森林火灾动态监测预警技术方案的研究

南海涛

(内蒙古呼伦贝尔市林业科学研究所，内蒙古自治区呼伦贝尔021008)

内蒙古大兴安岭林区直接影响调节着我国华北、东北和华东等局部地区气候条件以及全国局部地区气候带生物多样性的气候差异和气温差别，是我国最大集中连片的寒温带明亮针叶原始林生物基因库。同时也是呼伦贝尔草原的天然生态屏障。其森林资源在当地国民经济建设中，拥有不可替代的地位。森林烟火智能预警系统的应用，可以减少森林草原火灾的发生，有效的控制森林面积的减少，这是当地经济发展和生态文明建设的需要。因此本试验基于森林防火理论和上述背景，将海谱视通森林烟火智能预警系统在呼伦贝尔高寒地区进行中试。

方案侧重于从早期预警的角度解决森林火灾发生时的监测预警问题，从系统的需求分析着手，进行系统的设计思想、技术方案综述，最后进行系统的构建，通过在前端使用可编程三维精确定位摄像技术和烟火智能识别技术，在后端使用3D GIS技术和联网监控技术，并针对森林防火的实际需要在3D GIS平台之上建立森林防火辅助决策及应急指挥平台，尽早发现火情及火点位置，实现目标的精确定位［1］。

1 国内外研究现状

目前，国际森林防火技术应用主要包括:

(1)卫星巡回检测，代表国家:加拿大。由于卫星信息有14%以上误差，且通过该技术手段发现森林火灾时，其火灾的过火面积已经相对较大，对于实现森林灾的早发现、早扑灭没有实际意义。

(2)护林飞机和红外遥感火灾预警，代表国家:美国。美国开始使用无人驾驶林火预警飞机进行24 h监测，虽取得了局部成功，但耗费了巨额资金。部分卫星的运行轨道和周期不合理，在北美地区上空留有12 h的空白时段，发回的图像画面清晰度、精确度和详细程度都较低。

(3)红外热成像技术，代表国家:加拿大、日本。加拿大早在1975年就开始进行森林防火试验，从飞机上检查尚未起燃地潜在火源，采用AGA750便携式热成像仪的方式进行火险监测，但由于实用性不高，并未推广使用。日本采用的红外热成像技术，选择从地面进行监测，由于森林中树干林立，造成火源与热成像仪之间有众多的树干遮挡，而不能及时发现火险。因此，该技术在日本并未大面积推广。同时，由于热成像仪监控半径小，自身造价太高，也是其无法推广使用的原因。

(4)陆地数字化远距离观察系统，代表国家:德国。德国投入使用的FIRE－WATCH森林火灾自动预警系统，是一种陆地数字化远距离观察系统，能够对大面积的森林地区进行观察，该系统与我国的传统视频监控类似，只是数字化程度更高。安装该系统每套需7.5万欧元 (不含其它费用)，因此造价太高，不宜大面积推广使用。

(5)高山瞭望塔瞭望、飞机巡护和卫星遥感技术监测等多技术融合，代表国家:澳大利亚。澳大利亚的林火监测系统由多部分组成:一是全国各地开通“000”紧急报警电话;二是高山瞭望塔，高火险时24 h瞭望观测;三是消防队员巡逻;四是飞机巡护;五是使用红外监测、GPS在空中定位;六是卫星遥感技术监测;七是采用可光的方式进行航拍;八是空中扫描探测。此防火系统配套设施器齐全，统筹性强，具有很高的防火联动效果，但需要投入大量的人力、物力和财力，并不适合我国防火工作的基本国情［2］。

世界各国通过各种技术手段来预防森林火灾的发生，但目前仍然没有找到最佳的解决办法。国外的技术有的虽然先进，但有的需要借助高空卫星，有的需要借助无人飞机，其成本太高;有的技术方案基础实施投资太大，施工复杂，投入成本过高，这些难以满足我国森林资源火险监测的实际需要。最近几年发生的知名的森林火灾，正好发生在号称森林防火技术最先进的美国、加拿大和澳大利亚，这对于我国正在大力推广的森林防火工作具有一定的警示作用［3］。

2 选择林区具备条件的林场建立2 个前端监测点和后端中心

选择内蒙古大兴安岭森林草原过度地带为研究试验地，地域选择在扎兰屯市中心外60 km的范围内，选择2个样点，通过GPS定位，确定地理坐标。前端监控点选择大兴安岭南部新立屯林场火燎山望火楼，监控点坐标:47°50'01.4″N、122°14'01.6″E，庙尔山监控点坐标:48°22'14.7″N、122°35'40.1″E。后台监控中心设置在当地防火办。前端点到指挥中心直线距离40 km。

前端点基础情况:有高度30 m铁塔，满足要求。

镜头选择:前端点视野开阔，距离较远适合使用700 mm以上镜头。

通讯:无通讯设备，同用户沟通采用微波传输，微波不可通视，需经过一次中转，中继点坐标:47°59'56.48″N，122°37'53.88″E。

供电:前端无供电，用户沟通采用风光互补设备供电，蓄电池可工作3 d。

该区域火险形势十分严峻，一是随着气候变暖，极端气候条件频繁发生，部分地方持续严重干旱，对森林防火工作十分不利;二是每年春耕生产、造林和秋季采摘的繁忙时期，野外生产用火增加;三是随着天气回暖，外出踏青、春游休闲人员增多，野外火源管理难度加大，火险隐患增多，导致森林火险不断发生。

设备布局前，对该地点的监测、林火阻隔系统以及航空巡护等重点问题采集了数据，对山地森林火险、温度等进行了分析研究，对于有塔无电的监测点除设备安装以外，还需建立独立的风光互补发电系统、安全防盗监测系统和微波中继系统。由于系统能全天侯对火险区监测值班，每天对瞭望塔周围扑捉的数据以及对林火热点的分布进行初步的分析，为复杂地域及时发现森林火情提供了可能，体现了林火预警的立体监控体系的优势［4］。

3 创新点

(1)大兴安岭地区属寒温带大陆性季风气候区，极端最低气温达到－52.3℃。在高寒地区对森林烟火智能预警设备进行中间试验。

(2)该地区云层移动速度较快，对于智能识别干扰性较强，有效的解决这一问题可以更好的优化此智能预警设备。

4 系统组成

4.1 林区前端监控系统组成

包括红外低照度全天候摄像机、云台控制系统、无线发射前端机 (无线单兵)、发射天线和供电系统、基塔等构成，固定安装在林区各制高点位置。前端监控系统负责采集林区监控点的视频信息，经过数字化和压缩后通过前端无线发射设备向无线传输 (中继)系统发射的工作。同时由于各个前端设备安装在野外，而且安装在较高处 (保证可视范围需要)，发生雷击的可能性很大，需要考虑全面的防雷措施，同时也要考虑防盗措施。在智能烟火识别方面采用嵌入式前置智能烟火识别设计更能提高识别效率。

4.2 用户可编程式监控

通过摄像头与云台联动，使得后端控制台能够控制镜头焦距，独特的预置位技术等保证了对于目标物体更加清晰的识别。

云台的顶装设计使得云台能够0°～360°旋转无死角。云台的高精度旋转使得云台捕捉到的视频信息非常流畅，同时变速转动方式能够提高镜头移动效率，从总体上节省了轮询周期所消耗的时间。

采用的云台的预置位个数高达1024个，可以设置多种扫描模式≥10，以实现云台按预设轨迹自动扫描;也就是说，监控中心的管理人员可以根据林区不同的特点，根据需要设置有针对性的预置位和扫描轨迹，实现林区的无缝监控，并能根据需要对重点区域和远处的山头重点监控。

云台除了能远程控制自身的水平转角和垂直夹角之外，还可以联动控制镜头的焦距;并能实时采集云台的水平转角和垂直夹角，以及镜头的焦距等参数，并通过网络回传至监控中心。

4.3 林区视频参数采集

通过前端基站的数字云台控制长焦摄像机，摄像机可水平360°、垂直±45°扫描监控区域，并通过视频采集卡编辑后，交由微波发射器传输回监控中心。

前端通过视频处理模块对图像数据进行编码、压缩和传输。利用微波等方式将信号传输至监控中心。

4.4 烟火智能识别

通过前端烟火识别智能处理器对摄像所捕捉到的图像进行实时分析，有效地避免了由于图像数据经过压缩然后传输到监控中心再进行图像分析时由于图像质量降低从而影响识别的准确率问题。

采用的烟火识别智能识别产品的灵敏度要求:烟火在视频图像中的最小靶面面积为10 mm×10 mm象素即可识别，配合GIS系统实现火点定位功能。

4.5 前端设备防盗

考虑到前端设备大多数安装在无人值守的密林深处，在安保摄像机后端安装一个智能识别处理器，根据安保摄像机动态摄像的图像，设置周界保护和物品丢失等报警类型，确保前端基站的设备安全。

一旦有人靠近、攀爬基塔，报警系统启动，安保摄像机录像回传至监控中心并实时录像，同时，喇叭现场播放语音警示。监控中心接收到报警信号后，立即通过语音对讲系统对现场喊话。

可以根据林区的特殊自然环境，有针对性地设置预置位和花样扫描轨迹。并能配合前端报警设备联动联网监控管理平台。

5 技术路线

(1)远程监视。可远程监视属下所有林区前端基站上传至本中心的视频图像，电视墙可根据需要设置显示方案，实现图像显示组合和任意切换。

(2)视频存储。对于各基站上传至本中心的“报警”视频图像实时集中存储，视频数据存储满足90 d图像回放的最低要求。

(3)报警处理。实行远程7 h×24 h无间断布防，系统可对各林区的硬盘录像机进行报警设置，同时接收各林区发出的报警信号，GIS地图上动态显示相应的地理位置。一旦火情确认，第一时间联动相关单位和人员［5］。

(4)扑救指挥。指挥中心可根据电视墙动态显示的现场火情视频、通过GIS地图进行的智能火情推演，利用即有的网络体系，联动相关单位和人员，对全域范围内的扑火工作进行复杂指挥。

(5)报警系统自检。报警系统能显示故障地址和状态 (如线路中断、硬盘录像机死机、短信报警和传感报警等)。

(6)智能检索和回放。支持图像智能检索，管理者可根据时间、网点和报警类型等条件搜索视频图像并回放。

(7)视频图像传输策略。具备前端报警视频图像的实时上传功能，远程监控软件具有网络断线后自动联接功能，网络带宽拥堵时优先保证业务数据上传的功能。

(8)趋势预测曲度图，如图1所示。

图1 系统趋势预测曲度图Fig.1 Technology roadmap

6 拟解决的关键问题及解决方法

6.1 火点定位

当监测到烟火后，系统锁定目标，由当前瞭望塔的经度、纬度和海拔高度，以及云台的水平转角和垂直俯仰角、镜头的焦距，结合3D GIS地理信息系统，依据公式测算出发生森林火灾的具体位置，在GIS地图上进行醒目标绘。

6.2 网络

根据地理环境，选自合适的传输网络将前端的视频图像传输到监控中心，诸如专网和无线网络(微波)组成。

6.3 无线传输

对于模拟无线微波传输这种方式采用不同的波段直接传输监控摄象机采集来的模拟信号。优点是信号损失度较数字方式要小的多，适合高质量视频传输的需要。数字无线视频传输与模拟相比，设备造价低，延迟较大，图象质量相比下较差。其运做原理是将监控摄象机输出的模拟信号，经过编码后转变为数字信号，在无线网络上传输，因此在中心接设备的时候一般是通过网线接入的，无法直接接入模拟终端，比如监视器之类的设备。当然如果进行解码器的还原处理后还是可以接的，但是由于视频信号经过了模拟转数字的质量损失后，再进行数字到模拟的还原，因此画质的损失比较严重。

目前比较流行的数字无线微波有GSM、CDMA、WI－FI、WIMAX和3G等形式。常见的设备有无线网桥、无线视频服务器和视频编解码设备等［6］。

6.4 微波传输

微波是一种频率超过1GHz的电磁波，波长范围在毫米至厘米数量级，其波长比普通无线电波更短。微波传输类似光线直线传输，是一种视距范围内的接力传输。由于微波的波长很短，因此其不能像中波那样可以沿着地球表面传输，因为地面很快就把它吸收掉了;它也不能像短波那样可以通过电离层反射传输到地面很远的地方，因为它能够穿过电离层逸入太空。由于地球表面是一个曲面，所以微波只能在视距范围内作直线传输，因此决定了两个微波站之间的传输距离不能很远，一般在50 km左右，否则将不能获得较稳定的传输特性。当前使用的频率是2.45 GHz波段 (民用波段)。

6.5 前端基站供电

前端基站的供电方式主要是太阳能以及风能，采取“风光互补”方式发电，利用风能和太阳能同时供电。

6.6 太阳能供电

选择太阳能方式之前要考虑安装的地方是否真的合适安装与使用太阳能，例如某些地区的日照时间短，或者比较阴暗，都有可能并不适合安装使用太阳能。

6.7 风能供电

选择风能方式之前要考虑安装的地方是否具备使用风能的条件，是否处于大风比较多的地区，选择什么类型的风能发电机组。风能发电的特点即蕴量巨大。

6.8 UPS或蓄电池

UPS就是不间断电源，它是一种含有储能装置，以逆变器为主要元件，稳压、稳频输出的电源保护设备，它可以解决电力的断电、低电压、高电压、突波和杂讯等现象。UPS还有个优点是反应迅速 (响应时间短)，如果采用后备式，而且蓄电池配置合理的话，可以有效延长用电设备的“续航”时间;在工程选择时主要考虑输出电压，响应时间以及续航时间等因素。

6.9 设施防雷

电源防雷的关键是作好接地，而森林防火监控的摄象机往往置于高山之上，接地很难做好，所以要根据具体地形，因地制宜。最为基本的做法是，在建设安装支架或铁塔时，同时做一个埋地的铁丝网结构，大约直径为10 m左右，该铁丝网的形状类似蜘蛛网形式，埋地深度大约为1 m左右，如果条件允许，可以进一步买一些木炭，提高导电率。

［1］王金海.建立我国森林防火预警体系的思考［J］.林业资源管理，2005(6):43－46.

［2］赵连茂.加拿大森林现代化防火技术［J］.消防月刊，2003(2):35－36.

［3］屈海利.森林火灾扑救可快速安装的大流量应急供水系统［J］.林业机械与木工设备，2011，39(10):44－45.

［4］羿宏雷.森林防火气象站在森林火灾预警中的应用［J］.林业劳动安全，2009(3):36 －39.

［5］邢劭谦，宋哲存.ZigBee无线传感与卫星定位技术在森林火灾预警中的应用［J］.森林工程，2011，27(6):36 －39.

［6］靳仁昌，赵金川，包长春，等.基于ZigBee技术的森林防火预警系统设计［J］.河北科技师范学院学报，2009(2):56－59.