森林草原与生态防火可燃物含水率监测

一、项目背景与行业痛点

1.1 项目背景

森林草原与生态防火可燃物含水率智能监测方案是一套面向森林、草原、灌丛、林草交错带、防火隔离带及重点生态保护区域建设的生态水分感知与火险辅助分析系统。方案以体积含水率、温度和分层变化为核心监测内容，综合应用介电式水分测量、多层水分剖面监测、温度感知、可燃物人工采样标定、无线物联网、环境数据分析及火险风险识别技术，建立具有空间分布、垂直剖面和时间变化特征的生态防火监测体系。

森林和草原火灾的发生与可燃物状况、气象环境、火源及地形等多种因素有关。其中，可燃物含水状态是影响可燃物受热、干燥、点燃和燃烧蔓延的重要因素之一。

森林地表通常存在枯枝、落叶、枯草、腐殖质及不同分解程度的有机物层。草原地表则可能由活草、枯草、残茬和土壤共同构成。不同材料的含水状态、干燥速度和燃烧特性存在明显差异。

在长期少雨、持续高温、低湿度及大风等条件下，部分细小枯死可燃物可能较快失水，形成较易被点燃的环境。相较之下，较粗大的枯枝和较深层有机物对水分变化的响应可能较慢。

土壤水分与植被及地表可燃物的含水状态具有一定生态联系，但它们并不是同一个物理量。土壤体积含水率表示单位总体积土壤中的水体积比例，而森林可燃物含水率通常表示可燃物所含水分质量与绝干质量的比例。

因此，本方案采用双层技术设计：一方面通过多层土壤体积含水率和温度传感器监测地表以下的水热环境；另一方面通过可燃物专用测量、代表性人工采样或经验证的水分估算模型获取枯草、落叶等可燃物的含水状态。

系统重点监测地表附近水分、浅层和深层土壤水分、温度变化及不同可燃物层次的干燥过程，并结合可选气象监测信息分析生态防火风险。

通过合理的测点布设、样地分类和长期数据积累，可以识别林草地表干燥加剧、浅层持续失水、不同深度水分梯度扩大及降雨后湿润恢复等变化过程。

需要明确的是，可燃物含水状态是森林草原火险的重要影响因素，但不能单独决定火险等级。正式火险预警还需要综合风速、空气温湿度、降水、火源、地形、可燃物类型和适用的火险评价模型。

1.2 主要行业痛点

1.2.1 林草可燃物含水状态难以连续掌握

人工采样能够获取特定时间的可燃物含水率，但难以连续覆盖昼夜变化、降雨后干燥及短时高温低湿过程。

1.2.2 土壤水分与可燃物水分容易混淆

普通土壤水分传感器输出的%vol不能直接等同于枯枝、落叶和枯草的干基含水率。

1.2.3 林下不同层次干燥速度不同

表层枯落物可能快速受气象变化影响，而深层腐殖质和土壤水分变化相对缓慢。

1.2.4 单点监测缺少空间代表性

坡向、海拔、遮阴、植被覆盖和土壤类型不同，可能导致同一林区的水分状态存在明显差异。

1.2.5 草原枯草与活草状态差异较大

活体草本植物和枯死草本植物的含水机制不同，不能采用完全相同的传感器校准关系。

1.2.6 表层干燥可能先于深层土壤干燥

浅表可燃物可能已处于较干燥状态，但较深层土壤仍保留较多水分，单独依赖深层土壤含水率可能漏判地表干燥过程。

1.2.7 降雨后湿润恢复具有层次差异

短时降雨可能湿润表层枯落物，但未必使较深土壤或粗大枯枝充分吸水。

1.2.8 传感器易受有机物性质影响

腐殖质、有机质含量、土壤密度和电导率等因素可能影响介电式水分传感器结果。

1.2.9 防火监测点分散

林区及草原监测点可能远离供电和通信设施，需要长期稳定的低功耗运行方案。

1.2.10 水分变化与火险等级缺少可靠衔接

没有可燃物类型和气象资料时，无法仅根据单个土壤水分数值形成科学可靠的区域火险等级。

二、建设目标与监测目标

2.1 总体建设目标

建设覆盖典型森林草原生态区域的水分与温度监测网络，实现土壤体积含水率、温度、分层变化及可燃物含水状态的连续记录，并为森林草原火险辅助预警提供可靠数据。

2.2 体积含水率监测目标

连续监测不同深度土壤及经专门验证的其他介质的体积含水率，掌握生态地表水分储存及变化。

2.3 温度监测目标

同步记录地表及不同深度温度，分析水热条件和季节性变化。

2.4 分层变化监测目标

形成多个深度的水分与温度剖面，识别湿润层、干燥层及其随时间的变化。

2.5 可燃物含水率监测目标

通过专用测量设备、人工采样或经过验证的模型，获得代表性枯落物及草本可燃物的含水率数据。

2.6 干燥趋势识别目标

识别地表及浅层水分持续下降、降雨后快速再干燥及其他异常变化。

2.7 火险辅助预警目标

结合可燃物含水率、气象和地形等数据，形成经验证的局地火险辅助指标。

2.8 多区域对比目标

支持不同林型、草原类型、坡向、海拔和植被覆盖条件下的水分变化比较。

2.9 设备运行保障目标

实现远程通信、数据缓存、电源监测、异常诊断及定期校准。

三、监测需求分析

3.1 针叶林

针叶林地表可能积累针叶、细枝及腐殖质，需要区分表层细小可燃物、下部有机层和矿质土壤的含水状态。

3.2 阔叶林

阔叶林中的落叶厚度、分解程度和季节变化可能影响地表可燃物层次结构，应结合实际枯落物组成确定测量方法。

3.3 针阔混交林

不同树种形成的枯落物可能具有不同吸水和失水特征，应开展代表性样地分类。

3.4 天然草原

草原应重点区分活草、枯草、残茬及根区土壤，关注枯草层快速干燥和草本植被季节变化。

3.5 人工草地

人工草地可根据草种、刈割管理、覆盖度及实际残茬状态制定监测要求。

3.6 灌丛地

灌木叶片、细枝、地表草本和枯落物属于不同可燃物类型，应结合实际风险选择监测对象。

3.7 森林草原交错带

林缘和林草交错区域可能存在较强的植被及微气象差异，适合开展分区对比监测。

3.8 防火隔离带

可对隔离带周边地表可燃物的水分状态进行连续观察，但监测不能替代隔离带的日常维护和可燃物清理。

3.9 山地坡面

阳坡、阴坡及不同坡位可能存在明显水热差异，应按实际地形选取代表性样地。

3.10 生态保护区域

在自然保护地、生态修复区及其他敏感区域，宜采用低扰动安装方式，并避免破坏重要植被及土壤结构。

四、总体解决方案

4.1 总体技术路线

采用“监测区域调查—可燃物类型分类—分层水分与温度感知—可燃物实测标定—数据传输—干燥趋势分析—气象条件融合—火险辅助预警”的技术路线。

4.2 地表可燃物监测

针对枯草、落叶、细枝等目标可燃物，采用具有明确适用对象的专用水分测量方法，或定期采样开展含水率校准。

4.3 土壤体积含水率监测

采用插针式或剖面式土壤含水率传感器，对矿质土壤不同深度进行水分监测。

4.4 分层温度监测

在地表附近及不同深度设置温度测点，观察日变化和季节性水热变化。

4.5 水分模型建立

根据土壤与可燃物实测样本，研究不同层次水分之间的统计联系，但不能假定存在通用固定换算比例。

4.6 气象辅助分析

可选配空气温湿度、风速、降雨和太阳辐射监测，以提高干燥过程分析能力。

4.7 火险辅助预警

在有充分样本和适用火险模型的前提下，识别可燃物持续干燥与危险天气共同出现的情况。

4.8 系统运行模式

采用现场自动采集、低功耗通信、数据缓存和远程平台管理的技术架构，适应森林草原监测站分布广、环境复杂的特点。

五、系统架构设计

5.1 感知层

由体积含水率传感器、温度传感器、分层水分监测设备及必要的可燃物专用测量装置组成。

5.2 环境辅助层

可配置空气温湿度、风速、降雨、太阳辐射及其他气象设备。

5.3 数据采集层

通过低功耗采集终端获取水分、温度、质控和供电状态。

5.4 边缘处理层

执行量程检查、温度补偿、异常值识别和必要的本地报警判断。

5.5 通信网络层

采用蜂窝通信、适宜低功耗无线网络或其他现场可用通信方式。

5.6 数据处理层

进行时间同步、分层计算、趋势分析、质量标记和模型管理。

5.7 火险辅助分析层

融合可燃物实测含水率、土壤水热剖面、气象和其他必要数据，形成辅助火险研判指标。

5.8 平台应用层

实现实时监测、区域地图、分层剖面、历史趋势、异常事件和设备维护管理。

六、监测内容与监测方法

6.1 核心参数表

监测参数	单位	测量方式	主要用途
土壤体积含水率	%vol或m³/m³	介电式等适宜方法	监测不同土层水分
土壤温度	℃	接触式温度传感器	监测分层温度
地表附近温度	℃	适宜地表温度探头	分析近地表热环境
不同深度含水率	%vol	多层剖面传感器	分析水分垂直变化
不同深度温度	℃	多层温度探头	分析热量传输及分层
枯落物含水率	%干基	专用传感或采样测定	评价细小死可燃物干燥状态
活体植被含水率	按定义标注	植被取样或专用方法	研究活体可燃物水分
空气温湿度（可选）	℃、%RH	气象传感器	分析干燥环境
风速与降雨（可选）	m/s、mm	气象监测设备	火险辅助研判

6.2 分层测量方法

对于土壤水分剖面，可采用多深度传感器一次安装，或采用分层独立传感器测量。具体深度应根据根区、土壤厚度和研究目的确定。

6.3 枯落物测量方法

枯枝、落叶和枯草应按照适宜的可燃物取样方法测量含水率。若使用专用电子水分传感器，必须确认其适用于实际可燃物材料。

6.4 样地代表性

应选择植被类型、坡向、地形和枯落物厚度具有代表性的样地，避免将局部水分状态未经验证直接代表整个林区。

6.5 长期测量

按适宜采样间隔连续记录，并在季节转换、降雨及干燥事件后开展必要的人工检查。

七、技术原理与算法模型

7.1 体积含水率定义

土壤体积含水率是土壤中水体积与土壤总体积的比值：

θv=Vw/Vt

其中，θv为体积含水率，Vw为水体积，Vt为所测土壤总体积。

当以百分数表示时：

θv(%)=Vw/Vt×100%

7.2 介电测量原理

水、空气、矿物颗粒和有机物具有不同的介电性质。介电式水分传感器通过测量目标介质对电磁信号的响应，依据标定关系估算体积含水率。

7.3 介电测量适用性

土壤矿物组成、有机质含量、容重、盐分、温度和传感器接触条件均可能影响测量结果。

7.4 可燃物干基含水率

森林可燃物常使用干基含水率：

MCdry=(Mwet-Mdry)/Mdry×100%

其中，Mwet为湿样质量，Mdry为相应绝干质量。

7.5 湿基含水率

如项目另行采用湿基定义：

MCwet=(Mwet-Mdry)/Mwet×100%

干基与湿基含水率不能直接混用。对可燃物样本应注明采用的定义。

7.6 土壤体积含水率与干基含水率

对于土壤，在水密度、干容重及测量条件明确时，可建立体积含水率与土壤干基质量含水率之间的关系，但该关系不能直接套用于枯草、落叶及松散可燃物层。

7.7 分层水分梯度

对两个有效深度测点，可计算：

Gθ=(θ2-θ1)/(z2-z1)

其中，θ1和θ2为不同深度的体积含水率，z1和z2为对应深度。

7.8 水分变化速率

对于同一测点：

Rθ=(θt2-θt1)/(t2-t1)

可用于表征相应时间区间的水分增加或减少速度。

7.9 干燥持续时间

按照经过现场验证的监测管理条件，统计表层或其他特定水层处于较低水分状态的持续时间。

7.10 降雨恢复过程

对降雨前后不同深度含水率变化进行分析，识别湿润影响到达不同深度的时间和幅度。

7.11 可燃物水分估算模型

当具有充分实测样本时，可建立：

MCfuel=f(θv,Tair,RH,Rain,Tfuel,FuelType,Site)

其中，MCfuel为特定可燃物的估算含水率，θv为土壤体积含水率，其他变量分别代表气象、可燃物类型及样地条件。

7.12 模型限制

该模型必须根据实际可燃物类别和现场样本进行训练与验证。没有可靠校准关系时，系统只能输出土壤水分指标，不应直接将其改名为可燃物含水率。

八、地表枯落物含水率监测

8.1 地表枯落物组成

森林地表可能存在枯叶、针叶、细枝、腐殖质及其他可燃物，具有不同厚度、密度和水分变化特征。

8.2 枯落物分类

监测前应依据实际林型划分目标可燃物类别，明确采样对象。

8.3 表层快速干燥

部分细小枯落物与空气接触较充分，可能随空气湿度及辐射变化快速吸湿或失水。

8.4 下部枯落物

较深的有机物层可能具有不同的含水状态及变化速度，不应将表层测量值直接代表全部枯落物层。

8.5 专用可燃物传感器

可以采用适合特定枯落物类型的专用水分传感器，但应核查仪器对材料、密度及安装条件的要求。

8.6 人工取样校准

通过代表性取样测量干基含水率，用于建立或验证电子监测结果。

8.7 季节性变化

不同季节落叶量、分解程度和枯落物厚度可能改变，应定期检查监测样地的代表性。

8.8 监测边界

枯落物含水率与土壤水分可能相关，但两者并无普遍适用的一一对应关系。

九、草原可燃物含水率监测

9.1 草原可燃物特点

草原可燃物主要包括活草、枯草、地表残茬以及其他可燃植被，其含水状态受到生长季、物候、降水和气象条件影响。

9.2 活草含水率

活体植被含水状态受到植物生理活动、根系吸水及环境水分供应影响，不能直接以土壤体积含水率替代。

9.3 枯草含水率

枯死草本材料的含水变化更直接受到空气温湿度、降雨和辐射等影响，应采用适合枯草的测量与校准方法。

9.4 草层垂向差异

高草区和低草区的光照、通风及枯草堆积可能不同，应合理选择样地。

9.5 根区土壤水分

通过多深度土壤水分监测，可分析草地根区水分供应变化，为植被生长和干旱研究提供数据。

9.6 生长季与枯黄季

同一草原在生长季和枯黄季具有不同的可燃物组成，火险模型应考虑实际物候状态。

9.7 草原水分恢复

降雨后活草、枯草与土壤水分的恢复过程可能不同，应采用分类型观测。

9.8 草原监测边界

草原火险与风速、连续干旱、可燃物数量和火源等条件有关，单项水分测量不能构成完整草原火险判定。

十、温度监测与生态水热分析

10.1 温度监测意义

温度影响土壤水分测量、蒸发、植被生理过程及部分可燃物干燥条件，是森林草原水分监测的重要辅助参数。

10.2 地表温度

监测地表附近温度变化，为分析日照、遮阴和地表水分蒸发条件提供信息。

10.3 土壤温度

在不同深度设置温度测点，观察日变化向深层传播及季节性热量变化。

10.4 温度剖面

通过温度—深度曲线分析不同水层温度变化和热环境差异。

10.5 温度补偿

介电式传感器可能受到温度影响，应根据仪器原理和标定方法进行必要补偿。

10.6 冻土条件

在寒冷地区，土壤结冰会显著改变液态水和介电响应。普通体积含水率模型可能不适用于冻结土壤，应采用对应的仪器与模型。

10.7 枯落物温度

根据需要可直接测量枯落物温度，用于研究其与空气条件之间的热交换及干燥变化。

10.8 温度分析边界

温度升高可能增加干燥倾向，但实际含水变化还取决于空气湿度、降雨、风及材料性质。

十一、分层含水率与温度剖面分析

11.1 分层监测意义

分层监测用于描述土壤不同深度的水分储存与变化，并为分析地表干燥和植被水分条件提供辅助信息。

11.2 建议深度

初步可设置5cm、10cm、20cm、40cm等具有代表性的土壤深度，具体应根据土层厚度、岩石分布及研究目的调整。

11.3 5cm浅层水分

用于观察浅表土壤对降雨和蒸发变化的响应，不直接等于地表枯落物含水率。

11.4 10cm土层

用于观察较浅土层的水分储存和变化。

11.5 20cm土层

用于分析中浅层水分变化及部分植物根系利用条件。

11.6 40cm土层

用于观察较深层水分变化，但应考虑实际土壤厚度及传感器安装条件。

11.7 多层时间序列

绘制每个深度的含水率和温度曲线，识别降雨后湿润传播和连续干燥过程。

11.8 分层差异

比较浅层与深层含水率变化，但只有在测量介质、单位及标定有效时才能直接进行数值比较。

11.9 湿润锋分析

当降雨后浅层含水率先增加、深层随后变化时，可研究湿润锋传播过程。

11.10 多层监测边界

土壤水分剖面主要反映土壤水热状态，不能替代地表细小死可燃物的直接测量。

十二、空间布点与生态分区监测

12.1 布点总体原则

按照可燃物类型、植被覆盖、坡向、海拔、土壤类型、历史火情和气象差异开展生态分区。

12.2 林型分类

针叶林、阔叶林、混交林及灌丛应分别评估监测代表性。

12.3 草原类型分类

根据草种、覆盖度、残茬及枯黄程度设置适当样地。

12.4 坡向差异

对阳坡、阴坡及其他典型坡向进行对比监测。

12.5 海拔梯度

对海拔差异较大的山地林区，可按气候和植被变化设计不同监测带。

12.6 林缘区域

林缘和开阔地可能具有较强风、光照及水分差异，可以设置专项监测点。

12.7 防火重点区域

结合实际防火管理需求，合理安排重点道路、林缘和其他风险区域的监测。

12.8 多点代表性检验

通过现场人工采样、空间水分调查和历史数据对比检验监测点代表性。

12.9 站点数量确定

监测站数量应根据生态分区、实际空间变异、可用资源和监测目标确定，不宜按统一面积比例机械布点。

十三、数据分析与智能应用

13.1 水分趋势分析

按小时、日、周及季节统计有效体积含水率和可燃物含水率变化。

13.2 浅层持续干燥分析

当浅层水分连续下降时，形成干燥过程提示，并结合枯落物测量结果判断其实际防火意义。

13.3 深层水分储备分析

通过不同深度水分变化分析土壤水分储存状况，辅助评估植被生长环境。

13.4 降雨响应分析

记录降雨前后的多层水分变化，分析湿润恢复速度及不同深度响应差异。

13.5 高温干燥事件

结合高温和持续低水分状态，识别需要加强现场关注的时间区间。

13.6 多点空间差异

比较不同林型、坡向和草原类型的水分变化，分析微环境差异。

13.7 可燃物含水率模型

在已有现场采样数据的基础上，建立针对具体可燃物类型的含水率估算模型。

13.8 模型训练数据

训练数据应包含不同季节、降雨状态、空气湿度、枯落物类型和相应人工含水率测定结果。

13.9 模型验证

采用独立样本评价模型误差，并分析不同林型和极端干燥条件下的适用性。

13.10 模型版本管理

记录模型输入、训练样本、计算版本及适用地区，避免未经验证跨区域使用。

十四、火险辅助预警与决策支撑

14.1 火险预警总体原则

森林草原火险应由可燃物、气象、地形、火源及其他相关因素综合决定。含水率监测用于提供其中重要的水分状态信息。

14.2 可燃物干燥预警

当经过验证的枯落物含水率持续下降并达到项目设定管理条件时，可生成可燃物干燥提示。

14.3 土壤浅层水分预警

当浅层体积含水率明显低于样地历史基线时，提示关注地表水分状况，但不能直接判定可燃物已达到危险含水率。

14.4 高温低湿联合提示

结合空气温湿度和可燃物含水状态，识别不利于保持可燃物湿润的天气条件。

14.5 干燥与大风叠加

在具有风速数据的条件下，可对较干燥可燃物与大风天气同时出现的情况提高关注程度。

14.6 无降雨持续时间

统计连续无明显有效降雨的天数，并结合可燃物实际含水率解释干燥状态。

14.7 火险气象等级

按照适用的现行火险气象等级标准及有效气象资料开展相应评价，避免自行把土壤含水率数值直接等同于官方森林火险等级。

14.8 火险辅助评分

在具有可靠现场样本和模型验证的条件下，可建立：

R=f(MCfuel,Wind,RH,Tair,Rain,FuelLoad,Terrain)

其中，R为经验证的辅助火险指标，MCfuel为实际测得或经验证的可燃物含水率，其他参数包括风、湿度、温度、降雨、可燃物载量及地形。

14.9 火险分级管理表

管理级别	识别条件	建议措施
正常	监测数据有效，未发现明显干燥异常	持续监测
关注	浅层水分持续下降或枯落物干燥加剧	加强样地复核
较高关注	经验证的低可燃物含水状态与不利气象叠加	加强巡查及火源管理
专项高风险	满足适用火险评价体系或主管部门规定的高风险条件	执行相应防火预案
数据异常	传感器故障、接触异常或模型失效	检修并开展人工复测

14.10 预警应用边界

监测系统提供水分及火险辅助数据，不替代官方火险预警发布、火情发现确认、人员巡护及应急处置。

十五、项目实施方案

15.1 现场调查

调查林草类型、地形、坡向、植被覆盖、枯落物组成、土壤厚度及供电通信条件。

15.2 监测区域分区

根据生态类型、微气候差异和防火管理需求确定代表性监测区域。

15.3 样地选择

选取具有稳定代表性的样地，并记录植被、土壤、坡向和枯落物基本信息。

15.4 体积含水率测点布设

根据土层结构和根区分布设置多深度土壤水分监测点。

15.5 温度测点布设

与水分测点对应安装温度传感器，获取具有明确深度标识的温度数据。

15.6 可燃物样品采集

依据适用标准采集代表性可燃物样本，记录材料类别、采样时间和位置。

15.7 可燃物含水率标定

将人工含水率测定结果与对应传感器及环境数据匹配，建立或验证模型。

15.8 数据采集设备安装

根据林区地形设置低功耗采集终端、通信及电源设施。

15.9 太阳能供电设计

根据当地辐照、森林遮阴、设备功耗和连续阴雨天数核算供电及储能容量。

15.10 网络调试

验证数据上传、断网缓存、供电状态和远程设备管理功能。

15.11 现场比对

通过实际采样和水分测量比对评价传感器精度及模型误差。

15.12 预警调试

结合历史数据和现场样本设置管理规则，测试异常事件提醒。

15.13 试运行与验收

通过连续试运行验证数据有效率、传感器稳定性、分层监测功能和平台数据管理能力。

十六、运维服务保障

16.1 长期维护目标

保持监测设备长期稳定运行，并确保可燃物含水率估算模型具有实际适用性。

16.2 传感器接触检查

定期检查插针式或剖面式传感器与土壤的接触情况，避免空隙和松动造成测量偏差。

16.3 季节性检查

在冻融、降雨、植被生长和枯落物变化明显的季节进行专项检查。

16.4 可燃物采样复核

定期对代表性枯枝、落叶和枯草采样，验证电子监测及预测模型。

16.5 温度传感器维护

检查探头安装深度、线缆和测量稳定性。

16.6 设备供电维护

维护太阳能组件、储能设备和供电系统，关注遮阴及电池老化问题。

16.7 通信设备维护

检查通信信号、天线、终端功耗和断网数据补传。

16.8 数据质量审核

对长期固定值、突变、超量程及传感器离线情况进行分类审核。

16.9 模型更新

随着可燃物组成、植被变化和更多采样数据积累，重新验证含水率估算模型。

16.10 生态影响控制

维护活动应尽量减少对监测样地的踩踏、植被破坏和土壤扰动。

十七、应用场景

17.1 天然林防火监测

对林下枯落物、浅层土壤和温度变化进行持续观察。

17.2 人工林防火管理

监测人工林地表可燃物及不同土层水分，辅助日常防火巡护。

17.3 草原火险辅助监测

通过枯草、活草及土壤水分分类监测，分析草原干燥变化。

17.4 森林草原交错带

研究林缘和草地之间的水热条件与可燃物差异。

17.5 防火隔离带

对隔离带两侧典型可燃物水分及干燥趋势进行辅助监测。

17.6 自然保护地

支持低扰动生态水分长期观测及防火管理。

17.7 山地生态防火

比较阴坡、阳坡及不同海拔带的水分变化。

17.8 干旱半干旱林草区

监测连续干燥、降雨恢复和植被水分环境变化。

17.9 林下可燃物研究

开展不同枯落物类型、分解程度及深度的含水率变化研究。

十八、效益分析

18.1 火险研判辅助价值

通过持续获取可燃物和土壤水分信息，辅助识别干燥加剧及水分恢复过程。

18.2 监测连续性价值

与低频人工采样相比，自动系统可提供更高时间分辨率的水热变化数据。

18.3 区域管理价值

通过多测点和分区管理，辅助比较不同生态区域的水分变化。

18.4 防火巡护支持

将经过验证的可燃物干燥异常信息提供给巡护管理人员，有助于合理安排核查工作。

18.5 生态研究价值

长期分层水分和温度数据可用于研究干旱、降雨入渗、植被水分条件和季节性变化。

18.6 数据积累价值

建立不同林型、草原类型和地形条件下的长期水分数据库，为后续模型验证提供资料。

18.7 运维管理价值

通过远程设备状态和异常报警，提高监测设备维护工作的针对性。

18.8 效益评价指标

评价方向	建议指标	评价方法
监测稳定性	有效数据率、设备在线率	系统运行记录
测量质量	水分测量偏差、现场比对结果	实测样本与校准记录
分层监测	不同深度数据完整率	剖面数据统计
可燃物估算	含水率模型误差	独立采样验证
异常识别	干燥事件识别与复核情况	事件及现场检查记录
运维效率	故障响应时间、维护工作量	运维工单记录

18.9 效益评价边界

系统能够提升水分变化监测能力，但不能直接承诺固定的火灾发生率降低比例，也不能单凭土壤含水率数据证明某一区域没有火灾风险。

十九、核心硬件组成与技术参数

19.1 核心硬件配置清单

序号	设备名称	主要功能	配置建议
1	多层体积含水率传感器	土壤不同深度水分测量	按样地和土层条件配置
2	多层温度传感器	对应深度温度监测	与水分测点对应
3	地表温度探头	地表附近温度监测	按需配置
4	可燃物含水率专用测量设备	枯草、落叶等可燃物水分测量	按可燃物类别和技术可行性选配
5	可燃物人工采样及称量器具	含水率实测及模型校准	按监测调查计划配置
6	低功耗数据采集终端	数据采集、时间记录和缓存	按站点配置
7	无线通信终端	远程数据上传	按网络覆盖配置
8	太阳能供电装置	偏远地区供电	按功耗及日照条件配置
9	储能与电源管理组件	保证连续监测及供电保护	按设备续航要求配置
10	监测安装与防护组件	设备固定、防水及防雷保护	按环境配置
11	水分与火险辅助分析平台	分层分析、趋势和报警	统一部署

19.2 多层体积含水率传感器参考参数

参数项目	工程参考要求
测量对象	土壤体积含水率
输出单位	%vol或m³/m³
参考量程	0～100%vol，实际有效范围按介质和标定确定
参考准确度	±3个百分点体积含水率，规定条件下
测量原理	介电式或其他适宜方法
测量深度	参考5、10、20、40cm，按土层调整
通信接口	RS485或其他适宜接口
工作环境	满足长期埋地和当地温度条件
校准要求	根据土壤类型及介质性质进行验证

19.3 温度传感器参考参数

参数项目	工程参考指标
测量对象	地表或土壤温度
参考量程	-40～80℃，按实际环境选型
参考准确度	±0.5℃，规定条件下
参考分辨率	0.1℃
安装方式	接触式安装
通信接口	RS485或其他适宜接口

19.4 可燃物含水率测量装置参考参数

参数项目	工程参考要求
测量对象	明确类别的枯落物、枯草或其他可燃材料
输出单位	%干基或明确的其他定义
量程	根据材料与预期含水状态确定
准确度	以材料专用标定和独立样本验证结果为准
测量方式	专用传感或人工取样测定
材料适配	需要明确适用树种、草种及材料状态
数据属性	明确区分直接测量值与模型估算值

19.5 数据采集终端参考参数

参数项目	工程参考要求
采集接口	匹配水分、温度及其他传感器
采样周期	可配置，按研究与预警需要确定
数据缓存	支持断网本地保存
时间同步	支持有效时间戳
远程通信	支持适宜的无线或有线网络
电源管理	支持低功耗及供电状态监测
质量标记	支持故障、离线、异常及维护标识

19.6 选型说明

以上量程及准确度仅为工程参考指标，不代表任何具体设备的性能承诺。正式采购应根据实际土壤类型、可燃物材料、温度范围、安装方式和现场校准结果确认。

特别需要注意，普通土壤墒情传感器即使具有多个深度，也不能直接测得地表枯草或落叶的干基可燃物含水率。

二十、典型应用设计示例

20.1 示例说明

以下为假设工程设计示例，用于说明森林草原可燃物含水状态监测系统的布设方式，不代表实际已实施、已验收或取得防火效果的项目。

20.2 项目概况

假设某森林草原交错带生态防火监测项目，包含针叶林、林缘灌丛和天然草原三种典型生态类型。

20.3 监测目标

对不同生态类型的土壤体积含水率、分层温度和代表性可燃物含水率开展监测，分析季节变化及持续干燥过程。

20.4 样地设置

初步在针叶林、林缘灌丛和草原区域分别选择2处代表性样地，共设置6个监测站。实际数量应根据生态差异和数据验证调整。

20.5 分层深度设计

每站初步设置5cm、10cm、20cm和40cm土壤水分与温度测点。对浅薄土层及岩石裸露样地，应相应调整深度。

20.6 可燃物监测设计

针叶林选择具有代表性的针叶及细小枯落物，林缘灌丛选择实际存在的枯落物类型，草原选择代表性枯草材料开展定期含水率测量。

20.7 气象辅助监测

根据项目需要配置空气温湿度、风速和降雨监测，为干燥变化分析提供环境数据。

20.8 示例硬件配置表

设备名称	示例数量	配置说明
多层体积含水率监测装置	6套	每站1套，4个参考深度
多层温度监测装置	6套	与水分测点对应
地表温度传感器	6套	每站1套
可燃物含水率专用测量装置	按材料及验证能力配置	按监测对象选择
人工采样与称量设备	按调查任务配置	开展干基含水率测量和模型验证
空气温湿度传感器	6套，可选	辅助干燥环境分析
风速及降雨设备	按代表性区域配置	辅助火险气象研判
低功耗采集终端	6套	各站采集与缓存
无线通信终端	6套	根据网络条件配置
太阳能及储能组件	6组	按日照及功耗核算
安装与防护组件	6组	按现场条件配置
水分与火险辅助分析平台	1套	多站数据管理

20.9 项目实施流程

依次开展生态类型调查、样地选择、土层勘察、传感器安装、可燃物采样、模型标定、通信联调、预警配置和连续试运行。

20.10 数据应用流程

现场水分与温度数据上传平台后，首先开展质量审核和分层分析；可燃物含水率数据按实际测量或有效模型单独管理，再与气象数据开展火险辅助研判。

20.11 模型验证流程

定期采集不同可燃物样本，并与传感器及环境数据进行对应比较，评价估算模型的准确性。

20.12 项目验收建议

验收内容包括传感器精度、分层数据、设备在线率、可燃物含水率测量或校准、异常报警及数据追溯。

20.13 示例边界

本示例的6站配置属于初步设计，不代表可以覆盖全部林草区域。正式方案需要依据地形、生态差异、气象条件及项目任务确定站点数量。

二十一、标准规范与参考文献

21.1 标准应用原则

森林草原可燃物含水状态监测涉及可燃物取样、含水率测量、林业气象观测、土壤水分监测和森林火险气象评价等领域。

实际项目应区分可燃物干基含水率、土壤体积含水率及火险气象等级的不同定义，不能将它们直接等同。

21.2 主要标准规范

标准编号	标准名称	主要应用内容
LY/T 2013—2012	森林可燃物的测定	森林可燃物含水率、载量等测定参考
QX/T 301—2015	林业气象观测规范 第4部分：森林地被可燃物含水量观测	地被可燃物含水量观测
GB/T 36743—2018	森林火险气象等级	森林火险气象条件评价
LY/T 1172—1995	全国森林火险天气等级	适用范围内的森林火险天气等级参考

21.3 森林可燃物测定

LY/T 2013—2012《森林可燃物的测定》规定了森林可燃物含水率、载量及其他相关指标的测定方法，可以作为可燃物人工采样和模型校准的重要依据。

21.4 地被可燃物含水量观测

QX/T 301—2015《林业气象观测规范 第4部分：森林地被可燃物含水量观测》可作为森林地被可燃物含水量观测工作的相关技术依据。

21.5 森林火险气象等级

GB/T 36743—2018《森林火险气象等级》于2019年4月1日实施，目前为现行推荐性国家标准，可作为适用森林火险气象评价的技术依据。

21.6 林业火险天气等级

LY/T 1172—1995《全国森林火险天气等级》可作为适用场景下的相关行业标准参考。实施时应根据最新标准及主管部门的实际要求确定使用规则。

21.7 标准与参考链接

LY/T 2013—2012《森林可燃物的测定》：

https://std.samr.gov.cn/hb/search/stdHBDetailed?id=8B1827F1D584BB19E05397BE0A0AB44A

QX/T 301—2015《林业气象观测规范 第4部分：森林地被可燃物含水量观测》：

https://std.samr.gov.cn/hb/search/stdHBDetailed?id=8B1827F21CF9BB19E05397BE0A0AB44A

GB/T 36743—2018《森林火险气象等级》：

https://openstd.samr.gov.cn/bzgk/std/newGbInfo?hcno=18EAA2BDD39E20B88316A9064BE15AA0

LY/T 1172—1995《全国森林火险天气等级》：

https://std.samr.gov.cn/hb/search/stdHBDetailedCNF?id=8B1827F1851ABB19E05397BE0A0AB44A

21.8 参考文献

（1）LY/T 2013—2012《森林可燃物的测定》。

（2）QX/T 301—2015《林业气象观测规范 第4部分：森林地被可燃物含水量观测》。

（3）GB/T 36743—2018《森林火险气象等级》。

（4）LY/T 1172—1995《全国森林火险天气等级》。

（5）森林植被、林下枯落物含水率及火险气象相关专业研究资料。

21.9 技术扩展方向

在体积含水率、温度及分层变化监测系统稳定运行后，可增加空气温湿度、降雨、风速、太阳辐射、可燃物载量和植被生长状态等参数。

对于可燃物含水率估算需求较高的项目，应优先积累多季节、不同林草类型的人工采样数据，建立经过独立验证的材料专用模型。

对于森林草原防火管理，可将水分监测与气象监测、雷电信息、火源管理和实际巡护资料进行关联，形成更加完整的辅助研判体系。

21.10 技术应用边界

土壤体积含水率与可燃物干基含水率不是同一个物理量，不能直接混用。

地表枯落物、枯草、活体植被和不同深度土壤属于不同测量对象，应分别明确测量方法。

普通土壤含水率传感器不能在未经验证时直接输出真实枯草或落叶含水率。

不同可燃物类别的含水率模型不一定可以跨地区、跨季节或跨材料直接使用。

土壤水分较高不代表地表细小枯死可燃物一定湿润。

地表可燃物干燥不等于必然发生火灾，火灾发生还需要火源及其他必要条件。

森林草原火险等级应按照适用的综合评价体系确定，不能仅凭单个水分传感器结果形成官方火险等级。

21.11 方案总结

森林草原与生态防火可燃物含水率智能监测方案，通过体积含水率、温度及不同层次水分变化的连续监测，建立面向森林、草原和其他生态防火区域的水热环境感知体系。

系统在土壤水分剖面监测的基础上，结合具有明确测量对象的可燃物含水率观测及现场标定，分析枯落物、草本可燃物与土壤水分之间的变化关系。

通过多深度监测、不同生态类型对比、干燥趋势识别和气象条件融合，可为林草火险辅助研判、巡护管理和生态环境研究提供数据支持。

通过规范样地选择、传感器安装、可燃物采样、模型验证和长期设备维护，可提高监测数据的可靠性和可追溯性。

在明确土壤体积含水率、可燃物干基含水率和森林草原火险等级之间区别的前提下，本方案可为森林草原生态防火智能监测、重点林区防火管理及生态水分长期观测提供技术支撑。