盧天漢 周宇飛 李小川

（1.懷集縣林業(yè)局，廣東 肇慶 526400；2.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

森林防火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以保護(hù)森林資源為目的，利用現(xiàn)代科技手段對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)[1-2]。系統(tǒng)具備森林火災(zāi)可視指揮調(diào)度功能，可使各級(jí)應(yīng)急、林業(yè)部門(mén)直觀了解和掌握監(jiān)控區(qū)域的森林火情動(dòng)態(tài)，有效提高森林火災(zāi)管理水平[2-4]。

在懷集縣森林防火實(shí)際工作中，遠(yuǎn)程林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)具備森林防火遠(yuǎn)程監(jiān)控和煙火智能識(shí)別功能，可集成到森林防火監(jiān)控指揮綜合管理平臺(tái)中，形成應(yīng)急指揮、災(zāi)損評(píng)估及日常管理于一體化的林火管控模式，并有利于形成地面、高山、空中三位一體的監(jiān)控體系。系統(tǒng)的建設(shè)符合懷集縣按照“先易后難，穩(wěn)步推進(jìn)”原則建設(shè)林業(yè)云計(jì)算平臺(tái)的目標(biāo)，符合懷集縣全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理、建設(shè)全國(guó)林業(yè)信息化示范縣的要求。通過(guò)懷集縣森林重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)綜合治理三期工程的建設(shè)，遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯著提升了懷集縣森林火災(zāi)預(yù)警預(yù)測(cè)的效果。

1 建設(shè)區(qū)域概況

1.1 森林資源概況

懷集縣位于廣東省西北部東經(jīng)112°10′33″,北緯23°54′40″，地處“兩廣”走廊、三?。ɑ浌鹣妫﹨R聚交界地域。據(jù)2018 年林地年度變更調(diào)查成果[5]顯示，土地總面積3 556.61 km2，林業(yè)用地面積2 723.00 km2，其中：有林地面積2 440.26 km2，疏林地面積0.55 km2，灌木林地面積103.61 km2，未成林造林地面積62.22 km2，苗圃地面積0.02 km2，無(wú)立木林地面積104.81 km2，林業(yè)輔助生產(chǎn)用地面積0.20 km2，森林覆蓋率73.28%。

1.2 森林防火現(xiàn)狀

2014 年至2017 年間，全縣共發(fā)生森林火災(zāi)47 次,其中一般森林火災(zāi)31 次，較大火災(zāi)6 次；過(guò)火總面積187.63 萬(wàn)m2；受害森林面積96.21萬(wàn) m2；損失林木蓄積672.6 m3；損失幼林2.94 萬(wàn)株；無(wú)發(fā)生人員傷亡事故。已查明原因的森林火災(zāi)共43 次，其中由非生產(chǎn)性用火引發(fā)的達(dá)72%，包括民俗活動(dòng)、電線短路、野外吸煙、野炊和小孩玩火等；由生產(chǎn)性火源引發(fā)的達(dá)28%，包括村民燒荒、燒田基草等。

2 系統(tǒng)組成與功能設(shè)計(jì)

林火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)由林火視頻監(jiān)控前端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、后端監(jiān)控中心3 部分組成。

2.1 林火視頻監(jiān)控前端

林火視頻監(jiān)控前端由高清攝像機(jī)、重型數(shù)字云臺(tái)、基站鐵塔、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、電源設(shè)備、防盜報(bào)警設(shè)備及防雷設(shè)備等組成，是實(shí)現(xiàn)林區(qū)監(jiān)控圖像采集的主要設(shè)施。

前端設(shè)備采用智能化煙火識(shí)別的高清攝像機(jī)，并可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)前端的鏡頭和云臺(tái)、防護(hù)罩設(shè)備的控制?？刂苾?nèi)容包括鏡頭變焦及更改可視區(qū)域；控制云臺(tái)上下左右轉(zhuǎn)向，以帶動(dòng)攝像機(jī)對(duì)不同方向的林區(qū)進(jìn)行監(jiān)控；控制云臺(tái)在沒(méi)人看守的情況下自動(dòng)巡航和監(jiān)控；控制設(shè)備防護(hù)罩的雨刷及加熱功能；控制監(jiān)控視頻的啟動(dòng)和暫停；遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)視頻監(jiān)控的亮度、灰度、對(duì)比度及影像分辨率等參數(shù)。前端需保障不間斷供電，具備防盜、防雷等保護(hù)措施。

2.2 傳輸網(wǎng)絡(luò)

傳輸網(wǎng)絡(luò)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)林火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端與后端監(jiān)控中心之間的視頻圖像及其它相關(guān)信號(hào)的傳輸[6]。遠(yuǎn)程視頻前端的監(jiān)控影像、云臺(tái)參數(shù)、以及前后端之間的雙向控制信號(hào)等信息都需要通過(guò)各種通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞[7]。在懷集縣遠(yuǎn)程林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，傳輸網(wǎng)絡(luò)主要采用租用運(yùn)營(yíng)商光纖進(jìn)行。前端系統(tǒng)采集到影像信息進(jìn)行數(shù)字化后通過(guò)光纖匯總到移動(dòng)機(jī)房，然后通過(guò)移動(dòng)機(jī)房的網(wǎng)關(guān)設(shè)備發(fā)送到肇慶市及懷集縣防火指揮中心。在懷集縣遠(yuǎn)程林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，縣級(jí)指揮中心租用的網(wǎng)絡(luò)帶寬為20 Mb/s，縣級(jí)指揮中心與肇慶市級(jí)指揮中心連接的帶寬為100 Mb/ s，均采用光纖專線進(jìn)行視頻影像數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 后端監(jiān)控中心

后端監(jiān)控中心可分為兩級(jí)，即一級(jí)監(jiān)控中心和二級(jí)監(jiān)控中心。一級(jí)監(jiān)控中心是由遠(yuǎn)程視頻聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)、數(shù)據(jù)中心、視頻矩陣等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)指揮中心工作人員對(duì)林區(qū)狀況進(jìn)行日常的集中遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)采集森林防火智能前端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而在指揮中心的監(jiān)測(cè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)分析、報(bào)警、火點(diǎn)定位、資源調(diào)度和撲救指揮等功能；二級(jí)監(jiān)控中心主要組成部分包括管理服務(wù)器、報(bào)警客戶端及相關(guān)軟件，主要作用是對(duì)前端監(jiān)控點(diǎn)的錄像進(jìn)行存儲(chǔ)，并起著向一級(jí)監(jiān)控中心進(jìn)行視頻轉(zhuǎn)發(fā)的聯(lián)接橋梁作用。

圖1 林火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成Fig.1 composition of forest fire remote video monitoring system

表1 懷集縣林火監(jiān)控視頻前端建設(shè)點(diǎn)分布Table1 Distribute of construction sites of front-end monitoring in Huaiji county

監(jiān)控中心系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于強(qiáng)調(diào)對(duì)前端視頻的集中管理和智能控制，包括對(duì)森林火災(zāi)火點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別及警報(bào)的信息流管理，具備遠(yuǎn)程控制前端進(jìn)行抓拍，對(duì)管理的前端視頻影像進(jìn)行錄像和回放，具備視頻切換等功能，做到可以實(shí)時(shí)查看林區(qū)異常事件，并能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)指揮的效果，從而提高處置森林火情以及林區(qū)突發(fā)事件的效率。

3 前端選址與建設(shè)

3.1 前端選址

遠(yuǎn)程林火視頻監(jiān)控前端的選址是決定系統(tǒng)建設(shè)成敗的重要因素，需要綜合考慮各鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）森林資源及火險(xiǎn)分布。由于資金限制，前端建設(shè)目前還難以達(dá)到林火監(jiān)測(cè)的全覆蓋，需要優(yōu)先滿足縣城周邊重要性較高的或經(jīng)常發(fā)生火險(xiǎn)的重點(diǎn)林區(qū)建設(shè)。

本文根據(jù)各鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）森林資源分布及2014 年至2017 年間的森林火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)的分布情況，將懷集縣劃分為三個(gè)級(jí)別火險(xiǎn)區(qū)。一級(jí)火險(xiǎn)區(qū)為縣城周邊重點(diǎn)林區(qū)或經(jīng)常發(fā)生火險(xiǎn)的地區(qū)，包括懷城、中洲、詩(shī)洞、冷坑4 個(gè)鎮(zhèn)；二級(jí)火險(xiǎn)區(qū)為人員活動(dòng)較為密集或較常發(fā)生火險(xiǎn)的地區(qū)，包括大崗、坳仔、連麥、洽水、鳳崗、甘灑、橋頭7 個(gè)鎮(zhèn)；三級(jí)火險(xiǎn)區(qū)為偶爾或未發(fā)生火險(xiǎn)的地區(qū)，包括閘崗、永固、馬寧、崗坪、下帥、藍(lán)鐘、汶朗、梁村等8 個(gè)鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）。按照火險(xiǎn)區(qū)的重要性來(lái)確定設(shè)置林火視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端的數(shù)量。

為確定林火監(jiān)控視頻前端的具體建設(shè)位置，首先查詢近年來(lái)在各鎮(zhèn)（鄉(xiāng)）經(jīng)常發(fā)生火險(xiǎn)的區(qū)域，然后在這些區(qū)域內(nèi)利用數(shù)字高程模型篩選出各個(gè)制高點(diǎn)，最后利用懷集縣先期建設(shè)的森林防火監(jiān)控指揮綜合管理平臺(tái)中的地理信息系統(tǒng)進(jìn)行可視域分析來(lái)確定最終的建設(shè)地點(diǎn)，以便最大限度觀測(cè)森林火災(zāi)多發(fā)區(qū)和易發(fā)區(qū)。

3.2 前端建設(shè)

懷集縣在2017 年1-7 月和2018 年6 月分兩期建設(shè)共36 處前端監(jiān)控點(diǎn)。

電力方面主要采用市電接入，但由于野外電壓不穩(wěn)容易造成監(jiān)控設(shè)備損壞，為形成不間斷供電，選擇風(fēng)光互補(bǔ)備用電源進(jìn)行供電，以保障停電時(shí)林火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控前端可以正常運(yùn)行。

防雷方面主要使用避雷針來(lái)保護(hù)監(jiān)控設(shè)備避免雷擊的裝置，需同時(shí)采用信號(hào)和電源雙路防雷器保證設(shè)備遭受雷擊時(shí)能主動(dòng)切斷信號(hào)及電力傳輸，并使用防雷插排與接地來(lái)減少林火監(jiān)控視頻前端在雷電環(huán)境下被雷擊損壞的概率。

4 后端監(jiān)控中心的建設(shè)與實(shí)現(xiàn)

后端監(jiān)控中心于2017 年建設(shè)完成，并集成到懷集縣的森林防火監(jiān)控指揮綜合管理平臺(tái)中，建設(shè)內(nèi)容包括包括服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、視頻矩陣、視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)等。

服務(wù)器方面，由于林火監(jiān)控的分析功能在設(shè)備前端已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器主要是以集中處理、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)指令等功能為主，因此根據(jù)實(shí)際需求，選用塔式服務(wù)器。塔式服務(wù)器具備內(nèi)部空間相對(duì)寬敞、散熱性能好、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)中心管理和存儲(chǔ)前端發(fā)回的各路視頻數(shù)據(jù)。監(jiān)控錄像數(shù)據(jù)由于是持續(xù)的視頻流數(shù)據(jù)，通常情況下需要較大的存儲(chǔ)空間進(jìn)行存儲(chǔ)，多路監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的并發(fā)實(shí)時(shí)寫(xiě)入更是需要對(duì)存儲(chǔ)空間進(jìn)行有效管理[8]。因此，系統(tǒng)采用了基于網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)模式。在存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行選型時(shí)，需要同時(shí)考慮初期配置容量和后期擴(kuò)容的要求[9]。基于多個(gè)分布式控制器架構(gòu)的IP 存儲(chǔ)設(shè)備可以滿足海量、本地、遠(yuǎn)程等多種應(yīng)用模式。

視頻矩陣采用液晶拼接大屏的方式，通過(guò)高清解碼服務(wù)器將網(wǎng)絡(luò)視頻信號(hào)解碼成模擬信號(hào),然后通過(guò)拼接控制器在電視墻上顯示。視頻矩陣系統(tǒng)將高清晰液晶顯示技術(shù)、多屏幕處理技術(shù)、影像拼接技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等進(jìn)行融合，滿足大屏幕顯示的高分辨率、高亮度、畫(huà)面流暢、智能化控制、操作便利等要求。

視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)方面實(shí)現(xiàn)了林區(qū)森林火災(zāi)的智能識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)控區(qū)域的林區(qū)狀況的實(shí)時(shí)觀測(cè)，林區(qū)的圖像經(jīng)由林火自動(dòng)識(shí)別算法進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，一旦識(shí)別出森林火災(zāi)，則直接出發(fā)報(bào)警功能，同時(shí)還可接收云臺(tái)的實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)，根據(jù)云臺(tái)位置通過(guò)單點(diǎn)定位的方式計(jì)算森林火災(zāi)的具體位置，當(dāng)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)信息，由指揮中心操作人員進(jìn)行確認(rèn)后向森林消防隊(duì)伍發(fā)出火警信息，并及時(shí)進(jìn)行指揮撲救工作。

5 結(jié)語(yǔ)

懷集縣森林防火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)全縣約1 200 km2的林地，監(jiān)控覆蓋率達(dá)到44.1%，一級(jí)火險(xiǎn)區(qū)的監(jiān)控覆蓋率更是達(dá)到了90%。系統(tǒng)投入使用后，懷集縣未發(fā)生過(guò)重特大森林火災(zāi)和人員傷亡事故，森林火災(zāi)的發(fā)生率大幅度降低，森林火災(zāi)受害率從2014 年的0.43‰下降到2017年后的0.01‰以下。系統(tǒng)目前已錄入接警數(shù)據(jù)1 200 多條，其中火情72 次，這些歷史數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)挖掘，可為后續(xù)林火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控前端的選址提供參考依據(jù)。

雖然懷集縣森林防火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)基本建成，但全縣林區(qū)總體監(jiān)控覆蓋率仍然較低，且視頻監(jiān)控存在一定的觀測(cè)盲區(qū)，尤其是二、三級(jí)火險(xiǎn)區(qū)的監(jiān)控覆蓋范圍較低，需要進(jìn)一步加密前端，以達(dá)到林火視頻監(jiān)控的全覆蓋。其它問(wèn)題方面，通信傳輸成本過(guò)高，由于信息傳輸必須通過(guò)租用通信運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)和光纖完成，通信成本占到了運(yùn)行總成本的 40%左右，系統(tǒng)運(yùn)維費(fèi)用較高，亟待解決。此外，縣級(jí)還缺乏具備必要業(yè)務(wù)知識(shí)的管理人員，系統(tǒng)的維護(hù)、保養(yǎng)和管理等技術(shù)難以跟上，需加強(qiáng)信息化專業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)，以便懷集縣森林防火遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)能在森林防火工作中發(fā)揮更好的作用。