徐海文 劉沙

摘? 要：文章結(jié)合湖南森林防火工作實(shí)際情況，描述了利用鐵塔視頻建設(shè)湖南省森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)和遵循的原則，提出了通過熱成像、智能圖像AI識別、融合通信、GIS地理信息等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于鐵塔的森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)的過程，設(shè)計的系統(tǒng)對視頻進(jìn)行智能分析，對異常情況做到事前預(yù)警，使森林防火預(yù)警監(jiān)測工作智慧化。

關(guān)鍵詞：森林防火；視頻監(jiān)控；防火智慧化；智能識別；火情煙霧

中圖分類號：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）02-0042-04

Design and Implementation of Hunan Forest Fire Prevention Video Monitoring System Based on Iron Tower

XU Haiwen， LIU Sha

（The Forestry Department of Hunan Province， Changsha? 410004， China）

Abstract： Based on the actual situation of forest fire prevention in Hunan Province， this paper describes the objectives and principles of building a forest fire prevention video monitoring system in Hunan Province by using iron tower video， and puts forward the process of realizing a forest fire prevention video monitoring system based on iron tower through thermal imaging， intelligent image AI recognition， fusion communication， GIS geographic information and other technologies. The designed system performs intelligent analysis on the video， and achieves pre-warning for abnormal conditions， make the forest fire prevention early warning and monitoring work intelligent.

Keywords： forest fire prevention; video monitoring; intelligent fire prevention; intelligent identification; fire smoke

0? 引? 言

近年來，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在湖南省森林防火工作中作用越來越明顯。在湖南省廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)/農(nóng)村，大量分布30～50米高度的通信鐵塔，這些鐵塔具有天然的、不可比擬的掛高優(yōu)勢。塔上交直流供電方式可選，具有完備的供電保障，解決后顧之憂。塔上掛載有移動通信基站，得天獨(dú)厚的無線、有線甚至衛(wèi)星通信條件，機(jī)房內(nèi)現(xiàn)有的光纖資源，是匹配視頻數(shù)據(jù)傳輸最佳方案。

系統(tǒng)以管控湖南省森林防火重點(diǎn)區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)，運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)監(jiān)測手段，合理布局智能監(jiān)控點(diǎn)位，利用現(xiàn)有通信鐵塔的優(yōu)勢資源，可極大程度降低前期建設(shè)及后期維護(hù)成本，在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)省內(nèi)國有林場、自然保護(hù)區(qū)95%以上面積的視頻監(jiān)控全覆蓋。

1? 系統(tǒng)目標(biāo)

《全國森林防火規(guī)劃（2016—2025年）》是我國森林防火工作的頂層設(shè)計規(guī)劃，加強(qiáng)森林火災(zāi)預(yù)防是重要的建設(shè)內(nèi)容之一，加強(qiáng)森林防火視頻監(jiān)測監(jiān)控等防火基礎(chǔ)設(shè)施和裝備建設(shè)，不斷提高森林火災(zāi)防控能力是規(guī)劃的重要要求。湖南山多林廣，森林覆蓋率高，為保護(hù)森林安全，政府部門不斷投入，積極探索新的森林火災(zāi)監(jiān)測監(jiān)管模式，依靠護(hù)林員對森林進(jìn)行巡護(hù)和人工盯防這種傳統(tǒng)模式難以滿足對森林防火監(jiān)測管理工作的要求[1]。

本系統(tǒng)有以下三個具體目標(biāo)：一是組建高精度湖南省森林防火視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對森林火情火災(zāi)行為全范圍、全時段的在線監(jiān)控，確保森林防火重點(diǎn)管控區(qū)域的全面覆蓋監(jiān)管。二是利用智能森林煙火算法，對森林中產(chǎn)生的煙和火實(shí)現(xiàn)智能化的分析識別、自動告警、森林火情并保存監(jiān)管證據(jù)。三是森林火情火災(zāi)的溯源。通過對森林防火工作中的火源火情火災(zāi)處理全流程記錄，層層壓實(shí)責(zé)任、推進(jìn)聯(lián)防聯(lián)控、推進(jìn)森林防火督導(dǎo)考核，不斷提高森林防火工作責(zé)任主體的執(zhí)行力。

2? 設(shè)計原則

2.1? 穩(wěn)定性和安全性

系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)符合森林防火工作和信息化相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范對安全性和穩(wěn)定性的相關(guān)要求，功能和性能完善可靠、運(yùn)行須安全穩(wěn)定。

2.2? 適用性與先進(jìn)性

系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)與用戶需求適應(yīng)，功能要適用，然后全面考慮森林防火工作今后的發(fā)展趨勢和新興技術(shù)發(fā)展，以應(yīng)對未來森林防火視頻監(jiān)測應(yīng)用與技術(shù)提升的需求。

2.3? 共享性和擴(kuò)展性

系統(tǒng)在設(shè)備和技術(shù)選型時充分考慮到森林防火視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)和其他共享擴(kuò)展工作，方便建成后的升級擴(kuò)容更新，條件允許時能順利拓展。

3? 系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

3.1? 系統(tǒng)簡述

湖南省山多林廣，森林覆蓋率為59.97%，森林火災(zāi)成災(zāi)因子多、森林火災(zāi)風(fēng)險大，傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測一般依靠護(hù)林員對森林進(jìn)行巡護(hù)，或者在關(guān)鍵地點(diǎn)設(shè)置監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測，但仍需要人工盯防。

不論是護(hù)林員實(shí)地巡護(hù)還是傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控技術(shù)，對人的依賴都很大。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上，增加智能圖像（主要是煙和火）識別技術(shù)并融合其他高新技術(shù)，通過在鐵塔頂端安裝雙光譜熱成像云臺攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對森林防火區(qū)實(shí)時不間斷監(jiān)測，形成預(yù)警之后能取證，取證之后可處理的一體聯(lián)動機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、跨空間大范圍監(jiān)控、火情智能預(yù)警、火場極速定位、執(zhí)法取證等[2]。監(jiān)控中心統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，可以裝入不同品牌的攝像頭。使用了自主生產(chǎn)的數(shù)據(jù)庫，提升性能的同時為數(shù)據(jù)安全保駕護(hù)航。

在通信鐵塔上部署安裝雙光譜熱成像攝像機(jī)，通過智能視頻監(jiān)控和智能視頻云，在森林防火工作重點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)多角度、全天候的巡航式監(jiān)控有效覆蓋。湖南森林面積129 957平方千米，以3千米監(jiān)控半徑為主，部分區(qū)域6千米半徑為輔，按每個站址平均監(jiān)控面積約28平方千米分別計算，總體規(guī)劃點(diǎn)位4 500個，據(jù)初步估算，可覆蓋95%以上森林區(qū)域。視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能過去和現(xiàn)在對比如表1所示。

3.2? 整體設(shè)計

全省總體規(guī)劃建設(shè)熱成像雙光譜3千米中載云臺和6千米重載云臺攝像機(jī)共4 500個，實(shí)現(xiàn)全省重點(diǎn)林業(yè)資源的全時段巡航式監(jiān)控。湖南省森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)全局設(shè)計如圖1所示。

森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用省、市、縣三級架構(gòu)；存儲放在市級平臺。省級平臺管理和調(diào)閱各市的視頻資源、告警信息、存儲的重要視頻。市級平臺管理本市的前端攝像機(jī)，存儲所有監(jiān)控和視頻資源，查看處置告警信息?？h級平臺查看本縣視頻和處置本縣告警。

通過在通信鐵塔上新建高位視頻監(jiān)控，整合已有/新建低位視頻監(jiān)控，配合物聯(lián)網(wǎng)傳感器，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域智能感知，所有監(jiān)控、監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，通過人工智能平臺進(jìn)行分析，自動派單至網(wǎng)格員處理，形成信息監(jiān)控閉環(huán)管理，提升林業(yè)管理的智慧化水平[3]。

3.3? 智能化視頻監(jiān)控

總體規(guī)劃建設(shè)跨省級、市級和縣級三級行政區(qū)劃的平臺。其中省級監(jiān)控平臺1套，包含智能視頻云、監(jiān)控大屏、操作臺、交換機(jī)、防火墻以及管理、流媒體等各類服務(wù)器；市級監(jiān)控平臺14套，包含智能視頻云、監(jiān)控大屏、操作臺、交換機(jī)、存儲以及管理、流媒體等各類服務(wù)器；區(qū)縣級監(jiān)控平臺122套，包含智能視頻云、監(jiān)控大屏、操作臺、交換機(jī)等。

3.3.1? 火情煙霧自動報警

設(shè)備嵌入DSP溫度分析火點(diǎn)探測自動報警模塊，自動探測環(huán)境熱源同時可以喚醒周邊其他設(shè)備。專為森林火災(zāi)設(shè)計的熱成像分析算法，可以監(jiān)測6千米以內(nèi)2米×2米森林火源或8千米處5米×5米的煙霧源，能過濾車輛等短暫存在的熱源和因日照導(dǎo)致的石層和土層 熱干擾。

3.3.2? 火情調(diào)度指揮

中心平臺接收到設(shè)備提交的報警信息，會自動搜索整理，并在調(diào)度指揮系統(tǒng)上展示附近蓄水池、瞭望塔和撲救隊(duì)伍等信息，根據(jù)火場、森林防火設(shè)施和氣象等實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)度。

3.3.3? 火點(diǎn)智能定位

視頻監(jiān)控系統(tǒng)探測到熱點(diǎn)或接收到報警后，根據(jù)算法計算出火點(diǎn)的具體位置并在地圖上確定火場的準(zhǔn)確位置。

3.3.4? 報警信息分析

系統(tǒng)可以統(tǒng)計森林火災(zāi)報警信息并進(jìn)行智能分析，分析的火情信息結(jié)果以用戶設(shè)定的效果展示，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)展示界面將森林火情報警信息等展現(xiàn)。

3.3.5? 視頻質(zhì)量核檢

系統(tǒng)能夠?qū)K端采集設(shè)備傳輸?shù)囊曨l等數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量診斷核查，對本身的故障等進(jìn)行診斷。

3.3.6? 前端防結(jié)霧

秋冬時節(jié)，天氣多霧，正好是防火期，容易發(fā)生森林火災(zāi)，防霧功能能保證圖像的清晰，

3.3.7? 透霧監(jiān)控功能

林區(qū)可能存在多霧天氣，系統(tǒng)具有對森林防火視頻穿透霧氣技術(shù)，即便在森林中霧氣環(huán)繞的情景下仍獲得穿透霧氣的視頻圖像。

3.3.8? 報警閾值梯度設(shè)置

紅外熱成像的數(shù)據(jù)值跟傳輸距離成正比，如果需要對6千米半徑內(nèi)煙、火點(diǎn)位信息精準(zhǔn)探測，可在設(shè)備內(nèi)設(shè)置8個梯度，探測器根據(jù)梯度設(shè)置，智能設(shè)定適宜的熱點(diǎn)報警閾值，確?；瘘c(diǎn)自動報警的準(zhǔn)確性。

3.4? 智能視頻云

3.4.1? 智能化視頻分析

系統(tǒng)在鐵塔頂端安裝雙光譜熱成像攝像頭，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻流，確保24小時實(shí)時監(jiān)測林區(qū)[4]，借助告警、取證、處理的一體化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存、跨空間森林大范圍監(jiān)控、火情智能預(yù)警、森林火點(diǎn)極速定位和執(zhí)法取證等。

智能視頻云可以根據(jù)森林防火實(shí)際需要同時裝入多種不通過類型的終端視頻設(shè)備并同步進(jìn)行智能化分析和信息收集[5]。

3.4.2? 森林火情視頻識別（算法識別）

系統(tǒng)通過智能森林煙火算法對捕捉到的火或煙進(jìn)行定位，工作人員獲取定位位置信息，告知一線護(hù)林員到火或煙位置進(jìn)行初步處置。

3.4.3? 煙火監(jiān)測模型設(shè)計

根據(jù)HOG和LBP特征，再通過VGG16分析所獲得的深度特征進(jìn)行煙火監(jiān)測，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

其中input1和input2分別是HOG特征和IBP直方圖特征，而input3則是VGG16深度特征，將它們壓縮后進(jìn)行融合，再在全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分類，智能識別煙霧分類實(shí)例如圖3所示。

3.4.4? 實(shí)時視頻查看

實(shí)時查看系統(tǒng)的各種監(jiān)控視頻。

3.4.5? 電子地圖

支持多GIS電子地圖，實(shí)現(xiàn)告警在地圖上呈現(xiàn)及實(shí)時監(jiān)控。

當(dāng)報警發(fā)生時，系統(tǒng)能自動獲取報警設(shè)備的默認(rèn)預(yù)案，電子地圖跳轉(zhuǎn)到設(shè)備所在地圖并閃爍提示、同時顯示聯(lián)動的視頻監(jiān)控畫面和其他相關(guān)動作。

操作人員可進(jìn)行與處理，對報警進(jìn)行處理或報警上傳操作。如果報警信息未在規(guī)定的時間段內(nèi)進(jìn)行處理，則自動上傳到上級報警客戶端，保障了報警處理的及時性。

3.4.6? 錄像回放

可通過設(shè)置各種條件快速檢索需要回放的視頻，具有按時間線展現(xiàn)播放功能。

通過對時間線上兩個時間點(diǎn)的打點(diǎn)操作，實(shí)現(xiàn)對該時間段視頻錄像的下載功能，具有時間選擇靈活、操作方便的特點(diǎn)。

3.4.7? 報警處理

（1）當(dāng)系統(tǒng)接收到報警信息（來自視頻分析后的報警信息、手機(jī)APP或者PC客戶端發(fā)出的報警信息），根據(jù)報警類型（林木焚燒、垃圾焚燒等），PC客戶端軟件或者手機(jī)APP能判斷上報報警的攝像機(jī)信息并顯示當(dāng)前觀看的監(jiān)控點(diǎn)位信息，并在電子地圖上直觀顯示。

（2）同步把該報警信息推送推送至管理員手機(jī)。確認(rèn)警情后，將該信息發(fā)送給巡護(hù)人員的手機(jī)APP，便于現(xiàn)場追蹤處理。

（3）網(wǎng)格管理人員處理完工單后，將該報警信息置于“已完成”狀態(tài)。

（4）管理員通過計算機(jī)或者手機(jī)APP軟件來查看工單的執(zhí)行情況，“進(jìn)行中”或者“已完成”，已確保報警處理流程的閉環(huán)。

系統(tǒng)報警處置流程如圖4所示。

3.4.8? 報警日志

日志查詢功能包括報警日志查詢、報警日志統(tǒng)計，系統(tǒng)告警信息較多且要進(jìn)行統(tǒng)計，設(shè)計按照區(qū)域和時間段進(jìn)行查詢和統(tǒng)計，可設(shè)置類型、時間、是否已處理、處理人等查詢條件對單個或多個攝像機(jī)進(jìn)行分級查詢、按區(qū)域等設(shè)置條件統(tǒng)計。

3.5? 手機(jī)APP

3.5.1? 實(shí)時視頻監(jiān)控

通過手機(jī)APP可以直接查看前端攝像機(jī)的實(shí)時視頻圖像 并對視頻云臺進(jìn)行控制。

3.5.2? 電子地圖

當(dāng)報警推送時，可以通過手機(jī)APP的電子地圖功能，查看報警點(diǎn)的地理位置信息和報警發(fā)生點(diǎn)的實(shí)時視頻圖像。在APP內(nèi)可以查看報警點(diǎn)的實(shí)時視頻畫面，自動調(diào)用導(dǎo)航軟件等地圖應(yīng)用，然后跳轉(zhuǎn)到導(dǎo)航頁面，便于處理人員前往現(xiàn)場應(yīng)急處理。

3.5.3? 實(shí)時視頻異常報警

APP可以展示所有攝像機(jī)列表，實(shí)時查看監(jiān)控視頻，需要報警時，可一鍵報警。

3.5.4? 報警消息追蹤

在管理人員APP中，點(diǎn)擊“報警消息”即可查看當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)生成的報警信息，包括“待處理”和“已處理”的信息。

4? 結(jié)? 論

湖南省有鐵塔通信站址近9萬個，覆蓋全省各個區(qū)域，網(wǎng)格顆粒度小，鐵塔高度以30～50 m為主，為系統(tǒng)快速、低成本、高質(zhì)量部署提供便利條件，湖南省林業(yè)森林防火工作應(yīng)充分利用這種優(yōu)勢。利用鐵塔視頻建設(shè)湖南省統(tǒng)一的森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間信息共享和交互，能有效推進(jìn)湖南森林防火的智慧管理、智慧服務(wù)。

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作者簡介：徐海文（1980—），男，漢族，湖南汨羅人，高級工程師，碩士，研究方向：政府部門信息化；劉沙（1974—），男，漢族，湖南岳陽人，工程師，本科，研究方向：森林防火。

收稿日期：2022-08-05