，采 集卡与控制器相连。

按照图2所示连接。连接完成后，给系统上电，光源发出的光束是一个持续不断的 过程，光纤传感系统也在循环的感知检测外界的信号，并实时的传入控制器中分析处理。

图2所示是应用于森林防护的光纤传感系统结构图。图3所示是光纤传感系统的工 作流程图。下面结合案例，具体阐述实施过程：

实际铺设的光纤由三条光纤组成，分别是传感光纤、参考光纤和引导光纤，传感光 纤用来接收外界的入侵信号，参考光纤作为参考信号的传输媒介，参考光纤和传感光纤间 的长度有一定的差异。由传感光纤和参考光纤所输出的光信号，在输出端的耦合器中发生 干涉，合为一个光纤信号，通过引导光纤输出至探测器。

3芯同轴光纤(包括传感光纤、参考光纤和引导光纤)在森林的铺设方式如图4所 示，采用“己”形铺设方式，长边长为H₁，短边长为H₂，铺设在森林外围部分的光纤通常固定悬 挂在森林周围的防护围栏上(墙，铁栅栏等)，铺设在森林内部的光纤根据实际铺设的情况， 可以采用悬挂在植被上的方式，也可以浅埋在地表层。光纤的铺设间距由光纤的材质决定， 一般为80m～100m之间(光纤的感知范围在80m～100m)

系统运行过程中，光源不断输出光信号(光信号的波长一般在1200nm～1800nm)经 由光隔离器、偏振器，输入到光纤中由耦合器C₁一分为二，一束光信号沿光纤传入到耦合器 C₂，另一束反向传入到耦合器C₃。传到耦合器C₂中的光信号又被一分为二，一束沿传感光纤 F₁传播，另一束沿参考光纤F₂传播，到达耦合器C₄处时，两束光信号发生干涉，合为一束光信 号沿引导光纤F₃，经耦合器C₃到达探测器P₂，探测器将光信号转化为电信号。与此同时，传到 耦合器C₃的光信号由引导光纤F₃传至耦合器C₄被一分为二，也分别通过传感光纤F₁、参考光 纤F₂，到达耦合器C₂发生干涉，合为一束光信号到达探测器P₁，将光信号转化为电信号。最终 两束光信号经过滤波放大电路、数据采集卡的A/D转换器转变为合适的数字量，输送到控制 器应用程序中分析、计算、处理，实现对入侵事件的识别、报警和定位。

对探测器端输入的信号提取特征值，与后台数据库中的样本匹配，屏蔽自然原因 (风、雨、动物攀爬等)引起的信号抖动，识别出砍伐事件，数据库累计样本较多时可进一步 识别出入侵事件的类别(砍伐、地震、泥石流等)。一旦与砍伐样本信号匹配成功，断定有砍 伐事件发生，立即启动报警装置，告知相关人员前去处理，同时光纤传感系统通过互相关算 法得到事件发生的位置信息z，再进行相应的定位计算，快速判断砍伐事件发生的所在的森 林位置，以便帮助相关人员快速奔赴现场处理。

假设在A点处发生树木砍伐事件，z为砍伐事件发生时的位置信息，位置信息是指 监测到的砍伐事件发生的位置距离起始点的光纤长度，则伐树过程中产生振动波f(t)，会 改变光纤中传输光信号的光相位。

$\left(\begin{array}{c}\phi \left(t\right)=B·f\left(t\right)\\ B=\frac{2\pi L}{\lambda }[1+\frac{n^2(1-\sigma )}{4\sigma }(p_{11}+p_{12})+p_{12}]\end{array}\right)$

其中φ(t)为光相位改变后的光信号，λ为激光光源中心波长，n为光纤折射率，σ为 光纤材料泊松比，p₁₁和p₁₂是光纤的光弹性系数。

两个探测器接收到的是两束光信号的干涉信号，因为传输方向为反向，两束光信 号到达砍伐事件A处的时间是有差别的，通过计算两个探测器接收到干涉信号间的延迟，可 以推算出A事件发生的具体位置。探测器P₁接收到的干涉信号为I₁(t)，探测器P₂接收到的干 涉信号为I₂(t)。设光纤长为L。

$\left(\begin{array}{c}{I}_1\left(t\right)=\frac{1}{12}{I}_0-\frac{1}{12}{I}_{0}cos[\Delta {\phi }_L+\phi (t-{\tau }_1\left)\right]\\ I_2\left(t\right)=\frac{1}{12}{I}_0+\frac{1}{12}{I}_{0}cos[\Delta {\phi }_L+\phi (t-{\tau }_2\left)\right]\end{array}\right)$

其中

I₀为光源光强，Δφ_L为F₁F₂之间存在的光纤臂长度差ΔL而引起的相位差，v为单 模光纤的折射率。

由上式可知探测器P₁P₂之间存在延时,

$\Delta \tau ={\tau }_1-{\tau }_2=\frac{v(2z-\Delta L)}{c}$

可知在ΔL、v、c为固定的情况下，通过求出Δτ，可间接求出z，从而得到砍伐事件 发生位置与起始点间的光纤长度(即位置信息)。可以采用互相关算法计算Δτ。

在实际情况中，输出信号会夹杂着白噪声信号，所以实际探测器输出的信号如下：

其中I₁(t)和I₂(t)是输入信号，w₁(t)和w₂(t)是白噪声信号，对 两路信号进行互相关运算，因为白噪声信号之间以及白噪声信号与输入信号之间不存在相 关性，因此，经过信号采样，离散化后，互相关序列的求取形式可简化为：

$R_{xy}\left(m\right)=-\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{I}_1\left(n\right)I_2(n+m)$

在相关序列R_xy(m)中，找到R_xy(m)的最大值所对应的通过下式计算出位置信息 z；

$\left(\begin{array}{c}z=\frac{c·\Delta \tau }{2v}+\frac{\Delta L}{2}\\ \Delta \tau =\hat{m}·T\end{array}\right)$

其中，z为所求位置信息，为R_xy(m)的最大值所对应的横坐标，T为采样周期，Δτ 为时延差。

系统实际应用于监测森林砍伐时，因为砍伐事件会同时影响周边的传感光纤(如 图5中A点、图6中B点所示)，所以控制器应用程序得到的位置信息会有多个结果。故而，为确 定砍伐事件发生的精确位置，本发明将待监测的森林按照“己”形铺设方式分成若干大区 域，并将每个大区域划分成50m×50m的小区域(如图4所示)，所述大区域的编号为n，n为正 整数，所述小区域的编号是从大区域开口处的第一行开始横向依次编号，小区域的编号为 k，k为正整数。

将得到的位置信息结果，分为A、B两种情况，位置A在森林的内部(如图5所示)，两 根平行光纤之间，位置B在森林的周界(如图6所示)，光纤弯折处。

(1)砍伐事件发生在A位置处(森林内部，如图5所示)。光纤传感系统会同时得到两 个位置信息z₁和z₂,以及两个位置信息分别对应的入侵信号，首先通过如下公式，分别计算 位置信息z₁和z₂所在的大区域编号。

$\left(\begin{array}{cc}\left[\frac{z_1}{H_1+H_2}\right]=n_1& \left[\frac{z_2}{H_1+H_2}\right]=n_2\end{array}\right)$

其中,H₁为按照“己”形铺设光纤的长边长度，H₂为短边长度。如式中所示，分别对除 式取整运算得到大区域编号n₁和n₂。在这两个大区域中，确定其中一个作为砍伐事件发生的 位置所在的大区域

当n₁<n₂，且n₁＝n₂-1时，则

当n₂<n₁，且n₂＝n₁-1时，则

确定砍伐事件发生位置所在的大区域后，要得到砍伐事件发生时的精确位置,需 进一步细化，确定大区域中的小区域编号。如图4所示,每个大区域划分成50m×50m的小区 域，小区域的编号为k。分别计算z₁和z₂两位置信息所对应的振动信号能量值，并比较，能量 值大的位置信息感受到的入侵信号较强烈，说明距离砍伐事件发生的位置近，选取能量值 大的位置信息计算,得到小区域的编号k。设位置信息z₁处能量值大，则令z_max＝z₁,并代入下 式。结合以下条件确定砍伐事件发生位置所在的小区域k，条件如下：

当时，则

当时，则

其中，z_max是振动信号能量大的位置信息，H₁是传感光纤长边长度，H₂是传感光纤短 边长度，是锁定的大区域编号，h是小区域边长(小区域为50m×50m，一般h＝50m)，如上式 对除式整除得到k，即所求的小区域编号,最终得到定位的大区域编号以及小区域编号,从 而实现对砍伐事件发生位置的精确定位。

(2)砍伐事件发生在B位置处(森林周界，如图6所示)。光纤传感系统会同时得到三 个位置信息z₁、z₂和z₃,以及每个位置信息所对应的入侵信号，如下式，分别计算这三个位置 信息所在的大区域编号。

$\left(\begin{array}{ccc}\left[\frac{z_1}{H_1+H_2}\right]=n_1& \left[\frac{z_2}{H_1+H_2}\right]=n_2& \left[\frac{z_3}{H_1+H_2}\right]=n_3\end{array}\right)$

分别对上述除式取整运算得到长边光纤与短边光纤围成的大区域编号n₁、n₂和n₃。 在这三个结果中，确定其中的一个区域为砍伐事件发生时所在的区域，得到大区域编号

当n₁＝n₂，或n₁＝n₃时，的取值为

当n₂＝n₃时，的取值为

得到大区域编号后，要得到砍伐事件发生时的精确位置，需进一步细化,计算事件 发生时所在大区域内部的小区域编号。分别计算z₁、z₂和z₃这三个位置信息所对应的振动信 号能量值，并比较，能量值越大的位置，距离砍伐事件发生的位置越近，则当z₁所对应的振 动信号能量值最大时，令z_max＝z₁,并代入下式，反之则将能量值大的位置信息代入，计算得 到小区域的编号k。结合以下条件确定砍伐事件发生位置所在的小区域，条件如下：

当时，则

当时,则

当时，则

其中,z_max是振动信号能量较大的位置信息，H₁是传感光纤长边长度，H₂是传感光纤 短边长度，是大区域编号，h是小区域边长，如上式对除式整除得到k，即所求的小区域编 号。从而实现对砍伐事件发生位置的精确定位。

对砍伐事件发生在森林内部时的定位过程，举例说明。如图5所示，当A点处发生砍 伐事件，首先根据互相关算法计算得到两个位置信息(即事件发生位置和起始点间的光纤 长度)z₁和z₂，分别为z₁＝2915m,z₂＝3785m。森林覆盖面积为(750×700)m²，如图划分为7个 大区域，从零开始编号，在每个大区域中按照(50×50)m²为小区域单位，划分成30个小区 域，也从零开始编号。其中,H₁＝750m,H₂＝100m，h＝50m。根据上述算法，可以首先计算出砍 伐事件发生的大区域然后比较z₁和z₂分别对应的振动信号能量值。

得到z₂处的能量值大，则将z_max＝z₂＝3785m代入，计算得到小区域的编号k＝22，最 终得到砍伐事件发生在第3大区域的第22小区域，实现精准定位。

同理，对砍伐事件发生在森林边界时的定位过程，举例说明。如图6所示，在B点处 发生砍伐事件，首先根据互相关算法计算得到三个位置信息，分别为z₁＝4910m,z₂＝5075m, z₃＝5140m。其中H₁＝750m,H₂＝100m，h＝50m。根据上述算法，可以首先计算得到砍伐事件发 生的大区域比较z₁、z₂和z₃的振动信号能量值，z₃处的能量值较大，则将z_max＝z₃＝ 5140m代入，计算得到小区域的编号k＝15，最终得到砍伐事件发生在第5大区域的第15小区 域，实现精准定位。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例， 不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等， 均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。