不同空气质量状况下FW3系统林火烟雾智能识别与定位测试研究

赵晋龙，孙永明

(1.山西省太岳山国有林管理局，山西 介休 032000；2.山西省林业科学研究院，山西 太原 030012)

近地面监测往往采用瞭望塔视频检测的手段，从分布在林区的固定观察设施获取林区图像，利用计算机技术进行自动分析，对被监控场景中的运动目标进行识别和跟踪，在异常情况下进行报警。国内外近地面监测的代表系统是Forestwatch系统,该系统由南非物理学博士、EVS公司总裁加文·休利用其在南极极光波的研究成果开发了出来的软件，之后开发出了一系列影像处理软件系统。

2016年10月山西省林业科学研究院“948林火智能监测与决策支持系统技术引进”项目组，从南非EVS公司引进一套FW3林火智能监测与决策支持系统，系统前端监测设备安装在太原市林场石前峰瞭望塔，服务器安装在山西省林业科学研究院五楼林火监测实验室。石前峰瞭望塔同山西省林业科学研究院相距21 km,两者间采用5.8G无线网桥通讯。为了测试FW3系统在不同空气质量状况下的林火早期智能识别和准确定位技术，2017年4月29日至5月5日，项目组在太原市林场石前峰林区内进行了野外人工点火放烟测试研究。

1 测试区概况

太原市国营林场管辖太原市西山林区及市区大沙荒面积2.43×104hm2，南从清徐县横跨晋源区、万柏林区、尖草坪区、古交市。其中，有林地面积1.57×104hm2，森林覆盖率为76%.石前峰林区分布着以油松、白皮松、侧柏为主的针叶混交林，森林茂密，气候宜人，动植物资源丰富。摄像机与图像处理器等主要前端监测设备安装在石前峰瞭望塔上(北纬37.831 379，东经112.300 949)，海拔1 687 m.

2 主要设备与软件系统

1) 摄像机型号为Pelco ES40/ES41，该摄像机采用Esprit®SE定位系统，该系统集成了解码器、云台，防护罩，加压密封一体化光学套件，并带有雨刷器。Pelco ES40/ES41系列分辨率为1 920×1 080，红外滤色镜提供昼/夜转换(540 TVL)、432X变焦(36X光学变焦、12X数字变焦)、电子图像稳定功能以及宽动态。粉末涂层和铝制结构使ES40/ES41系列在室内或室外均适用。此系统绝对工作温度范围是-45 ℃～50 ℃(-50 ℉～122℉)，工作温度为-25 ℃(-13 ℉).启动2 h后，整个设备会除冰。

2) 图像处理器(ISE)是由南非EVS公司生产，采用linux系统的加密计算机图像处理器。它的功能是协调图像采样，增强图像，对图像进行预处理。通常将图像处理器连接到摄像机上，然后将这些图像通过通信网络传输到一个被称为“森林监测卫兵”的软件上，“森林监测卫兵”再将图像插入数据库。FW3系统通过数据库实现各个部分的协同工作。

3) FW3系统中的Interface界面软件，是用户查看全景与增强图像、检查图像、确认或报警火灾事件和跟踪记录系统中事件的软件。

3 测试研究方法

1) 开启FW3系统Interface界面软件,确保多预置视频图像、检查视频图像和监测视频图像处于实时模式，并确保视频图像实时地形线与系统虚拟地形线拟合完好。

2) 2017年4月29日至5月5日，每天上午10时分别在庙前山瞭望塔院内(距离摄像机6.5 km)、石前峰管护站院内(距离摄像机3.1 km)和西山煤层气电站宿舍院内(距离摄像机1.7 km)，收集油松枝条堆成高2 m,直径4 m的圆锥形，进行点火放烟。如果遇到雨天顺延1 d，记录每天空气质量状况(根据当时网络天气预报记录)。在石前峰管护站内用手持GPS记录放烟点经纬度。

3) 监测期间，每天人工值守记录FW3系统内林火烟雾候选事件。利用系统软件检查监测，并确定林火烟雾报警事件，记录报警方位和经纬度。

4 测试结果

野外点火人员按时点火放烟，试验工作人员详细记录试验期内林火烟雾报警事件情况，结果见表1.

表1 不同空气质量下野外人工点火放烟监测结果

空气质量指数在80以下时，系统可以自动识别距离摄像机6 km范围内的林火烟雾；空气质量指数在80～120之间时，系统可以自动识别距离摄像机3 km范围内的林火烟雾；空气质量指数在130以上时，系统不具备烟雾识别功能。

点火后，系统最快在1.5 min内监测到了烟雾，最慢在4.5 min内监测到了烟雾。

点火放烟期间在石前峰管护站院内利用精度1 m级的手持GPS测量了各个人工点火点的经纬度，同监控系统报警的异常区经纬度进行了对比分析，结果见第14页表2.

表2 野外人工点火放烟监测测试点坐标实测值与系统预报值对比

从表2可以看出，本系统在试验点监测的经度和实际测量经度差值最大为2.84 m，最小为1.75 m.本系统在试验点监测的纬度和实际测量纬度差值最大为2.22 m，最小为0.78 m.

5 结论与讨论

1) 在良好气象条件下，林火识别率为100%，林火误报率为0，优于试验技术指标要求。空气质量指数在80以下时，系统可以自动识别距离摄像机6 km范围内的林火烟雾；空气质量指数在80～120之间时，系统可以自动识别距离摄像机3 km范围内林火烟雾；空气质量指数在130以上时，系统不具备烟雾识别功能。林火烟雾发现时间小于5 min,林火烟雾定位误差小于5 m.

2)课题组掌握了FW3软件系统的烟火检测、林火定位、图像稳定增强等监测决策单项技术，具有在国内推广应用的能力。目前，我国的开发利用尚不能脱离该系统平台，图像处理器关键设备还没有实现中国制造。建议“十三五”期间立项“林火烟雾监测关键设备与系统”的研制与开发，真正实现林火智能监测与决策支持系统技术国产化。

[1] 黄儒乐.基于视频图像的林火烟雾识别方法的研究[D].北京：北京林业大学，2011.

[2] 黄杏元，马劲松，汤 勤.地理信息系统概论[M].北京:高等教育出版社，2015.

[3] 田晓瑞，舒立福，王明玉，等.林火与气候变化研究进展[J].世界林业研究，2006(5)：38-42.