開遠市森林防火視頻監(jiān)控建設探析

高發(fā)興 趙 才

（云南省開遠市林業(yè)和草原局，云南 開遠 661699）

開遠市位于E103°4'～103°43'，N23°30'～23°59'之間，全市國土面積194 030 hm2，林業(yè)用地面積99 499 hm2，占國土總面積的48.72%，森林覆蓋率為34.04%[1]。開遠市地處亞熱帶干熱河谷區(qū)，防火期月平均氣溫高達19.8 ℃，風力2.4 m/s，月平均降雨量僅39.4 mm，區(qū)域內氣候干燥，溫高風大，降雨量偏少，火險等級較高，加之林區(qū)地形復雜，林下可燃物載量過大，林農、林牧交錯，生產性用火頻繁，防火基礎設施薄弱，森林防火管控難度較大[2]。為此，開遠市于2021年積極爭取上級森林防火項目投資，啟動了森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)項目建設，共投資559 萬元，建成了13 套視頻監(jiān)控系統(tǒng)。項目建成后取得明顯效果，但也還存在一些問題，本文就存在問題提出了解決措施，以期為優(yōu)化系統(tǒng)提供借鑒。

1 建設思路

1.1 立足全局，統(tǒng)籌規(guī)劃

按照林業(yè)信息化建設“統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一制式、統(tǒng)一平臺、統(tǒng)一管理”等五個統(tǒng)一的原則[3]，開遠市根據紅河州統(tǒng)一規(guī)劃，由州級統(tǒng)一研究開發(fā)建設平臺，統(tǒng)一采購制式設備，建立了業(yè)務融合、資源共享、協(xié)調同步統(tǒng)一平臺，打通了州－市－鄉(xiāng)三級上下統(tǒng)一、有效對接、高效傳遞指揮系統(tǒng)，構建了“可視化、可通話、可調度、可協(xié)同、可指揮”的綜合一體化平臺，形成了一個完善規(guī)范、快速交換、可控高效的信息管理系統(tǒng)。

1.2 立足長遠，設計先進

系統(tǒng)采用了當前最先進的高清可見光視頻、紅外探測、智能煙火識別和地理信息系統(tǒng)技術，對森林進行24 h不間斷自動探測、自動識別、自動報警，實現(xiàn)對森林火災指揮撲救的輔助決策。并將監(jiān)控系統(tǒng)與國家森林防火衛(wèi)星監(jiān)測預警平臺、州級數(shù)字林草平臺、市級森林防火指揮調度平臺、地面監(jiān)控平臺融合。同時，充分考慮林火監(jiān)控的需求和未來技術發(fā)展所帶來的系統(tǒng)擴充需求，采用開放的以數(shù)據驅動的SOA微服務體系架構，預設兼容性和可擴展性，提供二次開發(fā)接口[4]，確保系統(tǒng)在未來較長的年限內充分發(fā)揮功能。

1.3 立足實際，科學布局

首先，重點布局在森林資源較多、火險區(qū)劃重要以及火情頻發(fā)區(qū)域，并加密布設監(jiān)控站點，加強重點火險區(qū)的監(jiān)控。其次，優(yōu)先選擇海拔較高、視野開闊和監(jiān)控盲區(qū)較少的地方建設，并采用識別半徑較大的前端監(jiān)控設備最大覆蓋監(jiān)控面積，在全市境內使用最少的點監(jiān)測最大的林地面積[5]。第三，充分利用現(xiàn)有防火瞭望臺和監(jiān)控點，綜合考慮地形、交通、供電、傳輸、站址資源及經濟效益等因素，著眼長遠，遵循投入成本低、建設時間短、監(jiān)控效果好、維護運行便捷、覆蓋面廣的原則，建設一套建得起、用得起、維護易、用得好的森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1.4 立足實用，便宜操作

系統(tǒng)建設從實際出發(fā)，立足功能實用，在滿足視頻監(jiān)控先進、信息傳遞穩(wěn)定、預警分析可靠、輔助決策有用和指揮調度高效基礎上，選擇性價比更為理想的產品和系統(tǒng)，降低總體投資，力求先進性與經濟性相統(tǒng)一。同時，在確保系統(tǒng)高性能、高質量的基礎上，系統(tǒng)結構和設備選型上采用了方便設計和操作簡便原則，重點關注系統(tǒng)的智能化和自動化，系統(tǒng)及其設備功能一目了然、易學易用、操作簡便，利于森林防火工作者上崗值班、操作復核和指揮處置各種情況和事件。

2 應用情況

2.1 整合平臺，提升應急救援管理水平

視頻監(jiān)控系統(tǒng)與地理信息系統(tǒng)、林火衛(wèi)星遙感信息系統(tǒng)、地面無線對講系統(tǒng)、護林員管理系統(tǒng)、應急指揮調度系統(tǒng)等平臺進行了有機結合，不僅能對國家林火衛(wèi)星監(jiān)控熱點和群眾報警進行快速核實，且能通過系統(tǒng)自動監(jiān)測報警及時消除火災隱患，將火災消滅于萌芽狀態(tài)，形成了多渠道、多部門、多方位、多角度的立體交叉、水平閉合森林防火綜合監(jiān)控指揮體系。2022年，系統(tǒng)建成后，接收的4 個衛(wèi)星熱點和15 個群眾報警均在20 分鐘內得到了核實，系統(tǒng)監(jiān)測到的26 個林區(qū)邊緣燒荒得到了迅速制止和處置，極大提高了森林火災預防處置能力，實現(xiàn)了森林防火應急救援的高效管理。

2.2 自動監(jiān)測，實現(xiàn)資源全天連續(xù)監(jiān)控

視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端設備安裝有可見光和紅外熱成像雙光譜鏡頭，具備煙火識別、紅外熱成像感應、自動報警、火場定位等功能，實現(xiàn)了對森林資源24 h連續(xù)不間斷的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)野外用火和森林火情火災，自動預警。彌補了人工瞭望和地面巡邏中視覺廣度不夠、監(jiān)測面積不廣、巡邏頻次不足等問題，解決了晚間護林員休息造成林火監(jiān)測空白的不足。

2.3 運轉高效，降低森林防火管理成本

系統(tǒng)采用了先進的視頻采集、數(shù)字編解碼、無線傳輸、圖像處理等技術，并與“3S”和計算機應用技術有機結合，全面提升了森林防火預警監(jiān)測、指揮調度現(xiàn)代化管理水平。取代了耗資費力的地面巡護、高山瞭望傳統(tǒng)監(jiān)測方式，減少了瞭望臺、觀測點、管護站及與之配套的道路房屋等基礎設施建設，降低了森林管護人工成本，減輕了護林員管理壓力，提高了指揮調度管護效率。

2.4 科學決策，有效維護森林資源安全

系統(tǒng)每15 min對半徑10 km內的森林進行一次監(jiān)控巡航，對發(fā)現(xiàn)的熱點通過智能煙火識別和熱成像分析進行精確定位，并結合地理信息系統(tǒng)和林草數(shù)據對指揮撲救進行輔助決策，科學制定撲救方案，縮短從發(fā)現(xiàn)火災到撲救火災所需的時間，實現(xiàn)“打早、打小、打了”的目標，有效提高了森林火災撲救能力。2022年，開遠市僅發(fā)生森林火情1 起、接收衛(wèi)星熱點4 個，相比“十三五”期間年均發(fā)生火情8.4 起、衛(wèi)星熱點15.2 個，同比降低了42.3%和25.28%，有效維護森林資源安全[6]。

3 存在問題

3.1 林火識別還有一定誤差

實際應用中，可見光圖像型煙火識別是基于將遠程攝像監(jiān)測到的圖像數(shù)據和火焰煙霧光譜展開相似度對比，但由于算法中針對火焰和煙霧光譜特征的模型較少，晝間紅外監(jiān)測易受反光體干擾影響[7-8]，無法識別一些高亮反光的溫棚、建筑和濃霧。而紅外熱成像識別靠感應溫度成像，如距離太遠會因熱傳遞信號衰減而導致靈敏度降低，3 km半徑外的紅外熱圖像對比度較低，難以區(qū)分林火、燈光和霓虹，容易導致誤判、誤報、漏報。

3.2 無效報警情況時有發(fā)生

由于林火識別誤差以及未對非林區(qū)設置屏蔽，系統(tǒng)每15 min會對探測出的濃霧、高亮反光物體、光伏太陽能板、工廠煙囪和非林區(qū)農事用火等誤報火情連續(xù)報警，警情累加且系統(tǒng)無法自動識別消除，造成警報疲勞，給應急值班人員帶來一定程度的困擾。

3.3 撲救輔助決策仍未實現(xiàn)

目前，系統(tǒng)只實現(xiàn)了火情信息的采集、定位和可視，結合地理信息系統(tǒng)和林草數(shù)據對指揮撲救進行簡單的輔助決策。還不能根據已知氣象信息、地理信息、林草數(shù)據、防火信息對林火的蔓延速度、發(fā)展趨勢、力量配備、安全分析和最佳撲救方式進行分析，提供科學的滅火方案。

3.4 系統(tǒng)功能未能物盡其用

系統(tǒng)可以支持的林長制系統(tǒng)管理、森林火災損失評估、林草有害生物監(jiān)測預警、生物多樣性宣傳教育、野生動植物監(jiān)測保護、林地林木監(jiān)測管理等場景功能還未開發(fā)應用。同時，相關工作人員專業(yè)技能和創(chuàng)新意識不強，對系統(tǒng)功能的綜合應用能力不足，導致系統(tǒng)不能發(fā)揮最大效益。

4 解決措施

4.1 優(yōu)化算法，加強林火識別研究

優(yōu)化林火識別算法，對火焰和煙霧的像素大小、溫度高低、顏色形狀、面積擴散、閃爍頻率等特征使用模糊邏輯分類和建立統(tǒng)計模型，通過RBF神經網絡進行判斷，從靜態(tài)特性到動態(tài)特性逐步進行相似度對比[9-10]，區(qū)分林火與燈光、霓虹、濃霧及高亮反光物體，提高林火識別的可靠性和準確性。并定期對算法進行更新和改進，以適應不同環(huán)境和場景。

4.2 完善系統(tǒng)，設置智能屏蔽功能

提高算法，降低火情誤報率。進行系統(tǒng)優(yōu)化，對同一位置誤報的火情經人工處置后不再連續(xù)報警，自動識別消除已累加的警情。設置智能屏蔽功能，對非林區(qū)區(qū)域和已過標識的誤報熱對象進行屏蔽，最大程度上減少無效報警現(xiàn)象。

4.3 構建模型，實現(xiàn)科學輔助決策

加強對系統(tǒng)的知識檢索、數(shù)據計算、林火蔓延、人機交互、自主學習、撲救推演、決策評價模型的研究開發(fā)，根據采集到的可燃物類型、地形、風速、溫度對林火強度、蔓延方向進行預測，并結合當前的滅火人力、物力和撲救案例采用資源競爭的決策方法進行綜合撲救推演分析，使火災撲救智能決策模塊能夠在有限的滅火資源條件下完成理想的滅火方案決策。

4.4 開發(fā)模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)功能最大化應用

采取“互聯(lián)網+應用”的服務模式[11-12]，根據林草工作需要，開發(fā)林長管理、執(zhí)法宣教、林地管理、動植物監(jiān)測、護林員管理、病蟲害預警等模塊。將各個子系統(tǒng)集成在一個統(tǒng)一協(xié)調的管理平臺上，實現(xiàn)各個子系統(tǒng)之間數(shù)據共享、互相聯(lián)動、互相協(xié)調[13-14],全面提高林草工作的綜合管理水平。同時，加強相關工作人員的管理培訓，提高專業(yè)素質和工作能力，從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能最大化應用。

5 結語

充分利用云計算、物聯(lián)網、大數(shù)據、移動互聯(lián)網等新一代信息技術[15]，統(tǒng)籌規(guī)劃，建立森林防火預警監(jiān)測系統(tǒng)，有效運用人防、物防、技防手段快速發(fā)現(xiàn)火情，實現(xiàn)火情早發(fā)現(xiàn)、早預防、早處置，把火情控制在林區(qū)外或較小范圍內，最大限度降低火災損失和確保森林資源安全是當今森林防火工作普遍采用的科學方法和發(fā)展趨勢。