超远程烟雾探测技术在森林防火行业中的应用

严敏军，郑 晖，李冬丽，李 维，喻金金，徐伟刚

（江西华宇软件股份有限公司，江西 南昌330096）

森林火灾具有突发性，灾害发生的随机性，短时间内能造成巨大损失的特点，所以有效的监控探测是早期发现起火点，快速调度指挥和及时扑救的重要技术手段[1]。如何做好森林防火监控预警，减少和控制森林火灾，实现森林防火工作的规范化，科学化，信息化是各林业主管部门的重要任务。

传统的森林防火监控是于防火期间派人到山上的瞭望台进行人工瞭望，发现火情后以电话、短信等通信方式进行火情报告。人工观察的弊端是劳动强度大，昼夜观察，同时还存在时间间隔，无法实现即时观察，且火情报告滞后。近些年来，随着现代科技的不断更新，各防火单位陆陆续续建设了可见光视频监控、红外热成像视频监控及雷达探测等系统探测火灾，在很大程度上减少了人工观察的弊端。其中可见光视频监控主要是依靠火情识别软件来发现火灾，但其误报率普遍较高；红外热成像视频监控依靠测温技术，对温度达到异常情况（一定阀值）则告警[2]。这两者的监测半径一般在5 km左右，监测范围有限，报警时间不确定，而且对网络传输条件要求较高，一般在8～10 m带宽左右。而雷达探测是依靠反射波来识别报警，但其受野外复杂环境的影响比较大，如遮挡物，导致其监测半径范围也仅在5 km左右[3]。

为了解决监测半径范围大、不受环境影响能够探测、灵敏度高、定位精度准、做到早期发现，提前预警，为扑救和指挥调度争取时间，改变现行的视频监控方式和技术手段，充分运用物联网及GIS技术，本文提出实施超远程烟雾探测系统来监测森林火灾是非常有必要的。

1 超远程烟雾探测系统工作原理

超远程烟雾探测系统是基于光谱分析技术，利用烟雾粒子对某段光谱的敏感进行分析，结合GIS技术，实现了超远距离的烟雾探测、烟雾报警和定位[4]。超远程烟雾探测系统利用光谱分析等技术对烟雾敏感光谱范围内的图像像元分成65 400个单位进行逐个像素对比分析，系统检测分析软件集成了多种交互算法，采用颜色（与烟相关的灰度范围）、对比度、亮度、动态、识别特征（蔓延）等参数进行分析[5]。软件算法会对每一个传感器单元的值进行分析，传感器会与宏族每一个像素组扫描相关联，并与观察区域的扫描距离相适应。

对观察区域进行校准后，在已定义的宏族像素区域内超出10%就会触发分析。所有报警的信息全部会被入库，而且所有定义的参数都会被独立分析，同时进行参数间交互式对应的关联分析，分析基于单个宏族像素区域所获得的16位原始数据。

发生的报警数据或未产生的报警数据全部会通过网络传输（2～4 m带宽）至指挥中心后台软件数据库进行分析。

1.1 系统组成

超远程烟雾探测系统由前端探测器和后端大数据检测分析软件组成，而前端探测器分为广角镜头、数据采集传感器、数字云台及防护罩、数据处理器组成，见图1。

图1系统外观及后台分析软件Fig.1 System appearance and background analysis software

1.2 基本检测步骤

系统会按照步骤进行一一分析，按逐个扇区扫描覆盖,分析每个扇区的图像像素，探测到烟雾迹象，设备即刻报警，向操作员发送可视警报信息并记录在数据库中，向控制室发送警报相关数据并向用户发布通知信息[6]。为了从图像信息中识别出特定的烟雾信号，多个软件过滤器均会调整到烟雾粒子可能识别的最佳频谱带宽范围。使用这种方法可以探测到非常远的距离，并能够分析到传感器阵列的单个像素[7-8]。

火灾被识别并确认后，操作员可以识别火灾的位置，为用户提供地理坐标，见图2。

图2来自传感器的原始数据分析Fig.2 Analysis of raw data from sensors

1.3 系统检测能力

距离10 km的3.72 m烟云，就能报警；距离为20 km的13.04 m烟云，就能报警；距离为25 km的15.10 m烟云，就能报警；当一个宏族像素区域中的3～5个像素受到因素改变时，分析就会自动开始并记录，见图3。

图3检测能力分析Fig.3 Detection ability analysis

2 超远程烟雾探测系统技术特点

超远程烟雾探测系统的主要技术特点有以下几点：1）对烟雾敏感光谱范围内的图像像元分成65 400个单位进行逐个像素对比分析。2）对黑白图像进行逐个像素处理，对颜色（与烟相关的灰度范围）、对比度、亮度、动态、蔓延等数据进行分析。3）已定义的参数会被独立分析，超出宏族像素区域的10%触发报警并进行交互式关联分析。4）利用检测分析软件，集成多种交互算法参与分析。干扰因素比较多如移动的白云、汽车、物体，固定的树木，流动的雾等可规避掉[9-10]。

与红外热成像探测系统和可见光视频监控系统相比较，该系统的优势在于可实现最快1 min内探测到烟，最远可探测30 km的距离，单个监控点监测面积可达3 000 km2，定位精度小于50 m，实现了烟雾的早期发现和报警。其探测面积是传统可见光视频监测面积的50倍，是热成像监测面积的80倍，突破了现有常规的视频监控系统手段，大大提高了视频监测的范围和响应能力，见表1。

3 超远程烟雾探测系统实测

表1产品技术对比表Tab.1 Technical comparison table of products

1）2017年5月中旬，组织了第一次实地测试，地点位于江西南昌市湾里区702电视台附近搭建监测点设备1套。当天上午为阴雨天气，有雾，能见度200 m。监测设备搭建好后进行盲扫巡航检测，测试火堆和烧秸秆的烟堆在3 min内被检测到并报警，距离为9.3 km，定位精度为25 m。

2）2018年7月初，组织了第二次实地测试，地点位于江西鹰潭市市政府楼顶搭建监测点设备1套。当天上午为晴天，能见度3 km左右。监测设备搭建好后进行盲扫巡航检测，测试烟雾堆在2 min内被检测到并报警，距离为36.55 km，定位精度为33 m。在软件系统中发现了多处工厂排烟报警，并且在晚上也发现一处工厂排烟报警。

本次测试邀请了森林防火行业内的多位专家、用户及科技部门参与测试和研讨论证。与会专家指出此技术能够实现超远距离监测，并在短时间内报警，技术层面上已达到国内领先水平。并提出要在多个不同环境下进行测试，加强验证该技术的稳定性，如在北方区域、夜晚、有霾情况下。

3）2019年针对南昌梅岭监测，安装了3套设备，运行以来发现了大量的野外用火行为，发现最远距离30 km报警信息，信息及时推送到管理员的手机和护林员的终端上，在防火期及时制止了野外用火的行为。

4 超远程烟雾探测系统应用场景

本系统不仅具有超远距离的探测能力，还能适用于白天、雾天、甚至夜晚的烟雾探测，可广泛用于森林火灾、秸秆燃烧、城市消防、烟花爆竹燃放、非法排烟等方面的探测应用。

5 结束语

超远程烟雾探测技术是江西华宇软件股份有限公司引进瑞士森林火灾实验室技术共同开发的适合中国市场的森林防火技术，该技术能够在白天、夜晚和雾天实现火情监测，其烟雾探测距离可达40 km，单点监测面积达到5 000 km2，根据监测距离的远近，其定位精度范围在6～50 m，将该技术应用于森林防火行业具有实用性、新颖性。

针对此技术的创新性，还需花大量的时间和精力来验证其市场应用过程中反馈的问题，以便给用户提供更智能更便捷的系统，做到早预警早发现早处置，以便及时准确地开展森林火灾扑救，尽可能地降低火灾带来的损失。