董李鵬 張 鋒 韓媛媛

（陽城縣人民政府辦公室，山西 陽城 048100）

1 引言

森林火災(zāi)是一種自然災(zāi)害，對森林資源具有極大的破壞性，火災(zāi)一旦發(fā)生，火勢將迅速蔓延，不僅會造成資源損失和人畜傷亡，還將破壞森林生態(tài)系統(tǒng)。長期以來，林業(yè)部門多以人工瞭望塔和視頻監(jiān)控相結(jié)合的方式來解決此難題，但其存在很大局限性。一方面瞭望塔受地形地勢的限制，覆蓋面小，余火及地下火無法觀察[1]；另一方面，視頻監(jiān)控主要采用視頻、圖形圖像等技術(shù)，多以監(jiān)控功能為主，相應(yīng)算法不夠成熟，無法起到分析研判等智能化的作用。

2016年，國家林草局、國家發(fā)展改革委、財政部批復(fù)實施《全國森林防火規(guī)劃（2016—2025年）》，規(guī)劃明確指出，林火監(jiān)測是實現(xiàn)森林火災(zāi)“早發(fā)現(xiàn)”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要綜合利用“天基、空基、陸基”監(jiān)測手段，共享衛(wèi)星圖像資源和信息，建成集衛(wèi)星遙感、高山瞭望、視頻監(jiān)控、飛機巡航和地面巡護的立體林火預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)，提升森林火險預(yù)警、火情實時監(jiān)測能力[2]。因此，本研究旨在建立一套多位一體的綜合預(yù)警管控系統(tǒng)，構(gòu)建高頻次、全方位、立體化的森林防火智能監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)“空天地人”多維度監(jiān)測預(yù)警。通過智能化的森林防火預(yù)警手段，讓林區(qū)火點無處遁形，實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)早處理，確保森林資源的安全，推動森林管護工作向信息化方向轉(zhuǎn)變，進一步減輕林區(qū)工作人員的工作強度，提高森林管護成效。

2 建設(shè)區(qū)域概況

陽城縣轄15個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），335個村（社區(qū)），國土總面積1968平方公里。全縣林地面積166.68萬畝，占國土總面積57.7%，森林覆蓋率44.61%，林木綠化率51.43%，林木總蓄積317.5萬m3，是山西省森林草原防火重點縣。境內(nèi)有中條林局橫河林場（林地30.87萬畝）、析城山林場（林地21.41萬畝）、臺頭林場（林地29.03萬畝）和縣國營林場（山西省崦山自然保護區(qū)林地13.34萬畝）4個國有林場；有蟒河自然保護區(qū)（林地5.73萬畝）和歷山自然保護區(qū)（林地4.34萬畝）2個國家級保護區(qū)。

據(jù)統(tǒng)計，2019至2021年間，全縣共發(fā)生森林火情70余次，其中一般森林火災(zāi)1次，過火面積67.647畝，較大森林火災(zāi)1次，過火面積1332.176畝，無重、特大森林火災(zāi)發(fā)生，無人員傷亡。

3 項目總體方案

3.1 建設(shè)內(nèi)容

在共享市林業(yè)局11個點位基礎(chǔ)上，經(jīng)過專家現(xiàn)場勘測及智能AI分析，選取林區(qū)制高點布控29套火情熱成像雙光譜重載云臺攝像機，最大監(jiān)測半徑10公里，最小3公里，對全縣的森林覆蓋率將達到85%左右。輔助配備慧眼衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)全縣域森林防火監(jiān)測預(yù)警。同時在入山、入林卡口新建監(jiān)控宣傳桿共35套，用于防火宣傳及火情溯源。配合安裝森林防火監(jiān)控調(diào)度APP和配套提供20部雙模智能衛(wèi)星電話，實現(xiàn)“空天地人”多維度監(jiān)測預(yù)警。

3.2 技術(shù)路線

火情監(jiān)控預(yù)警指揮平臺部署于大數(shù)據(jù)中心云服務(wù)器，利用專線網(wǎng)絡(luò)將前端感知系統(tǒng)得到的視頻、圖像、地理信息等監(jiān)測數(shù)據(jù)實時回傳至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，經(jīng)分析之后由指揮平臺調(diào)取使用，林業(yè)局監(jiān)督指揮中心僅放置電腦和大屏幕，采用B/S和C/S架構(gòu)，通過專線訪問指揮平臺，此種方式部署速度快、資源利用率高、維護成本低[3]。網(wǎng)絡(luò)拓撲如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲

4 監(jiān)測體系設(shè)計

智能監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵集中于前端技術(shù)。主要通過“空、天、地、人”四個維度對森林資源進行實時監(jiān)測，具體包括（慧眼衛(wèi)星監(jiān)測）空、（無人機監(jiān)測）天、（視頻智能監(jiān)測）地、（智能卡口、地面巡護）人[4,5]。

4.1 慧眼衛(wèi)星監(jiān)測

慧眼衛(wèi)星熱點林火預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)勢在于無死角、盲區(qū)監(jiān)測，可作為視頻監(jiān)測的輔助，其接入多衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源（極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星），多維度實現(xiàn)對災(zāi)情的精確識別、定位及報警。當收到衛(wèi)星火點報警信息后，GIS地圖中則會顯示不同顏色的標記，紅色為可信度95%以上，橙色為可信度85%以上，黃色為可信度75%以上，其他為藍色。點擊火點會顯現(xiàn)詳細地址、衛(wèi)星觀測時間、經(jīng)緯度、可信度、明火面積、土地類型、觀測頻次、數(shù)據(jù)源、衛(wèi)星云圖等。衛(wèi)星監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)

4.2 無人機監(jiān)測

引入反重力智能5G智慧城市空地無人機巡防系統(tǒng)，系統(tǒng)由云操作系統(tǒng)LEADER OS、移動式自動機場MARV I、專業(yè)無人機平臺HERO X組成，主要用于日常巡防、應(yīng)急響應(yīng)、聯(lián)合指揮。日常巡防場景中，林區(qū)可根據(jù)情況設(shè)計巡護飛行路線，無人機通過人工遙控、定點懸停、航線飛行等多種模式進行全面巡檢，提高偵查及巡護效率；在應(yīng)急響應(yīng)場景中，對于險要地帶，可出動“移動式機場”迅速前往相關(guān)任務(wù)區(qū)域，無人機搭載3kg彈丸直線飛往目標區(qū)域精準投彈滅火，將森林火災(zāi)扼殺在萌芽狀態(tài)；聯(lián)合指揮場景中，無人機搭載的云臺可360度全視角拍攝，并將實時視頻和圖像回傳至指揮中心，進行針對性任務(wù)部署，實現(xiàn)遠程聯(lián)合指揮。圖3為空地巡防無人機。

圖3 空地巡防無人機

4.3 視頻智能監(jiān)測

智能監(jiān)測系統(tǒng)是基于內(nèi)置煙火識別算法的?？禑岢上耠p光譜設(shè)備，超寬工作溫度、充氮氣設(shè)計、全金屬外殼、前置煙火識別和測溫報警、多傳感器信息回傳、雙鏡頭自動聚焦，可對煙霧、火點進行雙重識別。云臺安裝點的選擇盡量利用現(xiàn)有瞭望塔，或租用運營商已有站點基站資源；且必須保證信號能夠通過有線方式或無線方式連接到大數(shù)據(jù)中心的后端系統(tǒng)。

4.3.1 點位選址設(shè)計

結(jié)合區(qū)域數(shù)字高程模型，運用地理信息系統(tǒng)的空間分析方法對地形進行一系列處理，填充洼地、提取潛在山頂點、剔除邊界點和內(nèi)側(cè)區(qū)域中不適合布設(shè)視頻監(jiān)控點的點位，從研究區(qū)域的外層向內(nèi)部逐步蔓延選點，并對確立的所有監(jiān)控點進行可視域分析，最終確定了29個點位，圖4為利用Loca Space Viewer軟件所設(shè)計的點位分布圖。圖中黃色覆蓋區(qū)域為市林業(yè)局建設(shè)利舊點位，藍色覆蓋區(qū)域為中條山管理局建設(shè)利舊點位，綠色、深藍色覆蓋區(qū)域為本次規(guī)劃新建點位。

圖4 最優(yōu)覆蓋點位分布

4.3.2 煙火檢測識別方式

煙火檢測采用自適應(yīng)快速掃描方式。云臺具備智能比例變倍功能，可根據(jù)掃描距離的遠近和煙火檢測的速度，自適應(yīng)調(diào)整掃描速度，最高可到50°/s，以提升巡檢效率。此外，云臺基于裸數(shù)據(jù)每幀進行煙火實時檢測，保證第一手的圖像信息，規(guī)避由于遠距離傳輸圖像延時、丟失帶來的漏檢。

4.3.3 煙火檢測原理

火點檢測算法基于熱成像原始數(shù)據(jù)，采用動態(tài)搜索和靜態(tài)二次確認的模式，動態(tài)搜索模式是指在云臺巡航過程中，通過檢測每幀圖像的背景灰度值，得出可疑火源閾值，根據(jù)計算占空比、中心點位置、圖像質(zhì)量、尺寸大小等目標特征做目標跟蹤，確保第一時間發(fā)現(xiàn)火點。靜態(tài)二次確認模式是指云臺停止轉(zhuǎn)動，讓可疑火源在畫面中居中，進行再次多幀識別檢測，從圖像形狀變化、溫度分布、運動趨勢等進行綜合分析，同時結(jié)合占空比過濾模塊、特征過濾模塊等算法模塊減少誤報[6]。圖5為火點檢測邏輯示意圖。

圖5 火點檢測邏輯示意圖

4.4 智能卡口監(jiān)測

林區(qū)卡口宣教系統(tǒng)由人車抓拍設(shè)備、宣傳提示設(shè)備、黑光設(shè)備和周界設(shè)備，以及中心管理平臺五部分組成，系統(tǒng)主要架設(shè)在林區(qū)出入口兩側(cè)，利用雙目矩機進行人車智能抓拍，并且聯(lián)動控制音柱，以語音形式告知進入林區(qū)的人員，進行防火宣傳、警示和安全提醒，提高進山人員防火意識；黑光設(shè)備和雙目矩機、智能抓拍攝像機的視場角相互關(guān)聯(lián)，配合管理平臺統(tǒng)一管理，可以有效形成聯(lián)動，對進出森林出入口的人車進行動態(tài)管理，降低森林防火安全隱患，減少偷盜、亂砍濫伐等違法違規(guī)行為。

5 預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

森林防火預(yù)警監(jiān)控平臺應(yīng)用視頻采集、熱成像感知、火點定位、視頻智能分析能力，實現(xiàn)對全地形森林火點的全天候監(jiān)測及實時預(yù)警，并支持火情處置、救援力量查找、預(yù)案管理、林業(yè)巡護等功能。

5.1 基礎(chǔ)應(yīng)用功能

5.1.1 防火一張圖

森林防火一張圖支持衛(wèi)星地圖、矢量地圖形式，可展現(xiàn)設(shè)備建設(shè)情況、今日火情、今日區(qū)域火情分布以及不同周期的火情趨勢分析、處置效率排行等信息；對于點位數(shù)量較多的情況下，防火一張圖支持以星光點的形式呈現(xiàn)；當發(fā)生火情時，會在一張圖上相應(yīng)位置呈現(xiàn)火點信息，并可查看關(guān)聯(lián)火情的報警圖片、錄像回放，并可對火點進行實時預(yù)覽；此外支持地圖反控功能，鼠標點擊地圖相應(yīng)位置，可聯(lián)動攝像機轉(zhuǎn)到相應(yīng)方位并呈現(xiàn)相應(yīng)可視域的區(qū)域。圖6為防火一張圖界面。

圖6 防火一張圖

5.1.2 監(jiān)控巡航

平臺可對基站（瞭望塔）上攝像機的巡航方案進行配置，可使攝像機全天候24小時不間斷巡航。巡航方式支持手動配置設(shè)備的水平俯仰角范圍設(shè)置巡航條帶，支持自動生成360o全覆蓋巡航，也支持預(yù)置點巡航，同時還可進行屏蔽區(qū)設(shè)置。此外云臺相機遠程控制功能不僅可以調(diào)整攝像頭的方位、角度，而且可以通過焦距變換實現(xiàn)拉近拉遠，方便查看具體情況，為后臺判斷提供有力的決策依據(jù)。

5.1.3 火點定位

平臺接收到熱成像雙光譜設(shè)備上報的火情告警后，根據(jù)設(shè)備所在瞭望塔的經(jīng)緯度位置，設(shè)備的水平俯仰角信息，定位出火情位置，并在電子地圖上顯示；當火情周圍有多個瞭望塔時，可通過交叉定位，提高火點定位精度。

5.1.4 火情處置

云臺相機24小時不停巡檢，對火點和煙霧進行綜合分析，一旦發(fā)現(xiàn)火情，系統(tǒng)會及時將預(yù)警信息上報給監(jiān)督指揮中心。工作人員接收到預(yù)警信息后，查看“告警抓圖”照片進行二次研判，通過實時預(yù)覽“電子羅盤”鎖定火點位置，經(jīng)研判，如非火情進行歸檔處理。如確認是火情，通過森林防火APP推送至指揮機構(gòu)、滅火隊伍，使應(yīng)急隊伍在千里之外也能及時準確掌握火情、火場信息，縮短火災(zāi)研判及處置時間，同時可通過平臺對災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后的情況進行全流程監(jiān)督。圖7為火情研判及處置界面。

圖7 火情研判及處置

5.2 擴展應(yīng)用功能

擴展應(yīng)用主要集中于三維地圖和移動應(yīng)用兩方面。三維地圖包括火勢蔓延分析、態(tài)勢標繪、災(zāi)損評估和可視域分析。移動應(yīng)用主要借助森林防火監(jiān)控調(diào)度APP將火情信息第一時間傳達到指揮機構(gòu)和滅火隊伍，實現(xiàn)防火智能化，其具備視頻預(yù)覽回放、火情定位上報、路徑導(dǎo)航等功能。

6 結(jié)語

林火智能監(jiān)測預(yù)警全覆蓋系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建的“智慧林火”體系，以實現(xiàn)動態(tài)感知、預(yù)判預(yù)警、科學(xué)決策三大功能，目前該系統(tǒng)已初步投入使用，森林監(jiān)測覆蓋率由原來的20%提高到100%，其有效運行，將形成上下聯(lián)動、信息暢通、反應(yīng)快捷的林草感知一張網(wǎng)體系，從而提高森林火災(zāi)綜合防控能力，真正做到森林火災(zāi)“打早、打小、打了”，有效保護森林資源安全。