南海濤
(內(nèi)蒙古呼倫貝爾市林業(yè)科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾021008)
內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)直接影響調(diào)節(jié)著我國(guó)華北、東北和華東等局部地區(qū)氣候條件以及全國(guó)局部地區(qū)氣候帶生物多樣性的氣候差異和氣溫差別,是我國(guó)最大集中連片的寒溫帶明亮針葉原始林生物基因庫(kù)。同時(shí)也是呼倫貝爾草原的天然生態(tài)屏障。其森林資源在當(dāng)?shù)貒?guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中,擁有不可替代的地位。森林煙火智能預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用,可以減少森林草原火災(zāi)的發(fā)生,有效的控制森林面積的減少,這是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的需要。因此本試驗(yàn)基于森林防火理論和上述背景,將海譜視通森林煙火智能預(yù)警系統(tǒng)在呼倫貝爾高寒地區(qū)進(jìn)行中試。
方案?jìng)?cè)重于從早期預(yù)警的角度解決森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)的監(jiān)測(cè)預(yù)警問(wèn)題,從系統(tǒng)的需求分析著手,進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、技術(shù)方案綜述,最后進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建,通過(guò)在前端使用可編程三維精確定位攝像技術(shù)和煙火智能識(shí)別技術(shù),在后端使用3D GIS技術(shù)和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控技術(shù),并針對(duì)森林防火的實(shí)際需要在3D GIS平臺(tái)之上建立森林防火輔助決策及應(yīng)急指揮平臺(tái),盡早發(fā)現(xiàn)火情及火點(diǎn)位置,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位[1]。
目前,國(guó)際森林防火技術(shù)應(yīng)用主要包括:
(1)衛(wèi)星巡回檢測(cè),代表國(guó)家:加拿大。由于衛(wèi)星信息有14%以上誤差,且通過(guò)該技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)時(shí),其火災(zāi)的過(guò)火面積已經(jīng)相對(duì)較大,對(duì)于實(shí)現(xiàn)森林災(zāi)的早發(fā)現(xiàn)、早撲滅沒(méi)有實(shí)際意義。
(2)護(hù)林飛機(jī)和紅外遙感火災(zāi)預(yù)警,代表國(guó)家:美國(guó)。美國(guó)開(kāi)始使用無(wú)人駕駛林火預(yù)警飛機(jī)進(jìn)行24 h監(jiān)測(cè),雖取得了局部成功,但耗費(fèi)了巨額資金。部分衛(wèi)星的運(yùn)行軌道和周期不合理,在北美地區(qū)上空留有12 h的空白時(shí)段,發(fā)回的圖像畫(huà)面清晰度、精確度和詳細(xì)程度都較低。
(3)紅外熱成像技術(shù),代表國(guó)家:加拿大、日本。加拿大早在1975年就開(kāi)始進(jìn)行森林防火試驗(yàn),從飛機(jī)上檢查尚未起燃地潛在火源,采用AGA750便攜式熱成像儀的方式進(jìn)行火險(xiǎn)監(jiān)測(cè),但由于實(shí)用性不高,并未推廣使用。日本采用的紅外熱成像技術(shù),選擇從地面進(jìn)行監(jiān)測(cè),由于森林中樹(shù)干林立,造成火源與熱成像儀之間有眾多的樹(shù)干遮擋,而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)火險(xiǎn)。因此,該技術(shù)在日本并未大面積推廣。同時(shí),由于熱成像儀監(jiān)控半徑小,自身造價(jià)太高,也是其無(wú)法推廣使用的原因。
(4)陸地?cái)?shù)字化遠(yuǎn)距離觀察系統(tǒng),代表國(guó)家:德國(guó)。德國(guó)投入使用的FIRE-WATCH森林火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng),是一種陸地?cái)?shù)字化遠(yuǎn)距離觀察系統(tǒng),能夠?qū)Υ竺娣e的森林地區(qū)進(jìn)行觀察,該系統(tǒng)與我國(guó)的傳統(tǒng)視頻監(jiān)控類似,只是數(shù)字化程度更高。安裝該系統(tǒng)每套需7.5萬(wàn)歐元 (不含其它費(fèi)用),因此造價(jià)太高,不宜大面積推廣使用。
(5)高山瞭望塔瞭望、飛機(jī)巡護(hù)和衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)等多技術(shù)融合,代表國(guó)家:澳大利亞。澳大利亞的林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多部分組成:一是全國(guó)各地開(kāi)通“000”緊急報(bào)警電話;二是高山瞭望塔,高火險(xiǎn)時(shí)24 h瞭望觀測(cè);三是消防隊(duì)員巡邏;四是飛機(jī)巡護(hù);五是使用紅外監(jiān)測(cè)、GPS在空中定位;六是衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測(cè);七是采用可光的方式進(jìn)行航拍;八是空中掃描探測(cè)。此防火系統(tǒng)配套設(shè)施器齊全,統(tǒng)籌性強(qiáng),具有很高的防火聯(lián)動(dòng)效果,但需要投入大量的人力、物力和財(cái)力,并不適合我國(guó)防火工作的基本國(guó)情[2]。
世界各國(guó)通過(guò)各種技術(shù)手段來(lái)預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生,但目前仍然沒(méi)有找到最佳的解決辦法。國(guó)外的技術(shù)有的雖然先進(jìn),但有的需要借助高空衛(wèi)星,有的需要借助無(wú)人飛機(jī),其成本太高;有的技術(shù)方案基礎(chǔ)實(shí)施投資太大,施工復(fù)雜,投入成本過(guò)高,這些難以滿足我國(guó)森林資源火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要。最近幾年發(fā)生的知名的森林火災(zāi),正好發(fā)生在號(hào)稱森林防火技術(shù)最先進(jìn)的美國(guó)、加拿大和澳大利亞,這對(duì)于我國(guó)正在大力推廣的森林防火工作具有一定的警示作用[3]。
選擇內(nèi)蒙古大興安嶺森林草原過(guò)度地帶為研究試驗(yàn)地,地域選擇在扎蘭屯市中心外60 km的范圍內(nèi),選擇2個(gè)樣點(diǎn),通過(guò)GPS定位,確定地理坐標(biāo)。前端監(jiān)控點(diǎn)選擇大興安嶺南部新立屯林場(chǎng)火燎山望火樓,監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo):47°50'01.4″N、122°14'01.6″E,廟爾山監(jiān)控點(diǎn)坐標(biāo):48°22'14.7″N、122°35'40.1″E。后臺(tái)監(jiān)控中心設(shè)置在當(dāng)?shù)胤阑疝k。前端點(diǎn)到指揮中心直線距離40 km。
前端點(diǎn)基礎(chǔ)情況:有高度30 m鐵塔,滿足要求。
鏡頭選擇:前端點(diǎn)視野開(kāi)闊,距離較遠(yuǎn)適合使用700 mm以上鏡頭。
通訊:無(wú)通訊設(shè)備,同用戶溝通采用微波傳輸,微波不可通視,需經(jīng)過(guò)一次中轉(zhuǎn),中繼點(diǎn)坐標(biāo):47°59'56.48″N,122°37'53.88″E。
供電:前端無(wú)供電,用戶溝通采用風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備供電,蓄電池可工作3 d。
該區(qū)域火險(xiǎn)形勢(shì)十分嚴(yán)峻,一是隨著氣候變暖,極端氣候條件頻繁發(fā)生,部分地方持續(xù)嚴(yán)重干旱,對(duì)森林防火工作十分不利;二是每年春耕生產(chǎn)、造林和秋季采摘的繁忙時(shí)期,野外生產(chǎn)用火增加;三是隨著天氣回暖,外出踏青、春游休閑人員增多,野外火源管理難度加大,火險(xiǎn)隱患增多,導(dǎo)致森林火險(xiǎn)不斷發(fā)生。
設(shè)備布局前,對(duì)該地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)、林火阻隔系統(tǒng)以及航空巡護(hù)等重點(diǎn)問(wèn)題采集了數(shù)據(jù),對(duì)山地森林火險(xiǎn)、溫度等進(jìn)行了分析研究,對(duì)于有塔無(wú)電的監(jiān)測(cè)點(diǎn)除設(shè)備安裝以外,還需建立獨(dú)立的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)、安全防盜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和微波中繼系統(tǒng)。由于系統(tǒng)能全天侯對(duì)火險(xiǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)值班,每天對(duì)瞭望塔周?chē)鷵渥降臄?shù)據(jù)以及對(duì)林火熱點(diǎn)的分布進(jìn)行初步的分析,為復(fù)雜地域及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林火情提供了可能,體現(xiàn)了林火預(yù)警的立體監(jiān)控體系的優(yōu)勢(shì)[4]。
(1)大興安嶺地區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),極端最低氣溫達(dá)到-52.3℃。在高寒地區(qū)對(duì)森林煙火智能預(yù)警設(shè)備進(jìn)行中間試驗(yàn)。
(2)該地區(qū)云層移動(dòng)速度較快,對(duì)于智能識(shí)別干擾性較強(qiáng),有效的解決這一問(wèn)題可以更好的優(yōu)化此智能預(yù)警設(shè)備。
包括紅外低照度全天候攝像機(jī)、云臺(tái)控制系統(tǒng)、無(wú)線發(fā)射前端機(jī) (無(wú)線單兵)、發(fā)射天線和供電系統(tǒng)、基塔等構(gòu)成,固定安裝在林區(qū)各制高點(diǎn)位置。前端監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集林區(qū)監(jiān)控點(diǎn)的視頻信息,經(jīng)過(guò)數(shù)字化和壓縮后通過(guò)前端無(wú)線發(fā)射設(shè)備向無(wú)線傳輸 (中繼)系統(tǒng)發(fā)射的工作。同時(shí)由于各個(gè)前端設(shè)備安裝在野外,而且安裝在較高處 (保證可視范圍需要),發(fā)生雷擊的可能性很大,需要考慮全面的防雷措施,同時(shí)也要考慮防盜措施。在智能煙火識(shí)別方面采用嵌入式前置智能煙火識(shí)別設(shè)計(jì)更能提高識(shí)別效率。
通過(guò)攝像頭與云臺(tái)聯(lián)動(dòng),使得后端控制臺(tái)能夠控制鏡頭焦距,獨(dú)特的預(yù)置位技術(shù)等保證了對(duì)于目標(biāo)物體更加清晰的識(shí)別。
云臺(tái)的頂裝設(shè)計(jì)使得云臺(tái)能夠0°~360°旋轉(zhuǎn)無(wú)死角。云臺(tái)的高精度旋轉(zhuǎn)使得云臺(tái)捕捉到的視頻信息非常流暢,同時(shí)變速轉(zhuǎn)動(dòng)方式能夠提高鏡頭移動(dòng)效率,從總體上節(jié)省了輪詢周期所消耗的時(shí)間。
采用的云臺(tái)的預(yù)置位個(gè)數(shù)高達(dá)1024個(gè),可以設(shè)置多種掃描模式≥10,以實(shí)現(xiàn)云臺(tái)按預(yù)設(shè)軌跡自動(dòng)掃描;也就是說(shuō),監(jiān)控中心的管理人員可以根據(jù)林區(qū)不同的特點(diǎn),根據(jù)需要設(shè)置有針對(duì)性的預(yù)置位和掃描軌跡,實(shí)現(xiàn)林區(qū)的無(wú)縫監(jiān)控,并能根據(jù)需要對(duì)重點(diǎn)區(qū)域和遠(yuǎn)處的山頭重點(diǎn)監(jiān)控。
云臺(tái)除了能遠(yuǎn)程控制自身的水平轉(zhuǎn)角和垂直夾角之外,還可以聯(lián)動(dòng)控制鏡頭的焦距;并能實(shí)時(shí)采集云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)角和垂直夾角,以及鏡頭的焦距等參數(shù),并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)回傳至監(jiān)控中心。
通過(guò)前端基站的數(shù)字云臺(tái)控制長(zhǎng)焦攝像機(jī),攝像機(jī)可水平360°、垂直±45°掃描監(jiān)控區(qū)域,并通過(guò)視頻采集卡編輯后,交由微波發(fā)射器傳輸回監(jiān)控中心。
前端通過(guò)視頻處理模塊對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、壓縮和傳輸。利用微波等方式將信號(hào)傳輸至監(jiān)控中心。
通過(guò)前端煙火識(shí)別智能處理器對(duì)攝像所捕捉到的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,有效地避免了由于圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)壓縮然后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心再進(jìn)行圖像分析時(shí)由于圖像質(zhì)量降低從而影響識(shí)別的準(zhǔn)確率問(wèn)題。
采用的煙火識(shí)別智能識(shí)別產(chǎn)品的靈敏度要求:煙火在視頻圖像中的最小靶面面積為10 mm×10 mm象素即可識(shí)別,配合GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)定位功能。
考慮到前端設(shè)備大多數(shù)安裝在無(wú)人值守的密林深處,在安保攝像機(jī)后端安裝一個(gè)智能識(shí)別處理器,根據(jù)安保攝像機(jī)動(dòng)態(tài)攝像的圖像,設(shè)置周界保護(hù)和物品丟失等報(bào)警類型,確保前端基站的設(shè)備安全。
一旦有人靠近、攀爬基塔,報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng),安保攝像機(jī)錄像回傳至監(jiān)控中心并實(shí)時(shí)錄像,同時(shí),喇叭現(xiàn)場(chǎng)播放語(yǔ)音警示。監(jiān)控中心接收到報(bào)警信號(hào)后,立即通過(guò)語(yǔ)音對(duì)講系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)喊話。
可以根據(jù)林區(qū)的特殊自然環(huán)境,有針對(duì)性地設(shè)置預(yù)置位和花樣掃描軌跡。并能配合前端報(bào)警設(shè)備聯(lián)動(dòng)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理平臺(tái)。
(1)遠(yuǎn)程監(jiān)視??蛇h(yuǎn)程監(jiān)視屬下所有林區(qū)前端基站上傳至本中心的視頻圖像,電視墻可根據(jù)需要設(shè)置顯示方案,實(shí)現(xiàn)圖像顯示組合和任意切換。
(2)視頻存儲(chǔ)。對(duì)于各基站上傳至本中心的“報(bào)警”視頻圖像實(shí)時(shí)集中存儲(chǔ),視頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)滿足90 d圖像回放的最低要求。
(3)報(bào)警處理。實(shí)行遠(yuǎn)程7 h×24 h無(wú)間斷布防,系統(tǒng)可對(duì)各林區(qū)的硬盤(pán)錄像機(jī)進(jìn)行報(bào)警設(shè)置,同時(shí)接收各林區(qū)發(fā)出的報(bào)警信號(hào),GIS地圖上動(dòng)態(tài)顯示相應(yīng)的地理位置。一旦火情確認(rèn),第一時(shí)間聯(lián)動(dòng)相關(guān)單位和人員[5]。
(4)撲救指揮。指揮中心可根據(jù)電視墻動(dòng)態(tài)顯示的現(xiàn)場(chǎng)火情視頻、通過(guò)GIS地圖進(jìn)行的智能火情推演,利用即有的網(wǎng)絡(luò)體系,聯(lián)動(dòng)相關(guān)單位和人員,對(duì)全域范圍內(nèi)的撲火工作進(jìn)行復(fù)雜指揮。
(5)報(bào)警系統(tǒng)自檢。報(bào)警系統(tǒng)能顯示故障地址和狀態(tài) (如線路中斷、硬盤(pán)錄像機(jī)死機(jī)、短信報(bào)警和傳感報(bào)警等)。
(6)智能檢索和回放。支持圖像智能檢索,管理者可根據(jù)時(shí)間、網(wǎng)點(diǎn)和報(bào)警類型等條件搜索視頻圖像并回放。
(7)視頻圖像傳輸策略。具備前端報(bào)警視頻圖像的實(shí)時(shí)上傳功能,遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件具有網(wǎng)絡(luò)斷線后自動(dòng)聯(lián)接功能,網(wǎng)絡(luò)帶寬擁堵時(shí)優(yōu)先保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳的功能。
(8)趨勢(shì)預(yù)測(cè)曲度圖,如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)曲度圖Fig.1 Technology roadmap
當(dāng)監(jiān)測(cè)到煙火后,系統(tǒng)鎖定目標(biāo),由當(dāng)前瞭望塔的經(jīng)度、緯度和海拔高度,以及云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)角和垂直俯仰角、鏡頭的焦距,結(jié)合3D GIS地理信息系統(tǒng),依據(jù)公式測(cè)算出發(fā)生森林火災(zāi)的具體位置,在GIS地圖上進(jìn)行醒目標(biāo)繪。
根據(jù)地理環(huán)境,選自合適的傳輸網(wǎng)絡(luò)將前端的視頻圖像傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,諸如專網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(微波)組成。
對(duì)于模擬無(wú)線微波傳輸這種方式采用不同的波段直接傳輸監(jiān)控?cái)z象機(jī)采集來(lái)的模擬信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)損失度較數(shù)字方式要小的多,適合高質(zhì)量視頻傳輸?shù)男枰?。?shù)字無(wú)線視頻傳輸與模擬相比,設(shè)備造價(jià)低,延遲較大,圖象質(zhì)量相比下較差。其運(yùn)做原理是將監(jiān)控?cái)z象機(jī)輸出的模擬信號(hào),經(jīng)過(guò)編碼后轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳輸,因此在中心接設(shè)備的時(shí)候一般是通過(guò)網(wǎng)線接入的,無(wú)法直接接入模擬終端,比如監(jiān)視器之類的設(shè)備。當(dāng)然如果進(jìn)行解碼器的還原處理后還是可以接的,但是由于視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)了模擬轉(zhuǎn)數(shù)字的質(zhì)量損失后,再進(jìn)行數(shù)字到模擬的還原,因此畫(huà)質(zhì)的損失比較嚴(yán)重。
目前比較流行的數(shù)字無(wú)線微波有GSM、CDMA、WI-FI、WIMAX和3G等形式。常見(jiàn)的設(shè)備有無(wú)線網(wǎng)橋、無(wú)線視頻服務(wù)器和視頻編解碼設(shè)備等[6]。
微波是一種頻率超過(guò)1GHz的電磁波,波長(zhǎng)范圍在毫米至厘米數(shù)量級(jí),其波長(zhǎng)比普通無(wú)線電波更短。微波傳輸類似光線直線傳輸,是一種視距范圍內(nèi)的接力傳輸。由于微波的波長(zhǎng)很短,因此其不能像中波那樣可以沿著地球表面?zhèn)鬏?,因?yàn)榈孛婧芸炀桶阉盏袅?它也不能像短波那樣可以通過(guò)電離層反射傳輸?shù)降孛婧苓h(yuǎn)的地方,因?yàn)樗軌虼┻^(guò)電離層逸入太空。由于地球表面是一個(gè)曲面,所以微波只能在視距范圍內(nèi)作直線傳輸,因此決定了兩個(gè)微波站之間的傳輸距離不能很遠(yuǎn),一般在50 km左右,否則將不能獲得較穩(wěn)定的傳輸特性。當(dāng)前使用的頻率是2.45 GHz波段 (民用波段)。
前端基站的供電方式主要是太陽(yáng)能以及風(fēng)能,采取“風(fēng)光互補(bǔ)”方式發(fā)電,利用風(fēng)能和太陽(yáng)能同時(shí)供電。
選擇太陽(yáng)能方式之前要考慮安裝的地方是否真的合適安裝與使用太陽(yáng)能,例如某些地區(qū)的日照時(shí)間短,或者比較陰暗,都有可能并不適合安裝使用太陽(yáng)能。
選擇風(fēng)能方式之前要考慮安裝的地方是否具備使用風(fēng)能的條件,是否處于大風(fēng)比較多的地區(qū),選擇什么類型的風(fēng)能發(fā)電機(jī)組。風(fēng)能發(fā)電的特點(diǎn)即蘊(yùn)量巨大。
UPS就是不間斷電源,它是一種含有儲(chǔ)能裝置,以逆變器為主要元件,穩(wěn)壓、穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備,它可以解決電力的斷電、低電壓、高電壓、突波和雜訊等現(xiàn)象。UPS還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)迅速 (響應(yīng)時(shí)間短),如果采用后備式,而且蓄電池配置合理的話,可以有效延長(zhǎng)用電設(shè)備的“續(xù)航”時(shí)間;在工程選擇時(shí)主要考慮輸出電壓,響應(yīng)時(shí)間以及續(xù)航時(shí)間等因素。
電源防雷的關(guān)鍵是作好接地,而森林防火監(jiān)控的攝象機(jī)往往置于高山之上,接地很難做好,所以要根據(jù)具體地形,因地制宜。最為基本的做法是,在建設(shè)安裝支架或鐵塔時(shí),同時(shí)做一個(gè)埋地的鐵絲網(wǎng)結(jié)構(gòu),大約直徑為10 m左右,該鐵絲網(wǎng)的形狀類似蜘蛛網(wǎng)形式,埋地深度大約為1 m左右,如果條件允許,可以進(jìn)一步買(mǎi)一些木炭,提高導(dǎo)電率。
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