可見光林火智能監(jiān)測與決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

孫永明，姚麗敏，高 潔，劉鵬舉

（1.山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息所，北京 100029）

可見光林火智能監(jiān)測與決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

孫永明1，姚麗敏1，高 潔1，劉鵬舉2

（1.山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息所，北京 100029）

通過對各種林火監(jiān)測技術(shù)特點的對比，確認林火視頻監(jiān)測技術(shù)是近地面林火監(jiān)測最有效途徑。以山西省林業(yè)科學(xué)研究院與南非EVS解決方案開發(fā)公司聯(lián)合開發(fā)的林火系統(tǒng)為例，詳細說明了可見光林火智能監(jiān)測與決策支持系統(tǒng)的組成、特點和功能。

可見光視頻；森林防火；圖像識別；山西省

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強、發(fā)生面廣、破壞性大且處置撲救較為困難的自然災(zāi)害。它燒毀林木和森林資源，破壞森林環(huán)境，嚴重威脅森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全。中國政府高度重視林火應(yīng)急管理和防災(zāi)減災(zāi)工作，加強林火的早期監(jiān)測與識別技術(shù)作為森林火災(zāi)預(yù)警和撲救工作的關(guān)鍵技術(shù)，是森林防火領(lǐng)域中最重要的研究課題之一[1]。

林火監(jiān)測技術(shù)主要包括地面巡護、近地面監(jiān)測、航空巡護和衛(wèi)星監(jiān)測4種方法[2]。近年來，人們還發(fā)展出了利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，借助溫濕度傳感器、CO和H2S傳感器等進行林火預(yù)警的方法,但該方法由于忽視圖像等早期特征，往往發(fā)現(xiàn)林火時已經(jīng)蔓延。

地面巡護由護林人員在林內(nèi)進行，發(fā)現(xiàn)火情及時通知有關(guān)部門展開撲救，并可以及時阻止無關(guān)人員進山，降低人為林火的發(fā)生概率，但這種方法需要花費大量的人力和時間，而且容易存在疏漏。

近地面監(jiān)測往往采用瞭望臺和視頻檢測的手段，從分布在林區(qū)的固定觀察設(shè)施獲取林區(qū)圖像，利用計算機技術(shù)進行自動分析，對被監(jiān)控場景中的運動目標(biāo)進行識別和跟蹤，在異常情況下進行報警。

航空巡護可以采用載人或無人的航空護林飛機搭載熱紅外相機來進行，但運行保障費用昂貴。相比而言，無人機的機動性更高，且可以全天候工作，更能節(jié)約人力，具有一定的優(yōu)勢，但是火場復(fù)雜的湍流變化與電磁環(huán)境，給無人機的操作帶來很多不確定性。在良好氣象條件下無人機高度依賴地面通訊基站導(dǎo)航，山區(qū)通常缺少通訊基站或者不能達到全覆蓋，目前來看無人機林區(qū)巡航還存在許多困難。

衛(wèi)星監(jiān)測主要利用物體的高溫與中波紅外輻射亮溫的關(guān)系，使用衛(wèi)星紅外影像來監(jiān)測地表溫度高溫異常變化，從而確定林火發(fā)生和發(fā)展的動態(tài)，獲取其面積和邊界等信息，是目前林業(yè)發(fā)達國家主要采用的監(jiān)測技術(shù)之一，但由于衛(wèi)星繞地球同一點的周期為90 min，不能夠?qū)崟r監(jiān)測林火發(fā)生，同時衛(wèi)星對地觀測距離3 000 km以上，需要穿越云層，影響觀測精度，而且對于局部森林火災(zāi)調(diào)用國家戰(zhàn)略衛(wèi)星資源進行實時監(jiān)控也是不現(xiàn)實的。近年來基于林火視頻監(jiān)測技術(shù)的近地面林火監(jiān)測技術(shù)在我國山西省、北京市和遼寧省等地得到了建設(shè)與推廣。該技術(shù)通過高清攝像機與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了林火的遠距離實時監(jiān)控，是近地面林火監(jiān)測有效途徑。

1 可見光林火智能監(jiān)測與決策支持系統(tǒng)設(shè)計

由于煙霧是森林火災(zāi)早期最顯著的視覺現(xiàn)象，林火監(jiān)測更易觀測到飄散的煙霧?；诒O(jiān)測煙霧的視頻林火識別技術(shù)具有研究和應(yīng)用價值。基于煙霧的視頻林火識別主要采用可見光攝像機。但我國目前開發(fā)的基于靜態(tài)的林火煙霧顏色與紋理特征的林火智能識別系統(tǒng)在實踐中漏報與誤報情況嚴重，嚴重制約林火視頻監(jiān)測設(shè)備的使用效果。南非EVS公司開發(fā)的Forestwatch林火智能監(jiān)測軟件系統(tǒng)基于林火煙霧視頻的光散射光譜特征算法，利用計算機態(tài)勢分析和數(shù)據(jù)融合技術(shù)與GIS技術(shù)，具有準(zhǔn)確監(jiān)測發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和判別定位的強大功能，在南非、美國和加拿大成功運行的系統(tǒng)273套，監(jiān)測森林面積40萬hm2。山西省林業(yè)科學(xué)研究院于2015年5月從南非引進Forestwatch林火智能監(jiān)測與決策支持系統(tǒng)一套，安裝于太原市林場石千峰林火監(jiān)測試驗平臺。2015年5月至今，該系統(tǒng)試驗平臺已經(jīng)安全穩(wěn)定運行18個月，經(jīng)多次測試達到了林火發(fā)現(xiàn)時間小于5 min，圖像前端處理時間小于0.1 s，林火識別率大于95%，林火誤報率小于5%的試驗技術(shù)指標(biāo)要求。目前我們已經(jīng)消化吸收了該系統(tǒng)技術(shù)，針對山西省林區(qū)特點，我們對系統(tǒng)功能進行了優(yōu)化設(shè)計，建立了新的林火監(jiān)測生產(chǎn)平臺，具有推廣應(yīng)用價值[3]。

與目前國內(nèi)應(yīng)用的林火智能系統(tǒng)最大的技術(shù)不同點是：林火識別算法和火災(zāi)定位。其主要模塊包括煙霧識別模塊、林火聯(lián)網(wǎng)預(yù)警管理模塊、定位模塊和后端操作應(yīng)用模塊。

1.1 林火煙霧識別模塊

林火煙霧識別模塊是系統(tǒng)的核心技術(shù)模塊，內(nèi)置于前端基站圖像處理器并設(shè)置有獨特開發(fā)的基于光散射光譜色效應(yīng)特征林火煙霧算法和煙霧簽名模塊（Smoke signature）的圖像處理系統(tǒng)（Image sampling system），是整個系統(tǒng)運行可靠行的關(guān)鍵。

光散射光譜特征林火煙霧算法。我們知道林火發(fā)生氣象條件是：長期干旱無雨的晴朗天氣。在此種天氣條件下，太陽光空氣分子顆粒小于可見光波長λ/10，散射呈瑞利散射規(guī)律，散射強度同波長的4次方成反比。目標(biāo)林火煙霧含有水滴和燃燒后碳顆粒，煙霧空氣分子顆粒大于可見光波長λ/10，散射呈米氏散射規(guī)律，散射強度同波長的2次方成反比。目標(biāo)煙霧與背景光散射強度不同和不同波長的光對目標(biāo)煙霧光散射強度不同是光散射光譜特征林火煙霧算法的理論基礎(chǔ)。

煙霧簽名就是對監(jiān)測區(qū)內(nèi)道路煙塵、廠房煙霧和特定煙霧進行事后標(biāo)記，建立數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器經(jīng)過記憶學(xué)習(xí)不再重復(fù)預(yù)報這些火情[4]。

1.2 林火聯(lián)網(wǎng)預(yù)警管理模塊

林火聯(lián)網(wǎng)預(yù)警管理模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能模塊。正常運行狀態(tài)下，系統(tǒng)會按照預(yù)設(shè)自動掃描程式對目標(biāo)林區(qū)進行全面巡航掃描，掃描圖像不斷輸入輸出圖像處理器，對異常圖像連續(xù)拍攝四幀，通過分析每幀煙霧動態(tài)變化大小，判斷在監(jiān)控林區(qū)是否發(fā)現(xiàn)異?；鹎闊熿F。若發(fā)現(xiàn)異?；鹎闊熿F，系統(tǒng)將自動進入事件預(yù)警程式，自動記錄下火情事件發(fā)生的時間、經(jīng)緯度及實時監(jiān)控錄像和圖片，并自動生成檔案日志儲存在系統(tǒng)目錄文件下，供用戶日后翻查事件過程記錄，方便調(diào)查火災(zāi)。同時，系統(tǒng)前端會將檢測到的多種信號，包括火情警報、防盜警報及設(shè)備故障警報等通過無線傳輸架構(gòu)，及時反饋到每一級后端管理指揮中心平臺，生成聲光報警通知用戶。

1.3 定位模塊

定位模塊系統(tǒng)采用了場景與GIS校正補充的定位方法。我們知道攝像機巡航監(jiān)測拍照時，每一張圖片對映投影一片區(qū)域，假如設(shè)置攝像機每轉(zhuǎn)動30°拍照一張，巡航一圈360°就是12個視場圖片，對映12個區(qū)域，借助有經(jīng)驗護林員幫助，將各區(qū)域標(biāo)記地形地貌同現(xiàn)有電子地圖數(shù)據(jù)融合匹配，可以實現(xiàn)利用攝像場景的快速定位。但攝像機遠場和近場監(jiān)測時往往由于設(shè)置常數(shù)變化，造成場景定位不準(zhǔn)確性。服務(wù)器根據(jù)林火監(jiān)測實際需要，劃分火災(zāi)監(jiān)測視場的大小，一般采用巡航一周24個視場模式。

為了彌補場景定位不準(zhǔn)確性，系統(tǒng)設(shè)置了GIS校正補充定位。系統(tǒng)前端基站會將監(jiān)測過程中實時采集的云臺方位角、俯仰角及鏡頭焦距等數(shù)據(jù)自動返回到GIS信息平臺。與前端基站的二維攝像設(shè)備配合，系統(tǒng)將利用數(shù)據(jù)及數(shù)字高程數(shù)據(jù)庫精確定位火情的經(jīng)度、維度和海拔與距離監(jiān)測點的位置，實現(xiàn)火災(zāi)的自動定位功能。

此外，該模塊提供實時地圖縮放、旋轉(zhuǎn)及俯仰調(diào)整功能。用戶能在地圖上任意進行二維和三維切換并觀察監(jiān)測區(qū)域附近實際地形，為用戶進行林區(qū)巡護、火災(zāi)時實施緊急撲救及災(zāi)害評估清理提供路線決策依據(jù)。模塊還提供站點設(shè)置模仿仿真功能，一般能在項目開展前模擬出最佳的站點建設(shè)位置。

1.4 后端操作應(yīng)用模塊

后端操作應(yīng)用模塊是實現(xiàn)用戶接收前端基站信息，檢視林區(qū)現(xiàn)場狀況以及控制系統(tǒng)運行的主要功能模塊。后端操作平臺應(yīng)用多層級、多權(quán)限統(tǒng)一管理的功能設(shè)計，通過登錄界面的用戶認證，不同層級用戶可以得到所分配權(quán)限的項目信息資料。最高權(quán)限用戶平臺能顯示整個項目布局下所有前端基站的運行狀態(tài)及所監(jiān)測林區(qū)的信息資料，集中管理項目整體功能及資源，并能維護升級系統(tǒng)。在系統(tǒng)探測到林區(qū)火情時，系統(tǒng)管理者能及時通過操作平臺執(zhí)行人工控制，介入系統(tǒng)運作，調(diào)動系統(tǒng)前端清晰觀察火點情況，實現(xiàn)火情監(jiān)控的最高效率。

2 可見光林火視頻監(jiān)測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由視頻監(jiān)控終端、信號傳輸、供電系統(tǒng)、監(jiān)控室設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備5大部分組成。

視頻監(jiān)控終端主要構(gòu)件包括可見光數(shù)字攝像機（Pelco’s ES40/ES41）、重載數(shù)字云臺和氣象站與前端圖像處理器等。視頻監(jiān)控終端采用高清透霧攝像機對基站附近數(shù)公里范圍林區(qū)進行視頻監(jiān)控圖像采集，采用重型數(shù)字云臺對攝像機和鏡頭實現(xiàn)360°全方位巡航監(jiān)控，系統(tǒng)能迅速自動定位火情的精確位置，實現(xiàn)火情的智能識別。由于基站所處位置在野外，需要考慮防水、防腐、防地磁輻射、保溫等措施，所以前端基站設(shè)備采用全天候防護罩進行保護，對智能識別處理器以及其他控制設(shè)備采用一體化集成基站控制設(shè)備，確保系統(tǒng)長時間穩(wěn)定可靠運行。

針對野外監(jiān)控傳輸鏈路的選擇，信號傳輸、監(jiān)測塔站與千兆網(wǎng)交換機之間使用5.8 G無線網(wǎng)橋和天線通信，根據(jù)視頻監(jiān)控所需的帶寬和傳輸距離選擇27 M、54 M、108 M或150 M的無線網(wǎng)橋，根據(jù)前端基站到中繼點或者監(jiān)控中心的距離遠近選擇天線。交換機與服務(wù)器安裝在區(qū)域監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)機柜中。系統(tǒng)可以在監(jiān)控中心內(nèi)通過GIS軟件系統(tǒng)平臺完成可見光圖像的進一步分析、人員跟蹤報告以及遠距離位置的標(biāo)定測距。同時可以完成遠程控制功能，還可以經(jīng)過局域網(wǎng)與遠程監(jiān)控中心連接起來，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)共享和報警監(jiān)控等功能。

由于視頻監(jiān)控終端所處位置在野外，供電系統(tǒng)可分為有市電和無市電兩種情況。基站附近有市電可以采用電纜電力輸送，并根據(jù)實際情況配置USP后備電源系統(tǒng)。由于基站設(shè)備大多數(shù)采用直流電源，考慮到電壓的不穩(wěn)定容易造成基站設(shè)備損壞，需采用穩(wěn)壓電源設(shè)備為前端基站提供穩(wěn)定的電壓。對于沒有市電的地區(qū)，需風(fēng)光互補方式進行系統(tǒng)供電。此時前端基站功耗不應(yīng)超過120 w，發(fā)電系統(tǒng)需根據(jù)實際功耗情況配置以滿足前端所有設(shè)備的供電要求。

在系統(tǒng)中，本地服務(wù)器可放在監(jiān)控室網(wǎng)絡(luò)機柜中，也可以與遠程服務(wù)器連接，通過專網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換與通信。服務(wù)器主要完成兩大功能：一是數(shù)據(jù)存儲與交換，二是及時控制與分析。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括無線接收主機和視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，接收由無線傳輸（中繼）系統(tǒng)傳輸?shù)牧謪^(qū)防火監(jiān)控視頻信息，并通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備將這些視頻監(jiān)控信息播放和存儲，同時將視頻信息通過無線網(wǎng)橋、視頻傳輸器向各級監(jiān)控中心和防火指揮部門轉(zhuǎn)發(fā)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及應(yīng)用

以山西省林業(yè)科學(xué)研究院與南非EVS解決方案開發(fā)公司聯(lián)合開發(fā)的林火系統(tǒng)為例，系統(tǒng)平臺構(gòu)成如圖1所示。

圖1 可見光林火智能監(jiān)測系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)單臺終端最遠能監(jiān)測5 km處1 m×1 m×1 m煙霧，單終端覆蓋面積超過78.5 km2。系統(tǒng)實時采集視場圖像經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)進行3D建模，精度達3 m范圍內(nèi)。

監(jiān)控終端支持全范圍自動掃描，指定范圍自動掃描功能；支持火情主動報警功能，包括聲光電和短信報警。異常數(shù)據(jù)和報警信息自動儲存在數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)自動保存更新3天的森林火災(zāi)事件。實時監(jiān)控、監(jiān)控區(qū)地圖信息和系統(tǒng)操作管理分別呈現(xiàn)在不同的顯示器上，并可相互切換。

4 結(jié)論和討論

利用基于光散射光譜色效應(yīng)特征林火煙霧算法和煙霧簽名模塊（Smoke signature）的圖像前端處理系統(tǒng)（Image sampling system）,提高了圖像處理效果，火災(zāi)煙霧識別率95%和誤報率低于5%。解決了目前國內(nèi)林火煙霧識別處理系統(tǒng)的誤報率高、效率低問題。

采用了單點數(shù)字地形高程精確定位的基本方法，通過對導(dǎo)入地形圖的預(yù)設(shè)置、攝像機的俯仰、水平角度和焦點預(yù)設(shè)置，攝像視場范圍內(nèi)分區(qū)圖像與導(dǎo)入虛擬地形圖的疊加和地形線間融合，已知地標(biāo)的標(biāo)定，實現(xiàn)了鼠標(biāo)即點即準(zhǔn)確定位。系統(tǒng)通過管理員的一系列預(yù)處理和預(yù)設(shè)置，省卻了傳統(tǒng)林火定位過程中的計算量，大大提高了計算機服務(wù)器的處理效率。

[1]韓恩賢，韓剛，薄穎生.森林火災(zāi)發(fā)生趨勢及預(yù)測方法的探討[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2008,36（2）：91-96.

[2]Karlikowski T.Forest fire detection systems[J].Forestry Sciences,1982,7:85-91.

[3]GaVin Hough G.Vision systems for wide area surveillance:forest watch–A long range outdoor wildfire detection system.Wild fire,2007(2):41-50.

[4]Gavin Hough G，Kosch MJ,Scourfield MJW.First observation of super fast waves.Geophysical Research，1992，19(24):2433-2435.

S762.3+2

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2017-09-08

國家“948”項目（2014-4-01）

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