三角函数在森林防火视频监控无线通讯网络建设中的应用

李培荣，应红涛

(1.曲靖市会泽县林业和草原局，云南 会泽 654200；2.曲靖市林业和草原局，云南 曲靖 655000)

1 引言

随着电子科技和人工智能软件的发展，视频监控系统在网络技术的支撑下，能实时提供高清图像、通讯业务以及信息智能处理，具有很高的灵敏度和可靠性，以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于金融、交通、公安、教育、医疗和森林防火等众多领域，已从单一化向集成化、网络化、数字化、智能化发展。

2 视频监控系统在森林防火工作中的应用

过去森林火灾的监测瞭望都是靠建在密林深处，高山之颠，视野开阔，监测面积尽可能大的森林防火瞭望台来完成的。由于瞭望台远离村镇，相对高差大，进出道路、电能供给、生活水源困难较多，工作和生活条件十分艰苦，瞭望监测人员很难安心工作。目前视频监控技术已能实现方便、快捷、全天候、智能化精准监测森林火灾的发生，成为开展森林火灾监测的重要手段。通过智能处理和有线、无线通讯网络技术，把林区发生的火情和火情态势实时传输到数十公里甚至数千公里的各级指挥中心。指挥中心能在第一时间发现火情，并随时掌握火情态势，为灾情处置提供正确决策，实现森林火灾及时发现、快速处置。

3 视频监控系统采用的通讯方式

森林防火视频监控信息的传输有两种方式，一种是有线光纤传输，另一种是无线微波通讯传输。光纤主要架设在城市和村镇附近，为人口密集，信息量大的社会群体服务。而森林防火视频监控点，大多是在远离村镇的深山区，采用的通讯方式主要以无线微波方式为主。

4 有线、无线通讯系统的优缺点

4.1 有线通讯的技术分析

优点：容量大，传输距离远，抗干扰能力强，对工作环境要求低，安全性高，可靠性好，不产生辐射，能够保持稳定的传输信号和通讯速率。

缺点：必须架设线路(电缆、光纤)，局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，如山地、湖泊、林区等地理环境或是移动物体等布线比较困难；分路耦合不灵活，扩展性能差，甚至需要重新布线，施工比较麻烦，而且开展系统扩充时还有可能破坏原来的通讯线路；检修维护比较困难，需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，建设时需要花费大量的人力、物力和建设时间。

4.2 无线通讯技术分析

无线通讯采用调频调制或调幅调制的办法，将图像搭载到高频载波上，转换为高频电磁波在空中传输，常用的有L波段(1.0～2.0 GHz)、S波段(2.0～3.0 GHz)、Ku波段(10～12 GHz)。传输环境是开放的空间，如果在大城市使用，无线电波比较复杂，相对容易受外界电磁干扰，微波信号为直线传输，中间不能有山体、建筑物遮挡；如果有障碍物，需要加中继加以解决。Ku波段受天气影响较为严重，尤其是雨雪天气会有比较严重的雨衰现象。数字微波视频传，抗干扰能力和可扩展性都提高不少。

无线通讯的技术优势：成本低廉，只需架设适当高度天线，用无线传输模块建立连接链路，建设周期短，节省了大量人力物力，投资相当节省；适应建设环境能力强，不受地理环境限制，具有广泛的适应性，只需增加信息收发设备就能实现系统扩充，扩展性能好；开展设备维修维护更容易，只需对维护传输模块和链路网络进行检查，就能查出故障，恢复通讯。缺点：只能在视线范围内建立链路，两个通讯点间视线范围内必须无遮挡，通讯距离受限，每一级通讯距离在50 km以内，必要时要建设中继点；易受无线信号和天气变化影响，抗电磁干扰能力弱。

5 三角函数在无线视频通讯技术中的应用

5.1 常规测试安装方法

在常规安装测试中，通常采用在通讯站两点之间架设信号收发机，选择大体方位，一端把天线固定在一个位置后，另一端逐步调整天线方位角、仰(俯)角来寻找信号。这样目标太盲目，工作量特大，效率太低。在对地理环境不熟悉，通讯距离40～50 km的地方，要测试通讯效果和安装设备难度非常高，有时几天还完成不了一个点的安装测试。特别是对通讯条件处在临界值附近的通讯站点，更要求工程技术人员要有相当熟练的业务能力和现场安装经验，才能顺利完成工作任务。

5.2 应用三角函数关系开展安装测试方法

应用三角函数原理，借助地形图(电子地图)室内测算两个点间能否实现视距通讯，初步选择通讯站点。如能实现视距通讯的，可在室内方便、快捷，计算天线安装磁方位角、仰(俯)角，再经实地核实建设点的可行性，确定站点选址。在两通讯机站室外天线安装中，可直接按室内计算的磁方位角、仰(俯)角架设天线，再作适当调整就可实现正常通讯，这种方法可大大缩短野外工作时间，提高工作效率。具体做法是：

(1)测算两点间能否实现视距通讯。利用两点间的水平距离和相对高差建设三角函数关系图1，借助地形图(电子地图)，测量两点之间的山脉、建筑物是否不阻挡视距通讯。

图1 应用原理

在地形图(电子地图)上测算两通讯站点的水平距离L和相对高差H，计算角a的正切值tan a=H/L。再在地形图(电子地图)中查找甲乙两通讯点连线之间任意点的水平距离L′和此点上的山脉、建筑物的实际相对高差H′。如甲乙两通讯点连线之间所有点的相对高差H′，都满足小于理论计算高差H′=tan a*L′。则可以实现视距通讯，列入选点范筹内，开展实地建设考查。

(2)天线安装磁方位角、仰(俯)角的计算。在可以实现视距通讯甲乙两通讯点计算仰角a=tan-1a= H/L,俯角b=90-a。再在地形图(电子地图)中测量磁方位角c，减去当地的磁偏角就是安装时的实际磁方位角。安装天线时按计算出来的磁方位角、仰(俯)角固定天线，初步完成天线固定，再启动软件适当调整就可完成天线架设，用时极少，大大提高工作效率。

6 应用实例

2014年12月，会泽县林业局应用重庆海普视频监控软件平台，采用深圳清华视讯5.8 GHz频率，300 Mhz带宽微波传输，建设森林防火远程烟火智能识别视频监控系统一套。5.8 GHz的WLAN产品采用OFDM正交频分复用技术，在此频段的WLAN产品基于IEEE802.11a协议，传输速率可以达到54 Mbit/s，在特殊模式下可达108 Mbps。对于无线图像的传输而言，基本上解决了“高清晰度数字图像在无线网络中的传输”问题，使得大范围采用5.8 GHz频段传输数字化图像成为现实。此系统有四路防盗监控视频，三路前端视频采集点，一个经过二次转接，一个经过一次转接，一个直通，最远传输距离96 km(一级微波最远43 km)。在原有森林防火瞭望台上，选择瞭望半径在30～40 km的台址建设前端视频采集点，主要设备选用：重庆海普HFC-E1数字重型云台、索尼SNC-VB63高清透雾摄像机、焦距12.5～1000 mm富士能高清透雾镜头和海普HFC-E2基站控制系统、HFC-A8A烟火识别系统。系统建设期28 d，建成后能流畅双向传输7路视频图像和4路语音信号，在8 km半径内能清晰分辨人物的举止，在16 km半径内能清晰分辨2 m高20 cm笔划的字体，在40 km半径内能清晰分辨风力发电机风叶的转运。在5年的运行系统稳定性极好，只遭雷击更换电源一次，缺点是烟火识别误报率高，不利于值班守候，海普视频监控软件太过复杂，安装要有很高的专业技能。

第一组通讯点，水平距离41 km，相对高差83 m，两个通讯点间的连线32.58 km处，山峰只矮理论值8 m的站点测试和天线安装中，应用常规方法花了7 d的时间，而后三组点的选择测试和天线安装应用三角函数关系原理，借助地形图(电子地图)在室内测算两点间能否实现视距通讯，天线架设的磁方位角、仰(俯)角，每个点平均只用了1.5 d时间就完成室外工作。

7 结语

视频监控无线传输系统的建设，需要精心选择前端监控和中继点的位置，架设天线，在选点和架设天线过程中应用三角函数关系原理，能准确、直观、轻松、方便、快捷完成选点和天线架设，大大提高了工作效率。