一种动态实时监测森林砍伐的方法及其系统与流程

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。

技术实现要素：
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：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zmax＝z1,并代入下式，反之则令zmax＝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，zmax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：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zmax＝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，zmax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。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。其中I0为光源光强，ΔφL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,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：在相关序列Rxy(m)中，找到Rxy(m)的最大值所对应的通过下式计算出位置信息z；其中，z为所求位置信息，为Rxy(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。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zmax＝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，zmax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。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zmax＝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,zmax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zmax＝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zmax＝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。