超遠(yuǎn)程煙霧探測技術(shù)在森林防火行業(yè)中的應(yīng)用

嚴(yán)敏軍，鄭 暉，李冬麗，李 維，喻金金，徐偉剛

（江西華宇軟件股份有限公司，江西 南昌330096）

森林火災(zāi)具有突發(fā)性，災(zāi)害發(fā)生的隨機(jī)性，短時間內(nèi)能造成巨大損失的特點，所以有效的監(jiān)控探測是早期發(fā)現(xiàn)起火點，快速調(diào)度指揮和及時撲救的重要技術(shù)手段[1]。如何做好森林防火監(jiān)控預(yù)警，減少和控制森林火災(zāi)，實現(xiàn)森林防火工作的規(guī)范化，科學(xué)化，信息化是各林業(yè)主管部門的重要任務(wù)。

傳統(tǒng)的森林防火監(jiān)控是于防火期間派人到山上的瞭望臺進(jìn)行人工瞭望，發(fā)現(xiàn)火情后以電話、短信等通信方式進(jìn)行火情報告。人工觀察的弊端是勞動強(qiáng)度大，晝夜觀察，同時還存在時間間隔，無法實現(xiàn)即時觀察，且火情報告滯后。近些年來，隨著現(xiàn)代科技的不斷更新，各防火單位陸陸續(xù)續(xù)建設(shè)了可見光視頻監(jiān)控、紅外熱成像視頻監(jiān)控及雷達(dá)探測等系統(tǒng)探測火災(zāi)，在很大程度上減少了人工觀察的弊端。其中可見光視頻監(jiān)控主要是依靠火情識別軟件來發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，但其誤報率普遍較高；紅外熱成像視頻監(jiān)控依靠測溫技術(shù)，對溫度達(dá)到異常情況（一定閥值）則告警[2]。這兩者的監(jiān)測半徑一般在5 km左右，監(jiān)測范圍有限，報警時間不確定，而且對網(wǎng)絡(luò)傳輸條件要求較高，一般在8～10 m帶寬左右。而雷達(dá)探測是依靠反射波來識別報警，但其受野外復(fù)雜環(huán)境的影響比較大，如遮擋物，導(dǎo)致其監(jiān)測半徑范圍也僅在5 km左右[3]。

為了解決監(jiān)測半徑范圍大、不受環(huán)境影響能夠探測、靈敏度高、定位精度準(zhǔn)、做到早期發(fā)現(xiàn)，提前預(yù)警，為撲救和指揮調(diào)度爭取時間，改變現(xiàn)行的視頻監(jiān)控方式和技術(shù)手段，充分運用物聯(lián)網(wǎng)及GIS技術(shù)，本文提出實施超遠(yuǎn)程煙霧探測系統(tǒng)來監(jiān)測森林火災(zāi)是非常有必要的。

1 超遠(yuǎn)程煙霧探測系統(tǒng)工作原理

超遠(yuǎn)程煙霧探測系統(tǒng)是基于光譜分析技術(shù)，利用煙霧粒子對某段光譜的敏感進(jìn)行分析，結(jié)合GIS技術(shù)，實現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離的煙霧探測、煙霧報警和定位[4]。超遠(yuǎn)程煙霧探測系統(tǒng)利用光譜分析等技術(shù)對煙霧敏感光譜范圍內(nèi)的圖像像元分成65 400個單位進(jìn)行逐個像素對比分析，系統(tǒng)檢測分析軟件集成了多種交互算法，采用顏色（與煙相關(guān)的灰度范圍）、對比度、亮度、動態(tài)、識別特征（蔓延）等參數(shù)進(jìn)行分析[5]。軟件算法會對每一個傳感器單元的值進(jìn)行分析，傳感器會與宏族每一個像素組掃描相關(guān)聯(lián)，并與觀察區(qū)域的掃描距離相適應(yīng)。

對觀察區(qū)域進(jìn)行校準(zhǔn)后，在已定義的宏族像素區(qū)域內(nèi)超出10%就會觸發(fā)分析。所有報警的信息全部會被入庫，而且所有定義的參數(shù)都會被獨立分析，同時進(jìn)行參數(shù)間交互式對應(yīng)的關(guān)聯(lián)分析，分析基于單個宏族像素區(qū)域所獲得的16位原始數(shù)據(jù)。

發(fā)生的報警數(shù)據(jù)或未產(chǎn)生的報警數(shù)據(jù)全部會通過網(wǎng)絡(luò)傳輸（2～4 m帶寬）至指揮中心后臺軟件數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析。

1.1 系統(tǒng)組成

超遠(yuǎn)程煙霧探測系統(tǒng)由前端探測器和后端大數(shù)據(jù)檢測分析軟件組成，而前端探測器分為廣角鏡頭、數(shù)據(jù)采集傳感器、數(shù)字云臺及防護(hù)罩、數(shù)據(jù)處理器組成，見圖1。

圖1系統(tǒng)外觀及后臺分析軟件Fig.1 System appearance and background analysis software

1.2 基本檢測步驟

系統(tǒng)會按照步驟進(jìn)行一一分析，按逐個扇區(qū)掃描覆蓋,分析每個扇區(qū)的圖像像素，探測到煙霧跡象，設(shè)備即刻報警，向操作員發(fā)送可視警報信息并記錄在數(shù)據(jù)庫中，向控制室發(fā)送警報相關(guān)數(shù)據(jù)并向用戶發(fā)布通知信息[6]。為了從圖像信息中識別出特定的煙霧信號，多個軟件過濾器均會調(diào)整到煙霧粒子可能識別的最佳頻譜帶寬范圍。使用這種方法可以探測到非常遠(yuǎn)的距離，并能夠分析到傳感器陣列的單個像素[7-8]。

火災(zāi)被識別并確認(rèn)后，操作員可以識別火災(zāi)的位置，為用戶提供地理坐標(biāo)，見圖2。

圖2來自傳感器的原始數(shù)據(jù)分析Fig.2 Analysis of raw data from sensors

1.3 系統(tǒng)檢測能力

距離10 km的3.72 m煙云，就能報警；距離為20 km的13.04 m煙云，就能報警；距離為25 km的15.10 m煙云，就能報警；當(dāng)一個宏族像素區(qū)域中的3～5個像素受到因素改變時，分析就會自動開始并記錄，見圖3。

圖3檢測能力分析Fig.3 Detection ability analysis

2 超遠(yuǎn)程煙霧探測系統(tǒng)技術(shù)特點

超遠(yuǎn)程煙霧探測系統(tǒng)的主要技術(shù)特點有以下幾點：1）對煙霧敏感光譜范圍內(nèi)的圖像像元分成65 400個單位進(jìn)行逐個像素對比分析。2）對黑白圖像進(jìn)行逐個像素處理，對顏色（與煙相關(guān)的灰度范圍）、對比度、亮度、動態(tài)、蔓延等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3）已定義的參數(shù)會被獨立分析，超出宏族像素區(qū)域的10%觸發(fā)報警并進(jìn)行交互式關(guān)聯(lián)分析。4）利用檢測分析軟件，集成多種交互算法參與分析。干擾因素比較多如移動的白云、汽車、物體，固定的樹木，流動的霧等可規(guī)避掉[9-10]。

與紅外熱成像探測系統(tǒng)和可見光視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)最快1 min內(nèi)探測到煙，最遠(yuǎn)可探測30 km的距離，單個監(jiān)控點監(jiān)測面積可達(dá)3 000 km2，定位精度小于50 m，實現(xiàn)了煙霧的早期發(fā)現(xiàn)和報警。其探測面積是傳統(tǒng)可見光視頻監(jiān)測面積的50倍，是熱成像監(jiān)測面積的80倍，突破了現(xiàn)有常規(guī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)手段，大大提高了視頻監(jiān)測的范圍和響應(yīng)能力，見表1。

3 超遠(yuǎn)程煙霧探測系統(tǒng)實測

表1產(chǎn)品技術(shù)對比表Tab.1 Technical comparison table of products

1）2017年5月中旬，組織了第一次實地測試，地點位于江西南昌市灣里區(qū)702電視臺附近搭建監(jiān)測點設(shè)備1套。當(dāng)天上午為陰雨天氣，有霧，能見度200 m。監(jiān)測設(shè)備搭建好后進(jìn)行盲掃巡航檢測，測試火堆和燒秸稈的煙堆在3 min內(nèi)被檢測到并報警，距離為9.3 km，定位精度為25 m。

2）2018年7月初，組織了第二次實地測試，地點位于江西鷹潭市市政府樓頂搭建監(jiān)測點設(shè)備1套。當(dāng)天上午為晴天，能見度3 km左右。監(jiān)測設(shè)備搭建好后進(jìn)行盲掃巡航檢測，測試煙霧堆在2 min內(nèi)被檢測到并報警，距離為36.55 km，定位精度為33 m。在軟件系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了多處工廠排煙報警，并且在晚上也發(fā)現(xiàn)一處工廠排煙報警。

本次測試邀請了森林防火行業(yè)內(nèi)的多位專家、用戶及科技部門參與測試和研討論證。與會專家指出此技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)超遠(yuǎn)距離監(jiān)測，并在短時間內(nèi)報警，技術(shù)層面上已達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。并提出要在多個不同環(huán)境下進(jìn)行測試，加強(qiáng)驗證該技術(shù)的穩(wěn)定性，如在北方區(qū)域、夜晚、有霾情況下。

3）2019年針對南昌梅嶺監(jiān)測，安裝了3套設(shè)備，運行以來發(fā)現(xiàn)了大量的野外用火行為，發(fā)現(xiàn)最遠(yuǎn)距離30 km報警信息，信息及時推送到管理員的手機(jī)和護(hù)林員的終端上，在防火期及時制止了野外用火的行為。

4 超遠(yuǎn)程煙霧探測系統(tǒng)應(yīng)用場景

本系統(tǒng)不僅具有超遠(yuǎn)距離的探測能力，還能適用于白天、霧天、甚至夜晚的煙霧探測，可廣泛用于森林火災(zāi)、秸稈燃燒、城市消防、煙花爆竹燃放、非法排煙等方面的探測應(yīng)用。

5 結(jié)束語

超遠(yuǎn)程煙霧探測技術(shù)是江西華宇軟件股份有限公司引進(jìn)瑞士森林火災(zāi)實驗室技術(shù)共同開發(fā)的適合中國市場的森林防火技術(shù)，該技術(shù)能夠在白天、夜晚和霧天實現(xiàn)火情監(jiān)測，其煙霧探測距離可達(dá)40 km，單點監(jiān)測面積達(dá)到5 000 km2，根據(jù)監(jiān)測距離的遠(yuǎn)近，其定位精度范圍在6～50 m，將該技術(shù)應(yīng)用于森林防火行業(yè)具有實用性、新穎性。

針對此技術(shù)的創(chuàng)新性，還需花大量的時間和精力來驗證其市場應(yīng)用過程中反饋的問題，以便給用戶提供更智能更便捷的系統(tǒng)，做到早預(yù)警早發(fā)現(xiàn)早處置，以便及時準(zhǔn)確地開展森林火災(zāi)撲救，盡可能地降低火災(zāi)帶來的損失。