遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控技術(shù)在森林火情預(yù)警中的作用

韓慧清，韓海軍

（內(nèi)蒙古自治區(qū)大青山自然保護(hù)區(qū)管理局烏蘭察布分局上高臺管理站，旗下營 012314）

森林火災(zāi)是生態(tài)環(huán)境最大的殺手，會直接破壞生態(tài)，給人民群眾生命財產(chǎn)造成極大的威脅和損失，同時，森林火災(zāi)的發(fā)生具有隨機(jī)性、突發(fā)性，短時間就會造成極大的損失，要保證杜絕森林火災(zāi)極其困難。全世界都在為預(yù)防、減少和控制森林火災(zāi)而努力。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn)以及人工智能算法的不斷提高，為森林防火提供了先進(jìn)的預(yù)警手段。

1 現(xiàn)有森林火情預(yù)警監(jiān)測方法的優(yōu)劣勢分析

森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)包括地面巡護(hù)、瞭望塔監(jiān)測、航空巡護(hù)、衛(wèi)星監(jiān)測以及遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控等。

地面巡護(hù)適合小面積人工巡護(hù)，在來往人員和車輛通行，野外生產(chǎn)和野外用火方面有一定優(yōu)勢，在交通不便，人煙稀少及地形復(fù)雜的地區(qū)，則無法進(jìn)行巡護(hù)。

瞭望塔監(jiān)測是通過護(hù)林員登高瞭望來實現(xiàn)預(yù)警，優(yōu)點是覆蓋范圍廣，缺點是受氣候及光線影響大，預(yù)警完全靠護(hù)林員的經(jīng)驗判斷，而且觀察員容易受到雷電及野生動物危害。

航空巡護(hù)是利用直升機(jī)或無人機(jī)進(jìn)行空中監(jiān)測，優(yōu)點是巡護(hù)范圍廣，機(jī)動性強(qiáng)，反應(yīng)迅速，缺點是費(fèi)用昂貴，也不能全天候監(jiān)測。

衛(wèi)星遙感監(jiān)測是利用人造衛(wèi)星進(jìn)行地面圖像的分析，以達(dá)到監(jiān)測火情的目的。優(yōu)點是監(jiān)測范圍廣，缺點是小范圍起火不能及時預(yù)警，費(fèi)用太過昂貴，對人員專業(yè)性要求高。

森林防火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是利用高清攝像頭成像，紅外溫度檢測和煙霧報警來對可觀察范圍內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行火情預(yù)警，具有可見光和紅外成像視頻實時傳輸，360°觀測起火點及時預(yù)警，GPS精確定位，費(fèi)用相對低廉等優(yōu)勢，缺點是覆蓋范圍大的情況下，需要多個觀測點聯(lián)動，需要依托網(wǎng)絡(luò)信號傳輸，以及電力供應(yīng)等。

綜上幾種預(yù)警監(jiān)測方法，遠(yuǎn)程視頻預(yù)警系統(tǒng)結(jié)合人工巡護(hù)預(yù)警系統(tǒng)更適合我國國情。

2 林火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)特點

林火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、監(jiān)控管理指揮中心系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、鐵塔、攝像機(jī)和鏡頭系統(tǒng)、云臺控制系統(tǒng)組成。

監(jiān)控管理指揮中心是整個系統(tǒng)的圖像顯示、圖像錄像以及控制中心，具有遠(yuǎn)程控制功能，為指揮調(diào)度人員提供清晰的、可操作的、可錄制的、可回放的現(xiàn)場實時高清圖像。監(jiān)控管理指揮中心系統(tǒng)還具有向上級林草部門第一時間傳送的功能。

采用專用的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。采用一體化設(shè)計，集成了視頻捕捉、視頻壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸及報警觸發(fā)等功能，該視頻服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)送視頻圖像。前端采用熱成像雙光譜重載云臺攝像機(jī)，可同時傳送可見光與紅外光圖像，具有360°循環(huán)監(jiān)控、自動調(diào)焦伸縮鏡頭的功能。控制中心采用專業(yè)的監(jiān)視軟件，并為應(yīng)用程序提供接口，可以讓應(yīng)用程序調(diào)用、控制遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像。

林業(yè)重點區(qū)域內(nèi)各監(jiān)視點現(xiàn)場布置攝像機(jī)以及燈光等輔助設(shè)施，通過視頻服務(wù)器進(jìn)行視頻采集、編碼、發(fā)送和遠(yuǎn)程控制，組成一套監(jiān)視前端系統(tǒng)。監(jiān)控點為固定監(jiān)視前端，一般采用市電為主電源，UPS作為備份。

各監(jiān)視前端通過網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控中心的監(jiān)視系統(tǒng)服務(wù)器，由視頻監(jiān)視系統(tǒng)軟件進(jìn)行集中顯示和統(tǒng)一管理。

傳輸網(wǎng)絡(luò)由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成。

監(jiān)控系統(tǒng)的后端控制設(shè)備主要由圖像監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器、圖像存儲系統(tǒng)、監(jiān)控客戶終端及監(jiān)視控制軟件等組成，完成現(xiàn)場圖像接收、用戶登錄管理、控制信號的輸出，圖像的實時監(jiān)控，圖像錄像的存儲、回放、備份、恢復(fù)、檢索等。

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視系統(tǒng)是軟硬件結(jié)合的統(tǒng)一體。在保證硬件系統(tǒng)物理連通的基礎(chǔ)上，通過軟件實現(xiàn)應(yīng)有的功能。遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)軟件可以對各攝像機(jī)傳來的圖像進(jìn)行各種處理，選擇權(quán)限范圍內(nèi)的攝像機(jī)，監(jiān)視4/9/16分割、中畫面或滿屏畫面。

3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的林火識別算法

3.1 視頻煙感圖像分析技術(shù)

將攝像機(jī)采集到的視頻圖像經(jīng)過服務(wù)器上的軟件處理，通過對圖像中煙、火的顏色、形狀、輪廓、紋理及運(yùn)動特征和光譜特征等多種因素進(jìn)行分析，自動判斷是否發(fā)生火情，是否預(yù)警等。

3.2 紅外熱成像的視頻分析技術(shù)

利用熱成像原理，通過被動接受物體發(fā)射的紅外線，在圖像中計算出被測物體的溫度，來判定是否發(fā)生火情及是否預(yù)警等。

3.3 兩種分析技術(shù)優(yōu)缺點對比

煙感分析技術(shù)在近距離監(jiān)測環(huán)境下，靈敏度和識別準(zhǔn)確率都較高，但是容易受到云霧的干擾，夜間煙霧失去顏色導(dǎo)致無法判定，受氣候影響較大，誤報率高。

紅外成像技術(shù)由于是被動接受監(jiān)測目標(biāo)的紅外熱輻射，與氣候條件無關(guān)，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候的監(jiān)控預(yù)警，可快速識別火情，不用等到出現(xiàn)煙霧或火點再報警，及早將火情打早、打小。缺點是監(jiān)測距離短，報警圖像為黑白色，需要配合可見光圖像識別。

綜上所述，可以兩種算法結(jié)合，以實現(xiàn)互補(bǔ)。

4 林火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用

4.1 選址的要求

一般應(yīng)選擇林區(qū)的高地，要求視野開闊，有網(wǎng)絡(luò)信號，以便實施遠(yuǎn)程信號傳輸。離電力線路近，方便取電。離地面有一定高度，防止人為或動物破壞。安裝穩(wěn)固，以實現(xiàn)圖像的穩(wěn)定，應(yīng)該新建鐵塔安裝或依托現(xiàn)有鐵塔資源加以利用。

4.2 系統(tǒng)選擇

選用熱成像雙光譜重載云臺攝像機(jī)，實現(xiàn)可見光和紅外光的同時傳輸，同時實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)監(jiān)控以及遠(yuǎn)程云臺操控。算法選用煙感報警和紅外溫度報警相結(jié)合，提高預(yù)警準(zhǔn)確率。

4.3 可擴(kuò)展性

通過增加或減少網(wǎng)絡(luò)橋接來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控點的增加或減少，靈活應(yīng)用于各林區(qū)和管護(hù)站。

5 實際應(yīng)用案例

內(nèi)蒙古大青山保護(hù)區(qū)上高臺管理站在保護(hù)區(qū)東端，是全保護(hù)區(qū)最大的管理站。為了進(jìn)一步加強(qiáng)森林防火、森林草原、動植物資源的日常監(jiān)測和管理，加強(qiáng)保護(hù)區(qū)森林資源的保護(hù)，提升森林災(zāi)害的預(yù)防和處理能力，提升林業(yè)現(xiàn)代化的科學(xué)管理水平，該站于2019年與中國鐵塔公司烏蘭察布分公司開展合作，安裝了林火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。依托鐵塔公司現(xiàn)有的鐵塔資源、機(jī)房、電源和網(wǎng)絡(luò)，在鐵塔頂部安裝攝像頭，對于現(xiàn)有條件不能滿足的，新建9 m 角鋼塔，新建防雷接地系統(tǒng)。利用鐵塔公司機(jī)房或就近市電實現(xiàn)24 h 不間斷供電。利用光纜或新增微波設(shè)備回傳圖像，通過平臺分析圖像實現(xiàn)預(yù)警、取證、定位的聯(lián)動。管理站通過監(jiān)控系統(tǒng)與人工巡護(hù)相結(jié)合的方式，加強(qiáng)了對火災(zāi)風(fēng)險的防范，提高科學(xué)護(hù)林能力，實現(xiàn)了全管理站防火監(jiān)控全覆蓋，同時在保護(hù)野生動物方面也起到一定的作用。

5.1 監(jiān)控點實際情況

上高臺管理站在保護(hù)區(qū)現(xiàn)共有監(jiān)控點7 處，其中圣水梁監(jiān)控點、廠汗腦包監(jiān)控點、聚寶莊監(jiān)控點安裝400萬一體化熱成像雙光譜重載高清云臺攝像機(jī)3臺，實現(xiàn)360°全天候監(jiān)控，可同時回傳可見光與紅外圖像，監(jiān)控范圍可達(dá)5～10 km。烏蘭哈達(dá)監(jiān)控點、鹿場監(jiān)控點、青羊圈監(jiān)控點和蜈蚣帶監(jiān)控點安裝4 臺400 萬一體化智能球形云臺攝像機(jī)，實現(xiàn)360°全天候監(jiān)控，可回傳可見光圖像，監(jiān)控范圍可達(dá)3～5 km。所有攝像機(jī)均可實現(xiàn)實時圖像傳輸，遠(yuǎn)程云臺控制，火情預(yù)警，內(nèi)置GPS、北斗衛(wèi)星定位模塊，實現(xiàn)預(yù)警點精準(zhǔn)定位。

視頻監(jiān)控指揮中心設(shè)在管理站，由6×60 寸彩色大屏組成電視墻，兩臺?？捣?wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可輕松實現(xiàn)電視墻實時監(jiān)控、錄像回放、云臺遠(yuǎn)程操控、紅外溫度報警、煙霧報警、報警點GPS 和北斗衛(wèi)星精準(zhǔn)定位、360°圖像實時觀看、監(jiān)控畫面隨意調(diào)整、場景輪巡、事件查看、事件聯(lián)動等各項功能。

5.2 實際案例

案例一：2020 年4 月19 日，林火遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)巨寶莊監(jiān)控點發(fā)出異常煙霧警報，大屏幕顯示在遠(yuǎn)處山頂有濃煙升起，指揮人員通過預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)置的定位系統(tǒng)定位到濃煙升起位置為察右中旗境內(nèi)，立刻通知察右中旗防火辦，同時抽調(diào)人員和車輛、設(shè)備等力量前往支援，在各方的共同努力下，火情很快被撲滅，在火災(zāi)打早、打小方面起到了積極的作用。

案例二：2020 年5 月10 日，紅召鄉(xiāng)新地村村民康某某春耕點茬子，廠漢腦包監(jiān)控點監(jiān)測到煙霧和異常溫度，發(fā)出報警，指揮人員馬上通知管護(hù)區(qū)工作人員，及時趕往制止，點茬子的耕地緊鄰山腳，坡上就是大面積天然林，有效地消除了火情隱患。

案例三：2021 年6 月12 日，監(jiān)控員在視頻巡護(hù)中發(fā)現(xiàn)烏蘭哈達(dá)山上有挖掘機(jī)施工，馬上匯報，指揮人員通知管護(hù)區(qū)工作人員前往制止，有效地防止了非法施工對保護(hù)區(qū)植被的破壞。

6 結(jié)語

大青山保護(hù)區(qū)上高臺管理站在安裝了森林防火遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后，極大地減輕了地面巡護(hù)防火工作人員的壓力，發(fā)現(xiàn)火情預(yù)警及時報警，實現(xiàn)了火情打早、打小，避免了森林火災(zāi)的發(fā)生。

經(jīng)過多年的實際應(yīng)用，智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)確實在森林防火中起到了重要的作用，通過該系統(tǒng)的使用，指揮人員可第一時間掌握火情，不僅為現(xiàn)場防火指揮工作提供了決策依據(jù)，更重要的是為搶險救災(zāi)爭取了寶貴的時間，將火災(zāi)帶來的損失降到最低，保護(hù)了國家的森林資源和人民群眾的生命財產(chǎn)安全。