不同空氣質(zhì)量狀況下FW3系統(tǒng)林火煙霧智能識別與定位測試研究

趙晉龍，孫永明

(1.山西省太岳山國有林管理局，山西 介休 032000；2.山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

近地面監(jiān)測往往采用瞭望塔視頻檢測的手段，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。國內(nèi)外近地面監(jiān)測的代表系統(tǒng)是Forestwatch系統(tǒng),該系統(tǒng)由南非物理學(xué)博士、EVS公司總裁加文·休利用其在南極極光波的研究成果開發(fā)了出來的軟件，之后開發(fā)出了一系列影像處理軟件系統(tǒng)。

2016年10月山西省林業(yè)科學(xué)研究院“948林火智能監(jiān)測與決策支持系統(tǒng)技術(shù)引進”項目組，從南非EVS公司引進一套FW3林火智能監(jiān)測與決策支持系統(tǒng)，系統(tǒng)前端監(jiān)測設(shè)備安裝在太原市林場石前峰瞭望塔，服務(wù)器安裝在山西省林業(yè)科學(xué)研究院五樓林火監(jiān)測實驗室。石前峰瞭望塔同山西省林業(yè)科學(xué)研究院相距21 km,兩者間采用5.8G無線網(wǎng)橋通訊。為了測試FW3系統(tǒng)在不同空氣質(zhì)量狀況下的林火早期智能識別和準(zhǔn)確定位技術(shù)，2017年4月29日至5月5日，項目組在太原市林場石前峰林區(qū)內(nèi)進行了野外人工點火放煙測試研究。

1 測試區(qū)概況

太原市國營林場管轄太原市西山林區(qū)及市區(qū)大沙荒面積2.43×104hm2，南從清徐縣橫跨晉源區(qū)、萬柏林區(qū)、尖草坪區(qū)、古交市。其中，有林地面積1.57×104hm2，森林覆蓋率為76%.石前峰林區(qū)分布著以油松、白皮松、側(cè)柏為主的針葉混交林，森林茂密，氣候宜人，動植物資源豐富。攝像機與圖像處理器等主要前端監(jiān)測設(shè)備安裝在石前峰瞭望塔上(北緯37.831 379，東經(jīng)112.300 949)，海拔1 687 m.

2 主要設(shè)備與軟件系統(tǒng)

1) 攝像機型號為Pelco ES40/ES41，該攝像機采用Esprit?SE定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了解碼器、云臺，防護罩，加壓密封一體化光學(xué)套件，并帶有雨刷器。Pelco ES40/ES41系列分辨率為1 920×1 080，紅外濾色鏡提供晝/夜轉(zhuǎn)換(540 TVL)、432X變焦(36X光學(xué)變焦、12X數(shù)字變焦)、電子圖像穩(wěn)定功能以及寬動態(tài)。粉末涂層和鋁制結(jié)構(gòu)使ES40/ES41系列在室內(nèi)或室外均適用。此系統(tǒng)絕對工作溫度范圍是-45 ℃～50 ℃(-50 ℉～122℉)，工作溫度為-25 ℃(-13 ℉).啟動2 h后，整個設(shè)備會除冰。

2) 圖像處理器(ISE)是由南非EVS公司生產(chǎn)，采用linux系統(tǒng)的加密計算機圖像處理器。它的功能是協(xié)調(diào)圖像采樣，增強圖像，對圖像進行預(yù)處理。通常將圖像處理器連接到攝像機上，然后將這些圖像通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭粋€被稱為“森林監(jiān)測衛(wèi)兵”的軟件上，“森林監(jiān)測衛(wèi)兵”再將圖像插入數(shù)據(jù)庫。FW3系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)各個部分的協(xié)同工作。

3) FW3系統(tǒng)中的Interface界面軟件，是用戶查看全景與增強圖像、檢查圖像、確認(rèn)或報警火災(zāi)事件和跟蹤記錄系統(tǒng)中事件的軟件。

3 測試研究方法

1) 開啟FW3系統(tǒng)Interface界面軟件,確保多預(yù)置視頻圖像、檢查視頻圖像和監(jiān)測視頻圖像處于實時模式，并確保視頻圖像實時地形線與系統(tǒng)虛擬地形線擬合完好。

2) 2017年4月29日至5月5日，每天上午10時分別在廟前山瞭望塔院內(nèi)(距離攝像機6.5 km)、石前峰管護站院內(nèi)(距離攝像機3.1 km)和西山煤層氣電站宿舍院內(nèi)(距離攝像機1.7 km)，收集油松枝條堆成高2 m,直徑4 m的圓錐形，進行點火放煙。如果遇到雨天順延1 d，記錄每天空氣質(zhì)量狀況(根據(jù)當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)天氣預(yù)報記錄)。在石前峰管護站內(nèi)用手持GPS記錄放煙點經(jīng)緯度。

3) 監(jiān)測期間，每天人工值守記錄FW3系統(tǒng)內(nèi)林火煙霧候選事件。利用系統(tǒng)軟件檢查監(jiān)測，并確定林火煙霧報警事件，記錄報警方位和經(jīng)緯度。

4 測試結(jié)果

野外點火人員按時點火放煙，試驗工作人員詳細(xì)記錄試驗期內(nèi)林火煙霧報警事件情況，結(jié)果見表1.

表1 不同空氣質(zhì)量下野外人工點火放煙監(jiān)測結(jié)果

空氣質(zhì)量指數(shù)在80以下時，系統(tǒng)可以自動識別距離攝像機6 km范圍內(nèi)的林火煙霧；空氣質(zhì)量指數(shù)在80～120之間時，系統(tǒng)可以自動識別距離攝像機3 km范圍內(nèi)的林火煙霧；空氣質(zhì)量指數(shù)在130以上時，系統(tǒng)不具備煙霧識別功能。

點火后，系統(tǒng)最快在1.5 min內(nèi)監(jiān)測到了煙霧，最慢在4.5 min內(nèi)監(jiān)測到了煙霧。

點火放煙期間在石前峰管護站院內(nèi)利用精度1 m級的手持GPS測量了各個人工點火點的經(jīng)緯度，同監(jiān)控系統(tǒng)報警的異常區(qū)經(jīng)緯度進行了對比分析，結(jié)果見第14頁表2.

表2 野外人工點火放煙監(jiān)測測試點坐標(biāo)實測值與系統(tǒng)預(yù)報值對比

從表2可以看出，本系統(tǒng)在試驗點監(jiān)測的經(jīng)度和實際測量經(jīng)度差值最大為2.84 m，最小為1.75 m.本系統(tǒng)在試驗點監(jiān)測的緯度和實際測量緯度差值最大為2.22 m，最小為0.78 m.

5 結(jié)論與討論

1) 在良好氣象條件下，林火識別率為100%，林火誤報率為0，優(yōu)于試驗技術(shù)指標(biāo)要求?？諝赓|(zhì)量指數(shù)在80以下時，系統(tǒng)可以自動識別距離攝像機6 km范圍內(nèi)的林火煙霧；空氣質(zhì)量指數(shù)在80～120之間時，系統(tǒng)可以自動識別距離攝像機3 km范圍內(nèi)林火煙霧；空氣質(zhì)量指數(shù)在130以上時，系統(tǒng)不具備煙霧識別功能。林火煙霧發(fā)現(xiàn)時間小于5 min,林火煙霧定位誤差小于5 m.

2)課題組掌握了FW3軟件系統(tǒng)的煙火檢測、林火定位、圖像穩(wěn)定增強等監(jiān)測決策單項技術(shù)，具有在國內(nèi)推廣應(yīng)用的能力。目前，我國的開發(fā)利用尚不能脫離該系統(tǒng)平臺，圖像處理器關(guān)鍵設(shè)備還沒有實現(xiàn)中國制造。建議“十三五”期間立項“林火煙霧監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備與系統(tǒng)”的研制與開發(fā)，真正實現(xiàn)林火智能監(jiān)測與決策支持系統(tǒng)技術(shù)國產(chǎn)化。

[1] 黃儒樂.基于視頻圖像的林火煙霧識別方法的研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2011.

[2] 黃杏元，馬勁松，湯 勤.地理信息系統(tǒng)概論[M].北京:高等教育出版社，2015.

[3] 田曉瑞，舒立福，王明玉，等.林火與氣候變化研究進展[J].世界林業(yè)研究，2006(5)：38-42.