森林防火智能高清视频监控技术的新特点

张晓贵

( 福建亚太工程有限公司 ）

1 引言

福建的北部森林区属于国家著名的自然保护区和游览胜地。随着国家实施以生态建设为主的林业发展战略，以及造林步伐的加快和森林覆盖率的提高，林下可燃物大量积累。加之全球气候异常，景区的人为活动频繁，火源管理极为困难。森林防火工作任务更加艰巨。鉴于过去森林防火基础设施较差，装备现代化水平低，专业扑火队伍建设滞后等因素影响，现阶段的森林预防和控制火灾的能力还比较低，远不能满足和适应新时期防火工作的需要，必须采取先进的科学技术手段来建立“发现早、行动快、灭在小”，以控制火灾蔓延，加强火险预警为目标的技术防范系统。

2 森林防火智能高清视频监控系统的部署

森林防火智能高清视频监控系统以数字化、网络化高清视频监控为基础，与一般的网络化视频监控相比，它是一种更高端的视频监控化的应用。该系统能够实现无人值守不间断工作，自动对视频图像信息进行智能分析判断；及时发现监控区域内的异常烟雾和火灾苗头，以最快、最佳的方式进行告警和提供有用信息；有效协助消防人员处理火灾危机，并最大限度地降低误报和漏报；同时还可查看现场实时图像，根据直观的画面直接指挥调度救火。

3 森林防火智能高清视频监控系统基本功能

1）直观、真实、有效而被广泛应用在森林火灾发生前及时发现火情，从而起到预防火灾的目地。

2）在森林发生火灾时将现场的图像传回指挥中心，指挥中心通过监视前端摄像机图像指挥调度救火，最大限度地减小火灾造成的损失。

3）智能高清视频监控能真实记录火灾发生前、救火过程中、以及救火以后现场的真实情况从而对火灾进行处理，提供有效真实的资料。

4）在林区消防瞭望塔制高点架设红外低照度全天候摄像机各1台，覆盖半径2km，观测方圆10km2森林火情。对初发火情，做到及时发现、及时救护，使火灾隐患消亡在萌芽状态。

5）从瞭望塔至林区管理指挥中心通过微波传输，微波覆盖的地方就可以把前端图像传输至监控管理中心。森林防火消防中心可对火情及现场情况进行实时观察，以便及时了解现场情况协调调度指挥。

6）林区监控管理指挥中心通过微波传输对前端设备（高清摄像机的镜头）进行长焦、短焦控制；对云台进行上下、左右控制。

7）监控中心对含前端设备的基站控制设备进行远程控制和监视，对于基站设备遭到不明原因的破坏自动发出报警声，同时利用无线网络或其他通信方式将该讯息传播到监控中心值班人面前或者发往有关人员的手机短信里。

4 森林防火智能高清视频监控系统基本架构和特点

森林防火智能视频监控系统主要由前端设备、网络传输、监控中心、供电接地防雷系统组成。

4.1 前端设备

前端设备主要为高精度、高清数字云台摄像机，并搭载各类超长距离高清透雾镜头（20～100倍变焦能力），野外大型护罩、重型数字精密云台、智能烟火识别处理器以及防雷接地系统，可靠的供电系统、无线传输前端设备（微波）、基站控制设备等。

（1）高清透雾摄像机与高清透雾镜头

作为一种视频图像传感器（720P/1080P），用于采集监控现场的视频图像信息，然后传送到智能烟火识别处理器。具有高清晰、低照度的彩色相机。为便于提高夜间观察能力，设置选用星光级低照度摄像机及远红外摄像机。通常一个CCD摄像机要兼顾十几平方千米范围的区域。设备采用高清光学透雾技术，真实还原的清晰图像可达到720P的像素水平。根据森林防火监控范围的不同，选用不同焦距的高清长焦电动变倍镜头，以满足大范围大视野监控的需要。一般情况下，3km的监控范围选用10～300mm的长焦镜头，5km的监控范围选用16～500mm的长焦镜头，8km的监控范围选用20～700mm的长焦镜头。采用的高清晰透雾镜头与高性能日夜两用高清透雾摄像机配套使用，即使在雾气、灰尘、烟雾、小雨等可见光(彩色图像)环境中，也可拍摄到非常清晰、高对比度的影像，提升远距离观察效果。

（2）智能烟火识别处理器

它是森林防火智能监测系统最核心和最重要的功能设备。

摄像机采集到的视频图像未经压缩直接交由智能烟火识别处理器数字化后，通过对烟、火的颜色、形状、轮廓、纹理以及光谱特征、空间几何特征等多种因素的智能分析、判断，一旦发现疑似烟火，智能处理器自动识别并向后端监控中心发送报警信号。由于没有对监测的图像进行压缩，智能处理器能识别的烟火有效面积低至10×10像素，所以能够实现无漏报，误报率低的报警优点。为了进一步减少误报率，智能处理器能够在第一次发现疑似烟火后，通过控制信号自动推进长焦镜头将视频监控图像进一步放大，进行第二次识别和确认。智能图像处理器是智能视频烟火监控系统的核心，采用智能分析模块。该模块由微处理器、存储器以及其他外设等组成图像处理单元。智能模块除上述分析判断功能外还提供远程参数设置功能，用户可以根据应用场合对检测参数（如最小检测范围、检测区域、告警级别）进行远程设置，方便灵活。考虑到野外环境，已将智能烟火识别处理器集成到基站控制设备内。

（3）野外大型防护罩

由于森林防火智能监控系统前端基站在野外，需要采用野外大型防护罩来保护摄像机和高清长焦镜头，将摄像机和长焦镜头安装在防护罩内是现实智能监控全天候24h工作的重要保障，面对野外恶劣的气候条件，大型防护罩需有防火、防雨、防风、防潮、温控、防腐性能的要求。

（4）高精密度重型数字云台

前端基站一般都位于林区较高的位置，风力较大，极易导致基站上的摄像机发生晃动从而引起监控图像抖动。为了满足野外林区监控的需要，采用高精密度重型数字云台安装摄像机和长焦镜头以防止晃动，同时基于森林防火的智能监控范围较大，需要高精密度重型数字云台实现0°～360°的全方位角以及－45°～＋45°俯仰角度的大范围监控，才能满足监控要求。森林防火智能监控系统配置的长焦镜头能够监控到数千米的范围。较远的监视距离对高精密度重型数字云台的运转精度要求也非常高，越小的运转精度在远距离监控时才能够实现监控画面的平滑过渡，不会造成远端林区监视范围画面不连续的情况。作为智能化的森林防火监控系统，其高清重型数字云台必须具备自动巡检和手动巡检功能。日常运转的情况下，通过系统管理员设定高清重型数字云台预置位后，由系统控制云台进行全天候24h自动巡检，当出现可疑情况时，可由管理员手动控制云台到达需要的监看位置，对于远距离大范围的森林防火监控，其高精密度重型数字云台的预置位越多越好。更多的预置位是实现远距离大范围全面监控的重要保证。为了实现森林防火智能监控系统的火点自动定位，需要采用的高精密度的重型数字云台具有定位功能，配合后端GIS平台软件实现火点自动定位。

（5）基站控制设备

基站控制设备应具有：

（1）采用一体化集成电路设计，确保系统长时间稳定可靠运行。

（2）设备功能：视频处理、远程控制、数据交换、通讯协议转换、电源逆变、智能温控、数字功放、数字报警功能等。

（3）接口：2路视频输入/1路输出接口，控制接口（可远程控制云台、摄像机），RJ45网络接口，数字报警接口（可接红外双鉴探测器），功放（50W）接口（可接报警喇叭、拾音器），电源接口（220V输入，12V/24V输出）。

（4）外观：全铝合金结构机身，机身表面全部采用散热鳍片，具有良好防腐、密闭和散热性能。

（5）防护性能：具有防火、防雨、防风、防潮、防腐性能。

孩子不在身边，所幸老人还有个学生，跟进跟出地伺候他。许多人都说：“看这年轻人，放着自己的正事不干，成天陪着老头子，好像很孝顺的样子。谁不知道，他是为了老头子的钱。”

（6）外形尺寸：500mm×350mm×200mm。

（7）防护等级：IP66。

（8）工作温度：-20℃～+60℃。

（9）户外监控设备的智能温控防护箱，以保证设备能够在野外全年全天候正常工作。

4.2 网络传输

系统传输部分是连接前端设备与中心控制系统的中间通信部分。传输方式有：无线传输如卫星通信方式、GPRS/CDMA1X通信方式、无线扩频数字实时图像传输方式、远程微波图像传输方式；有线传输包括光纤、DDN专线、专用同轴电缆、公众电话网(ADSL),以及常用计算机网络线路。针对应用场合的不同以及成本预算的考虑，可以选择上述中比较适宜的传输方式。本项目中采用5.8G的无线微波传输网络，该网络主要包括：5.8G无线网桥、增益天线、馈线、POE供电模块、同轴避雷器或防浪涌保护器等构成。

（1）5.8G无线网桥：根据森林防火智能监控视频所需的传输带宽，无线网桥有：27M、54M、108M、150M、300M可选，对于单路监控视频，采用D1格式，建议采用27M或54M的无线网桥就可以满足要求，采用高清格式；距离较近时可以采用54M无线网桥，较远时建议采用108M或150M无线网桥，对于超过30km传输距离的无线网桥，无论传输带宽大小，建议优先考虑知名品牌。

（2）增益天线：根据传输距离而定，一般情况下，在可视距离3km内建议采用内置天线即可满足要求，10km以内建议采用30dBi栅状抛物面定向天线（φ0.8或φ0.9），超过10km建议采用33dBi碟状抛物面定向天线（φ1.0或φ1.2）。

（3）Poe供电适配器：采用Poe供电适配器通过网线为无线网桥供电。

（4）同轴避雷器：保护无线网桥，避免增益天线通过馈线将感应雷引入到无线网桥。

森林防火智能监测系统的无线传输系统不仅需要考虑设备选型情况，对于涉及到较多的无线传输点时，传输网络的路由情况也是非常重要的，在可视的情况下，优先采用已有的监控基站铁塔实现无线网络的传输和中继可以节省较多费用。

对于必须单独采用中继站点的基站，建议采用独管塔和配置较小功率的发电系统即可满足要求，因为单独的无线网络中继站点设备较少，功耗非常低、而且比自重也非常轻，配置独管塔和小功率发电系统就可以实现中继站点的要求。

（5）传输网络路由的配置

坳头村、北东坑、瞭望台、桥头山顶站点路由情况如下：

坳头村站点到瞭望台站点之间的可视直线距离约2km ，北东坑站点与瞭望台直接的直线可视距离约3km，瞭望台有运营商网络接入，所以在坳头村和北东坑站点分别采用无线网桥将信号传输到瞭望台。瞭望台到桥头山顶之间的可视直线距离约3km，将坳头村、北东坑、瞭望台3个防火监控点网络信号整合后传输到桥头山顶站点，然后传输到三港科技楼分控中心，最后采用营运商专线将三港科技楼汇聚的4路防火监控网络信号传输到保护区管理局。路由拓扑结构如图1所示。

图1 路由拓扑结构

本项目5.8G/150M无线网络系统，采用720P高清编码格式传输，链路波段采用5.8G段数字微波，具有较强的抗干扰性能，图像完全实时且清晰稳定。传输距离根据实际情况可以为0.1～50km。通过视频编码器和无线网桥系统实现远距离传输实时高清晰度视频图像，图像载频高，抗干扰性强，传输距离远，符合监控标准的视频语音传输标准，能够为用户提供高质量的图像效果。

由于本项目采用了高清防火监控系统，而且在瞭望台和桥头山顶需要承载中继功能，对无线网桥的传输带宽要求较高，根据实际情况在4个防火监控点配置具有较高传输率的无线网桥：5.8G 150M无线网桥。无线网桥需要根据传输距离的不同，配置不同的天线，根据武夷山保护区4个防火监控点的传输距离的实际情况无线网桥天线具体配置如下：

① 桥头山顶距离三港科技路传输距离不超过1km，所以采用：无线网桥集成的23dB定向天线即可满足要求；

② 坳头村后山山顶到瞭望台的传输距离大约在2km左右，所以采用：29dBi碟状抛物面定向天线即可满足要求；

③ 大坡北东坑到瞭望台以及瞭望台到桥头山顶传输距离超过3km，所以采用：32dBi碟状抛物面定向天线即可满足要求。

4.3 监控中心

监控中心由监控中心服务器、显示终端、软件平台构成，可实现前端视频的浏览、控制，告警显示、告警处理、设备自检、相关系统联动等功能。软件平台具有森林防火系统管理的功能（GPS定位、GIS地理信息、防火预案、前端设备管理和控制、系统认证、视频流媒体分发、指挥与调度等）。

智能预警监控管理平台：智能预警监控管理平台是对前端基站监控视频图像进行实时监控、保存处理，以及控制和管理前端基站设备的重要核心系统，通过配合前端智能烟火识别处理器在发现疑似烟火后实现后端监控管理中心自动报警功能，在配置短信报警主机后，可以通过系统自动向相关工作人员发送报警短信等。由于监控管理平台系统支持联网功能，所以系统具有可以与上、下级单位的系统联网的功能，实现统一的智能预警监控管理平台。智能预警监控管理平台主要包括：联网监控管理软件、服务器以及其他功能附件等。

软件平台由联网监控管理系统软件、辅助决策及应急指挥系统软件以及其他控制软件等组成。联网烟火预警监控管理平台是一套视频监控的解决方案，系统包含：管理服务模块、代理服务模块、流媒体服务模块、Web服务模块、电视墙服务模块、客户端软件、远程控制模块等。

系统设计采用基于视频分析技术的烟火智能预警技术，前端智能监测点宜设计防盗报警装置，当林区出现疑似火情或防盗警情，系统在第一时间作出响应并报警，报警发生时，将当前浏览窗口自动切换成报警画面。支持报警信息的接收，同时具备声音、图像、文字的提示，并随机生成报警日志，有报警自动恢复功能；报警类别，可能包括为情报警方、防盗报警、设备故障以及其他类型的报警信息等；当发生报警时，在有GIS系统支持下，可自动在屏幕地图上提示报警位置及类型。报警信息应该和录像数据相结合， 可由报警信息检索回放相应的图像录像。

计算机网络系统：计算机网络系统是构建控制中心数据、视频、控制信号的计算处理及传输的重要系统，是构建远程联网监控系统、远程视频会议系统、森林防火办公等重要的基础设施，根据主控中心和分控中心防火监控设备和功能要求的不同，森林防火安全的实时保护区管理局防火指挥中心是本次项目森林防火智能监控系统的总控中心，整个保护区未来规划部署的20多个智能防火监控点，不仅需要将防火视频监控图像传输到保护区管理局防火办指挥控制中心电视墙大屏进行轮询显示，还需要对部署了智能防火监控点的保护站分控中心以及前端20多个智能防火监控点与总控中心实施统一联网，统一管理的要求。前端任何一个防火监控点出现应急火灾时，总控中心和发生应急火灾所在的保护站分控中心能够同时报警，同时对现场视频图像进行实时录像以及对重点防火区域实施防火监控视频进存储，由于前端智能防火监控点未来规划达到20多个点，目前只需建设4个防火监控点，所以应保证新建的计算机网络系统既能满足现有要求，同时未来扩展时，现有的设备均能得到充分利用。

防火指挥中心在建立森林防火智能监控系统的基础上，还需要采用地理信息（GIS）和智能林火监控视频监控系统等信息技术，结合林业防火专业知识与经验，建立林业防火指挥系统，实现各级林业防火办信息的快速流通、森林防火安全的实时管理、森林气候动态变化的实时监控和数据更新、林业火灾预防与扑救指挥等多方面功能，实现林业防火工作业务的数字化、网络化、可视化和自动化，实现信息的规范管理和共享利用的森林防火指挥决策系统，由于该系统需要运行大量的GIS地理信息图库等数据，所以需要采用高性能的图形工作站以满足森林防火指挥决策系统的要求。

森林防火指挥决策系统功能架构如图2所示。

图2 森林防火指挥决策系统功能架构

森林防火指挥决策系统是一个可以实现林区视频的自动监控、烟火准确识别、火点精确定位、火情蔓延趋势推演、扑救指挥辅助决策、灾后评估等功能的综合性应用系统。由于系统的功能强大，涵盖面广，在进行软件功能设计时，充分考虑了用户的业务逻辑和软件操作的习惯，按照分层设计的思想，将整个系统功能划分为表现层（客户端）、服务层(后台服务器)。其中后台服务器是客户端与森林烟火智能预警系统。

连接的桥梁，它主要提供与森林烟火智能预警系统中管理服务器进行连接的功能，实现系统客户端和HVMP系统的烟火预警信息的交互。客户端是整个用户进行应用操作的界面，主要为用户提供二维地图基本操作、二维地图查询、三维地图操作、三维地图查询、地图资源、数据查询、设备管理、森林防火管理、综合管理、配置管理等功能。

4.4 供电接地防雷系统

本项目全套系统设备均搭建在福建的北部山区。根据国家气象颁布的年平均落雷次数统计，该区一直处在“高雷区”水平。所搭建的系统设备均为电子设备，极易受到雷电的直接攻击，同时各前端基站处于供电末端，线路长易遭受高强度感应雷的破坏。在系统设计的初期，考虑到以上因素结合国家有关防雷规范特别设计了多层防雷保护系统，以加强系统稳定性、可靠性。具体防护措施如下。

系统采用有线供电方式，加上选用高精密度、超大范围的输入电压自动调节（120～300V），保证输入电压稳定。该电源设备能够产生标准的正弦波，适合各种弱电设备，并有波纹修正功能。使用具有针对性的专业设备箱，保护电源、视频服务器等设备，且所有设备均做屏蔽处理。该电源的负载适应性广，过载能力强，并独具输出负载短路自去保护功能。同时在电源输入侧安装二级防雷器。

所有设备采用内部走线结构，设备的连接线全部屏蔽，解决了电子精密设备抗干扰和防浪涌能力，抗雷击能力可达到6000VPP，可抑制摄入端5kHz浪涌电压达2000V。

塔架安装避雷针防直接雷；传输线路的信号防雷装置防感应雷；在视频、电源、广播、安防控制前端安装避雷器；前端接地电阻小于10Ω。严格按规范要求做好机房、前端设备箱、外露设备的等电位连接。

5 结束语

综上所述，通过设计和施工以及试运行，以及相关专家和有关部门验收，获得好评，目前该系统已投入正式运行，为森林防火工作跃上新台阶提供了强有力的技术保障，也为下一步森林防火工作打下了坚实的基础。