基于鐵塔的湖南省森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(shí)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(jì)的系統(tǒng)對(duì)視頻進(jìn)行智能分析，對(duì)異常情況做到事前預(yù)警，使森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)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(shí)別；火情煙霧

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(shì)。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(dòng)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(cè)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(shì)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(jì)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(cè)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(cè)監(jiān)管模式，依靠護(hù)林員對(duì)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(duì)森林防火監(jiān)測(cè)管理工作的要求[1]。

本系統(tǒng)有以下三個(gè)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(duì)森林火情火災(zāi)行為全范圍、全時(shí)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(duì)森林中產(chǎn)生的煙和火實(shí)現(xiàn)智能化的分析識(shí)別、自動(dòng)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(duì)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(jì)原則

2.1? 穩(wěn)定性和安全性

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(shì)和新興技術(shù)發(fā)展，以應(yīng)對(duì)未來森林防火視頻監(jiān)測(cè)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(shí)充分考慮到森林防火視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和其他共享擴(kuò)展工作，方便建成后的升級(jí)擴(kuò)容更新，條件允許時(shí)能順利拓展。

3? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiǎn)大，傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)一般依靠護(hù)林員對(duì)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(cè)，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(duì)人的依賴都很大。本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控監(jiān)測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)上，增加智能圖像（主要是煙和火）識(shí)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(tái)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林防火區(qū)實(shí)時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，形成預(yù)警之后能取證，取證之后可處理的一體聯(lián)動(dòng)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(shí)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(gè)站址平均監(jiān)控面積約28平方千米分別計(jì)算，總體規(guī)劃點(diǎn)位4 500個(gè)，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(duì)比如表1所示。

3.2? 整體設(shè)計(jì)

全省總體規(guī)劃建設(shè)熱成像雙光譜3千米中載云臺(tái)和6千米重載云臺(tái)攝像機(jī)共4 500個(gè)，實(shí)現(xiàn)全省重點(diǎn)林業(yè)資源的全時(shí)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(jì)如圖1所示。

森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用省、市、縣三級(jí)架構(gòu)；存儲(chǔ)放在市級(jí)平臺(tái)。省級(jí)平臺(tái)管理和調(diào)閱各市的視頻資源、告警信息、存儲(chǔ)的重要視頻。市級(jí)平臺(tái)管理本市的前端攝像機(jī)，存儲(chǔ)所有監(jiān)控和視頻資源，查看處置告警信息。縣級(jí)平臺(tái)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(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，通過人工智能平臺(tái)進(jìn)行分析，自動(dòng)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(jí)、市級(jí)和縣級(jí)三級(jí)行政區(qū)劃的平臺(tái)。其中省級(jí)監(jiān)控平臺(tái)1套，包含智能視頻云、監(jiān)控大屏、操作臺(tái)、交換機(jī)、防火墻以及管理、流媒體等各類服務(wù)器；市級(jí)監(jiān)控平臺(tái)14套，包含智能視頻云、監(jiān)控大屏、操作臺(tái)、交換機(jī)、存儲(chǔ)以及管理、流媒體等各類服務(wù)器；區(qū)縣級(jí)監(jiān)控平臺(tái)122套，包含智能視頻云、監(jiān)控大屏、操作臺(tái)、交換機(jī)等。

3.3.1? 火情煙霧自動(dòng)報(bào)警

設(shè)備嵌入DSP溫度分析火點(diǎn)探測(cè)自動(dòng)報(bào)警模塊，自動(dòng)探測(cè)環(huán)境熱源同時(shí)可以喚醒周邊其他設(shè)備。專為森林火災(zāi)設(shè)計(jì)的熱成像分析算法，可以監(jiān)測(cè)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(tái)接收到設(shè)備提交的報(bào)警信息，會(huì)自動(dòng)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(cè)到熱點(diǎn)或接收到報(bào)警后，根據(jù)算法計(jì)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(bào)警信息分析

系統(tǒng)可以統(tǒng)計(jì)森林火災(zāi)報(bào)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(bào)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(duì)本身的故障等進(jìn)行診斷。

3.3.6? 前端防結(jié)霧

秋冬時(shí)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(duì)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(bào)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(duì)6千米半徑內(nèi)煙、火點(diǎn)位信息精準(zhǔn)探測(cè)，可在設(shè)備內(nèi)設(shè)置8個(gè)梯度，探測(cè)器根據(jù)梯度設(shè)置，智能設(shè)定適宜的熱點(diǎn)報(bào)警閾值，確保火點(diǎn)自動(dòng)報(bào)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(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)別（算法識(shí)別）

系統(tǒng)通過智能森林煙火算法對(duì)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(cè)模型設(shè)計(jì)

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(cè)，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(shí)別煙霧分類實(shí)例如圖3所示。

3.4.4? 實(shí)時(shí)視頻查看

實(shí)時(shí)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(shí)監(jiān)控。

當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)獲取報(bào)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(shí)顯示聯(lián)動(dòng)的視頻監(jiān)控畫面和其他相關(guān)動(dòng)作。

操作人員可進(jìn)行與處理，對(duì)報(bào)警進(jìn)行處理或報(bào)警上傳操作。如果報(bào)警信息未在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行處理，則自動(dòng)上傳到上級(jí)報(bào)警客戶端，保障了報(bào)警處理的及時(shí)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(shí)間線展現(xiàn)播放功能。

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

3.4.7? 報(bào)警處理

（1）當(dāng)系統(tǒng)接收到報(bào)警信息（來自視頻分析后的報(bào)警信息、手機(jī)APP或者PC客戶端發(fā)出的報(bào)警信息），根據(jù)報(bào)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(bào)報(bào)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(bào)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(bào)警信息置于“已完成”狀態(tài)。

（4）管理員通過計(jì)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(bào)警處理流程的閉環(huán)。

系統(tǒng)報(bào)警處置流程如圖4所示。

3.4.8? 報(bào)警日志

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

3.5? 手機(jī)APP

3.5.1? 實(shí)時(shí)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(shí)視頻圖像 并對(duì)視頻云臺(tái)進(jìn)行控制。

3.5.2? 電子地圖

當(dāng)報(bào)警推送時(shí)，可以通過手機(jī)APP的電子地圖功能，查看報(bào)警點(diǎn)的地理位置信息和報(bào)警發(fā)生點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻圖像。在APP內(nèi)可以查看報(bào)警點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻畫面，自動(dòng)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(shí)視頻異常報(bào)警

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

3.5.4? 報(bào)警消息追蹤

在管理人員APP中，點(diǎn)擊“報(bào)警消息”即可查看當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)生成的報(bào)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(gè)，覆蓋全省各個(gè)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(shì)。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(jí)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