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(shí)間內(nèi)能造成巨大損失的特點(diǎn)，所以有效的監(jiān)控探測(cè)是早期發(fā)現(xiàn)起火點(diǎn)，快速調(diào)度指揮和及時(shí)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(shí)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(tái)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(bào)告。人工觀察的弊端是勞動(dòng)強(qiáng)度大，晝夜觀察，同時(shí)還存在時(shí)間間隔，無(wú)法實(shí)現(xiàn)即時(shí)觀察，且火情報(bào)告滯后。近些年來(lái)，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(cè)等系統(tǒng)探測(cè)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(shí)別軟件來(lái)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，但其誤報(bào)率普遍較高；紅外熱成像視頻監(jiān)控依靠測(cè)溫技術(shù)，對(duì)溫度達(dá)到異常情況（一定閥值）則告警[2]。這兩者的監(jiān)測(cè)半徑一般在5 km左右，監(jiān)測(cè)范圍有限，報(bào)警時(shí)間不確定，而且對(duì)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(cè)是依靠反射波來(lái)識(shí)別報(bào)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(cè)半徑范圍也僅在5 km左右[3]。

為了解決監(jiān)測(cè)半徑范圍大、不受環(huán)境影響能夠探測(cè)、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(zhēng)取時(shí)間，改變現(xiàn)行的視頻監(jiān)控方式和技術(shù)手段，充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)及GIS技術(shù)，本文提出實(shí)施超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)是非常有必要的。

1 超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)系統(tǒng)工作原理

超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)系統(tǒng)是基于光譜分析技術(shù)，利用煙霧粒子對(duì)某段光譜的敏感進(jìn)行分析，結(jié)合GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離的煙霧探測(cè)、煙霧報(bào)警和定位[4]。超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)系統(tǒng)利用光譜分析等技術(shù)對(duì)煙霧敏感光譜范圍內(nèi)的圖像像元分成65 400個(gè)單位進(jìn)行逐個(gè)像素對(duì)比分析，系統(tǒng)檢測(cè)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(duì)比度、亮度、動(dòng)態(tài)、識(shí)別特征（蔓延）等參數(shù)進(jìn)行分析[5]。軟件算法會(huì)對(duì)每一個(gè)傳感器單元的值進(jìn)行分析，傳感器會(huì)與宏族每一個(gè)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(duì)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(huì)觸發(fā)分析。所有報(bào)警的信息全部會(huì)被入庫(kù)，而且所有定義的參數(shù)都會(huì)被獨(dú)立分析，同時(shí)進(jìn)行參數(shù)間交互式對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)分析，分析基于單個(gè)宏族像素區(qū)域所獲得的16位原始數(shù)據(jù)。

發(fā)生的報(bào)警數(shù)據(jù)或未產(chǎn)生的報(bào)警數(shù)據(jù)全部會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸（2～4 m帶寬）至指揮中心后臺(tái)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析。

1.1 系統(tǒng)組成

超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)系統(tǒng)由前端探測(cè)器和后端大數(shù)據(jù)檢測(cè)分析軟件組成，而前端探測(cè)器分為廣角鏡頭、數(shù)據(jù)采集傳感器、數(shù)字云臺(tái)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(tái)分析軟件Fig.1 System appearance and background analysis software

1.2 基本檢測(cè)步驟

系統(tǒng)會(huì)按照步驟進(jìn)行一一分析，按逐個(gè)扇區(qū)掃描覆蓋,分析每個(gè)扇區(qū)的圖像像素，探測(cè)到煙霧跡象，設(shè)備即刻報(bào)警，向操作員發(fā)送可視警報(bào)信息并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，向控制室發(fā)送警報(bào)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(shí)別出特定的煙霧信號(hào)，多個(gè)軟件過(guò)濾器均會(huì)調(diào)整到煙霧粒子可能識(shí)別的最佳頻譜帶寬范圍。使用這種方法可以探測(cè)到非常遠(yuǎn)的距離，并能夠分析到傳感器陣列的單個(gè)像素[7-8]。

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

圖2來(lái)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(cè)能力

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

圖3檢測(cè)能力分析Fig.3 Detection ability analysis

2 超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)系統(tǒng)的主要技術(shù)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：1）對(duì)煙霧敏感光譜范圍內(nèi)的圖像像元分成65 400個(gè)單位進(jìn)行逐個(gè)像素對(duì)比分析。2）對(duì)黑白圖像進(jìn)行逐個(gè)像素處理，對(duì)顏色（與煙相關(guān)的灰度范圍）、對(duì)比度、亮度、動(dòng)態(tài)、蔓延等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3）已定義的參數(shù)會(huì)被獨(dú)立分析，超出宏族像素區(qū)域的10%觸發(fā)報(bào)警并進(jìn)行交互式關(guān)聯(lián)分析。4）利用檢測(cè)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(dòng)的白云、汽車、物體，固定的樹木，流動(dòng)的霧等可規(guī)避掉[9-10]。

與紅外熱成像探測(cè)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(shì)在于可實(shí)現(xiàn)最快1 min內(nèi)探測(cè)到煙，最遠(yuǎn)可探測(cè)30 km的距離，單個(gè)監(jiān)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)面積可達(dá)3 000 km2，定位精度小于50 m，實(shí)現(xiàn)了煙霧的早期發(fā)現(xiàn)和報(bào)警。其探測(cè)面積是傳統(tǒng)可見光視頻監(jiān)測(cè)面積的50倍，是熱成像監(jiān)測(cè)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(cè)的范圍和響應(yīng)能力，見表1。

3 超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)

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

1）2017年5月中旬，組織了第一次實(shí)地測(cè)試，地點(diǎn)位于江西南昌市灣里區(qū)702電視臺(tái)附近搭建監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)設(shè)備搭建好后進(jìn)行盲掃巡航檢測(cè)，測(cè)試火堆和燒秸稈的煙堆在3 min內(nèi)被檢測(cè)到并報(bào)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(shí)地測(cè)試，地點(diǎn)位于江西鷹潭市市政府樓頂搭建監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備1套。當(dāng)天上午為晴天，能見度3 km左右。監(jiān)測(cè)設(shè)備搭建好后進(jìn)行盲掃巡航檢測(cè)，測(cè)試煙霧堆在2 min內(nèi)被檢測(cè)到并報(bào)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(bào)警，并且在晚上也發(fā)現(xiàn)一處工廠排煙報(bào)警。

本次測(cè)試邀請(qǐng)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(cè)試和研討論證。與會(huì)專家指出此技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)超遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，并在短時(shí)間內(nèi)報(bào)警，技術(shù)層面上已達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。并提出要在多個(gè)不同環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，加強(qiáng)驗(yàn)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(duì)南昌梅嶺監(jiān)測(cè)，安裝了3套設(shè)備，運(yùn)行以來(lái)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(bào)警信息，信息及時(shí)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(shí)制止了野外用火的行為。

4 超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

本系統(tǒng)不僅具有超遠(yuǎn)距離的探測(cè)能力，還能適用于白天、霧天、甚至夜晚的煙霧探測(cè)，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(cè)應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

超遠(yuǎn)程煙霧探測(cè)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(shí)驗(yàn)室技術(shù)共同開發(fā)的適合中國(guó)市場(chǎng)的森林防火技術(shù)，該技術(shù)能夠在白天、夜晚和霧天實(shí)現(xiàn)火情監(jiān)測(cè)，其煙霧探測(cè)距離可達(dá)40 km，單點(diǎn)監(jiān)測(cè)面積達(dá)到5 000 km2，根據(jù)監(jiān)測(cè)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(shí)用性、新穎性。

針對(duì)此技術(shù)的創(chuàng)新性，還需花大量的時(shí)間和精力來(lái)驗(yàn)證其市場(chǎng)應(yīng)用過(guò)程中反饋的問(wèn)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(shí)準(zhǔn)確地開展森林火災(zāi)撲救，盡可能地降低火災(zāi)帶來(lái)的損失。