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(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息所，北京 100029）

可見(jiàn)光林火智能監(jiān)測(cè)與決策支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息所，北京 100029）

通過(guò)對(duì)各種林火監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)的對(duì)比，確認(rèn)林火視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)是近地面林火監(jiān)測(cè)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(kāi)發(fā)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的林火系統(tǒng)為例，詳細(xì)說(shuō)明了可見(jiàn)光林火智能監(jiān)測(cè)與決策支持系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)和功能。

可見(jiàn)光視頻；森林防火；圖像識(shí)別；山西省

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、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(yán)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(cái)產(chǎn)安全。中國(guó)政府高度重視林火應(yīng)急管理和防災(zāi)減災(zāi)工作，加強(qiáng)林火的早期監(jiān)測(cè)與識(shí)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(cè)技術(shù)主要包括地面巡護(hù)、近地面監(jiān)測(cè)、航空巡護(hù)和衛(wèi)星監(jiān)測(cè)4種方法[2]。近年來(lái)，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(jìn)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(shí)已經(jīng)蔓延。

地面巡護(hù)由護(hù)林人員在林內(nèi)進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)火情及時(shí)通知有關(guān)部門展開(kāi)撲救，并可以及時(shí)阻止無(wú)關(guān)人員進(jìn)山，降低人為林火的發(fā)生概率，但這種方法需要花費(fèi)大量的人力和時(shí)間，而且容易存在疏漏。

近地面監(jiān)測(cè)往往采用瞭望臺(tái)和視頻檢測(cè)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(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)分析，對(duì)被監(jiān)控場(chǎng)景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，在異常情況下進(jìn)行報(bào)警。

航空巡護(hù)可以采用載人或無(wú)人的航空護(hù)林飛機(jī)搭載熱紅外相機(jī)來(lái)進(jìn)行，但運(yùn)行保障費(fèi)用昂貴。相比而言，無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)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(shì)，但是火場(chǎng)復(fù)雜的湍流變化與電磁環(huán)境，給無(wú)人機(jī)的操作帶來(lái)很多不確定性。在良好氣象條件下無(wú)人機(jī)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(dá)到全覆蓋，目前來(lái)看無(wú)人機(jī)林區(qū)巡航還存在許多困難。

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)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(lái)監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)，獲取其面積和邊界等信息，是目前林業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家主要采用的監(jiān)測(cè)技術(shù)之一，但由于衛(wèi)星繞地球同一點(diǎn)的周期為90 min，不能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)林火發(fā)生，同時(shí)衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)距離3 000 km以上，需要穿越云層，影響觀測(cè)精度，而且對(duì)于局部森林火災(zāi)調(diào)用國(guó)家戰(zhàn)略衛(wèi)星資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控也是不現(xiàn)實(shí)的。近年來(lái)基于林火視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)的近地面林火監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)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(guò)高清攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了林火的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)控，是近地面林火監(jiān)測(cè)有效途徑。

1 可見(jiàn)光林火智能監(jiān)測(cè)與決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于煙霧是森林火災(zāi)早期最顯著的視覺(jué)現(xiàn)象，林火監(jiān)測(cè)更易觀測(cè)到飄散的煙霧。基于監(jiān)測(cè)煙霧的視頻林火識(shí)別技術(shù)具有研究和應(yīng)用價(jià)值?；跓熿F的視頻林火識(shí)別主要采用可見(jiàn)光攝像機(jī)。但我國(guó)目前開(kāi)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(shí)別系統(tǒng)在實(shí)踐中漏報(bào)與誤報(bào)情況嚴(yán)重，嚴(yán)重制約林火視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備的使用效果。南非EVS公司開(kāi)發(fā)的Forestwatch林火智能監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)態(tài)勢(shì)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(cè)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和判別定位的強(qiáng)大功能，在南非、美國(guó)和加拿大成功運(yùn)行的系統(tǒng)273套，監(jiān)測(cè)森林面積40萬(wàn)hm2。山西省林業(yè)科學(xué)研究院于2015年5月從南非引進(jìn)Forestwatch林火智能監(jiān)測(cè)與決策支持系統(tǒng)一套，安裝于太原市林場(chǎng)石千峰林火監(jiān)測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)。2015年5月至今，該系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)安全穩(wěn)定運(yùn)行18個(gè)月，經(jīng)多次測(cè)試達(dá)到了林火發(fā)現(xiàn)時(shí)間小于5 min，圖像前端處理時(shí)間小于0.1 s，林火識(shí)別率大于95%，林火誤報(bào)率小于5%的試驗(yàn)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(duì)山西省林區(qū)特點(diǎn)，我們對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立了新的林火監(jiān)測(cè)生產(chǎn)平臺(tái)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值[3]。

與目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的林火智能系統(tǒng)最大的技術(shù)不同點(diǎn)是：林火識(shí)別算法和火災(zāi)定位。其主要模塊包括煙霧識(shí)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(shí)別模塊

林火煙霧識(shí)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(dú)特開(kāi)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(gè)系統(tǒng)運(yùn)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(zhǎng)期干旱無(wú)雨的晴朗天氣。在此種天氣條件下，太陽(yáng)光空氣分子顆粒小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)λ/10，散射呈瑞利散射規(guī)律，散射強(qiáng)度同波長(zhǎng)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(jiàn)光波長(zhǎng)λ/10，散射呈米氏散射規(guī)律，散射強(qiáng)度同波長(zhǎng)的2次方成反比。目標(biāo)煙霧與背景光散射強(qiáng)度不同和不同波長(zhǎng)的光對(duì)目標(biāo)煙霧光散射強(qiáng)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(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)道路煙塵、廠房煙霧和特定煙霧進(jìn)行事后標(biāo)記，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器經(jīng)過(guò)記憶學(xué)習(xí)不再重復(fù)預(yù)報(bào)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(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)按照預(yù)設(shè)自動(dòng)掃描程式對(duì)目標(biāo)林區(qū)進(jìn)行全面巡航掃描，掃描圖像不斷輸入輸出圖像處理器，對(duì)異常圖像連續(xù)拍攝四幀，通過(guò)分析每幀煙霧動(dòng)態(tài)變化大小，判斷在監(jiān)控林區(qū)是否發(fā)現(xiàn)異常火情煙霧。若發(fā)現(xiàn)異?；鹎闊熿F，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入事件預(yù)警程式，自動(dòng)記錄下火情事件發(fā)生的時(shí)間、經(jīng)緯度及實(shí)時(shí)監(jiān)控錄像和圖片，并自動(dòng)生成檔案日志儲(chǔ)存在系統(tǒng)目錄文件下，供用戶日后翻查事件過(guò)程記錄，方便調(diào)查火災(zāi)。同時(shí)，系統(tǒng)前端會(huì)將檢測(cè)到的多種信號(hào)，包括火情警報(bào)、防盜警報(bào)及設(shè)備故障警報(bào)等通過(guò)無(wú)線傳輸架構(gòu)，及時(shí)反饋到每一級(jí)后端管理指揮中心平臺(tái)，生成聲光報(bào)警通知用戶。

1.3 定位模塊

定位模塊系統(tǒng)采用了場(chǎng)景與GIS校正補(bǔ)充的定位方法。我們知道攝像機(jī)巡航監(jiān)測(cè)拍照時(shí)，每一張圖片對(duì)映投影一片區(qū)域，假如設(shè)置攝像機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)30°拍照一張，巡航一圈360°就是12個(gè)視場(chǎng)圖片，對(duì)映12個(gè)區(qū)域，借助有經(jīng)驗(yàn)護(hù)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(shí)現(xiàn)利用攝像場(chǎng)景的快速定位。但攝像機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)往往由于設(shè)置常數(shù)變化，造成場(chǎng)景定位不準(zhǔn)確性。服務(wù)器根據(jù)林火監(jiān)測(cè)實(shí)際需要，劃分火災(zāi)監(jiān)測(cè)視場(chǎng)的大小，一般采用巡航一周24個(gè)視場(chǎng)模式。

為了彌補(bǔ)場(chǎng)景定位不準(zhǔn)確性，系統(tǒng)設(shè)置了GIS校正補(bǔ)充定位。系統(tǒng)前端基站會(huì)將監(jiān)測(cè)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集的云臺(tái)方位角、俯仰角及鏡頭焦距等數(shù)據(jù)自動(dòng)返回到GIS信息平臺(tái)。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(kù)精確定位火情的經(jīng)度、維度和海拔與距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的自動(dòng)定位功能。

此外，該模塊提供實(shí)時(shí)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(jìn)行二維和三維切換并觀察監(jiān)測(cè)區(qū)域附近實(shí)際地形，為用戶進(jìn)行林區(qū)巡護(hù)、火災(zāi)時(shí)實(shí)施緊急撲救及災(zāi)害評(píng)估清理提供路線決策依據(jù)。模塊還提供站點(diǎn)設(shè)置模仿仿真功能，一般能在項(xiàng)目開(kāi)展前模擬出最佳的站點(diǎn)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(shí)現(xiàn)用戶接收前端基站信息，檢視林區(qū)現(xiàn)場(chǎng)狀況以及控制系統(tǒng)運(yùn)行的主要功能模塊。后端操作平臺(tái)應(yīng)用多層級(jí)、多權(quán)限統(tǒng)一管理的功能設(shè)計(jì)，通過(guò)登錄界面的用戶認(rèn)證，不同層級(jí)用戶可以得到所分配權(quán)限的項(xiàng)目信息資料。最高權(quán)限用戶平臺(tái)能顯示整個(gè)項(xiàng)目布局下所有前端基站的運(yùn)行狀態(tài)及所監(jiān)測(cè)林區(qū)的信息資料，集中管理項(xiàng)目整體功能及資源，并能維護(hù)升級(jí)系統(tǒng)。在系統(tǒng)探測(cè)到林區(qū)火情時(shí)，系統(tǒng)管理者能及時(shí)通過(guò)操作平臺(tái)執(zhí)行人工控制，介入系統(tǒng)運(yùn)作，調(diào)動(dòng)系統(tǒng)前端清晰觀察火點(diǎn)情況，實(shí)現(xiàn)火情監(jiān)控的最高效率。

2 可見(jiàn)光林火視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由視頻監(jiān)控終端、信號(hào)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(jiàn)光數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（Pelco’s ES40/ES41）、重載數(shù)字云臺(tái)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(jī)對(duì)基站附近數(shù)公里范圍林區(qū)進(jìn)行視頻監(jiān)控圖像采集，采用重型數(shù)字云臺(tái)對(duì)攝像機(jī)和鏡頭實(shí)現(xiàn)360°全方位巡航監(jiān)控，系統(tǒng)能迅速自動(dòng)定位火情的精確位置，實(shí)現(xiàn)火情的智能識(shí)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(hù)罩進(jìn)行保護(hù)，對(duì)智能識(shí)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(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

針對(duì)野外監(jiān)控傳輸鏈路的選擇，信號(hào)傳輸、監(jiān)測(cè)塔站與千兆網(wǎng)交換機(jī)之間使用5.8 G無(wú)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(wú)線網(wǎng)橋，根據(jù)前端基站到中繼點(diǎn)或者監(jiān)控中心的距離遠(yuǎn)近選擇天線。交換機(jī)與服務(wù)器安裝在區(qū)域監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜中。系統(tǒng)可以在監(jiān)控中心內(nèi)通過(guò)GIS軟件系統(tǒng)平臺(tái)完成可見(jiàn)光圖像的進(jìn)一步分析、人員跟蹤報(bào)告以及遠(yuǎn)距離位置的標(biāo)定測(cè)距。同時(shí)可以完成遠(yuǎn)程控制功能，還可以經(jīng)過(guò)局域網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)共享和報(bào)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(wú)市電兩種情況?；靖浇惺须娍梢圆捎秒娎|電力輸送，并根據(jù)實(shí)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(duì)于沒(méi)有市電的地區(qū)，需風(fēng)光互補(bǔ)方式進(jìn)行系統(tǒng)供電。此時(shí)前端基站功耗不應(yīng)超過(guò)120 w，發(fā)電系統(tǒng)需根據(jù)實(shí)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(jī)柜中，也可以與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接，通過(guò)專網(wǎng)進(jìn)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(chǔ)與交換，二是及時(shí)控制與分析。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括無(wú)線接收主機(jī)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，接收由無(wú)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(guò)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(chǔ)，同時(shí)將視頻信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋、視頻傳輸器向各級(jí)監(jiān)控中心和防火指揮部門轉(zhuǎn)發(fā)。

3 系統(tǒng)實(shí)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(kāi)發(fā)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的林火系統(tǒng)為例，系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 可見(jiàn)光林火智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)單臺(tái)終端最遠(yuǎn)能監(jiān)測(cè)5 km處1 m×1 m×1 m煙霧，單終端覆蓋面積超過(guò)78.5 km2。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集視場(chǎng)圖像經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)進(jìn)行3D建模，精度達(dá)3 m范圍內(nèi)。

監(jiān)控終端支持全范圍自動(dòng)掃描，指定范圍自動(dòng)掃描功能；支持火情主動(dòng)報(bào)警功能，包括聲光電和短信報(bào)警。異常數(shù)據(jù)和報(bào)警信息自動(dòng)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)自動(dòng)保存更新3天的森林火災(zāi)事件。實(shí)時(shí)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(shí)別率95%和誤報(bào)率低于5%。解決了目前國(guó)內(nèi)林火煙霧識(shí)別處理系統(tǒng)的誤報(bào)率高、效率低問(wèn)題。

采用了單點(diǎn)數(shù)字地形高程精確定位的基本方法，通過(guò)對(duì)導(dǎo)入地形圖的預(yù)設(shè)置、攝像機(jī)的俯仰、水平角度和焦點(diǎn)預(yù)設(shè)置，攝像視場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了鼠標(biāo)即點(diǎn)即準(zhǔn)確定位。系統(tǒng)通過(guò)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(guò)程中的計(jì)算量，大大提高了計(jì)算機(jī)服務(wù)器的處理效率。

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