视频监控系统在尚志国有林区森林防火中的应用

赵丽宏 牛立成 魏何坤 王文革

(黑龙江省尚志国有林场管理局，黑龙江 尚志 150600)

森林是我国生态文明建设的重要主体，在保持经济和社会持续发展中具有重要的作用，同时对保持生物多样性也影响巨大。我国拥有森林面积1.75亿hm2，总林木蓄积量约为124.56亿 m3，当前森林覆盖率18.21%，我国既是森林林木资源利用大国，也是原始森林火灾事故多发的国家。据有关统计资料表明，全世界平均每年发生森林火灾高达20余万起，森林烧毁破坏林木640多万 hm2，在全球森林总面积占比为0.018%。森林火灾具有极强的突发性、极大的破坏力，已成为当今世界生态安全的最大威胁之一。国家森林防火指挥部办公室提供的资料表明，1950—2012年这60多年间，全国累计发生的森林火灾高达79.8万多起，因火灾损害的森林面积3 800多万 hm2，相当于目前植树造林年均面积的6倍之多，每年为紧急扑救森林大火耗费大量的人力、物力和财力。可以说森林大火对森林资源和自然生态环境的破坏所造成的损失是巨大的，难以估量的。只有做好森林防火预警监测，提高预警监测能力，确保火情火警的早发现、早预防、早处置和早扑灭，才能有效避免森林火灾发生和降低火灾造成的损失。

1 尚志国有林区现状

1.1 自然地理条件

黑龙江省尚志国有林场管理局(以下简称尚志管局)始建于1958年，隶属黑龙江省林业和草原局。地处黑龙江省东南部尚志市境内，境内交通网较发达，高铁(哈—牡)客运专线、哈绥铁路东西横贯，绥满高速公路、301国道、229国道、省、市、县和乡公路纵横交错。尚志管局主管8个国有林场，森林总经营面积20.06万hm2，其中，有林地面积149 078.9 hm2(天然林面积103 568.8 hm2，人工林面积45 510.1 hm2)，森林覆盖率为74.3%，林木绿化率为74.6%。活立木蓄积15 065 265 m3。尚志管局的施业区气候条件属寒温带大陆性季风气候，为低山丘陵地貌，多为浅山区，农林镶嵌，是森林火灾高危区，森林防火压力较大[1-3]。

1.2 森林防火面临的严峻形势

(1)全球的气候逐渐变暖，极端天气现象明显增多，森林火灾的威胁加剧。世界气象组织在2015年的报告中表明，过去的10年，气候变暖持续，升温、强风和干燥等天气增多，为最热的时期。近年来，美国、俄罗斯等很多国家出现了历史罕见的森林火灾事件。据气象部门分析，目前全世界出现干旱气候的可能性正呈明显增加态势，我国遭受干旱天气的影响趋势也明显增加。据有关部门分析，未来的10年全球气温仍会持续攀升，极端气候现象仍会显著增多，对森林防火将十分不利。

(2)生态保护政策持续发力，森林内的可燃物载量将不断上升，森林防火压力也将进一步加重。近年来，天然商品林全面停伐，国有林场加大森林培育力度，森林资源的逐年增长，林内的可燃物载量不断增加。据相关部门调查统计，相当一部分林区林分可燃物载量远超全球认定的可能引起重特大森林火灾每公顷30 t的计算量，森林火灾极易发生。同时，随着近年人工造林力度的持续加大，中、幼龄林面积比例越来越大，存在林木自身抵御火险能力不足的特点，如果发生火灾，森林资源将遭受重大损失，甚至造成毁灭性的后果。

(3)受农耕方式和文化习俗的影响，野外用火日益增多，以及休闲旅游、林副产品采摘等林内活动逐年活跃，造成森林防火难度加大。尚志管局地处浅山区，林农交错严重，虽然近几年黑龙江省实施了秸秆禁烧，但“烧荒”“炼山”“烧秸秆”“烧地头”和群众传统祭祀习俗等因素影响，农事用火依然普遍存在，重大传统节日上坟谒祖、焚香烧纸和防火期野炊等现象也较为普遍，林区野外火源管理难度加大。随着集体林权制度改革的逐步推进及国有林区、国有林场改革的逐步实施，森林内的各种生产经营活动更加活跃，林下种植规模逐渐增加，森林休闲旅游迅速发展，进入林区的人员日益增多。以上这些造成林内人员活动增多，野外火源隐患加大，森林防火形势严峻。

2 林火视频监控系统的应用

2.1 预警监测手段现状

2.1.1 天空—卫星监控

卫星林火监测是近年来卫星遥感技术在森林防火工作中的新应用。利用卫星遥感技术能够实现对大面积森林进行实时监测，这不但能够及早发现早期森林火灾，尤其是在偏远地区和人烟稀少区域的重特大森林火灾。同时它也能够对已出现的森林火灾，尤其是对重大森林火灾蔓延状况能够实施持续追踪监控，为扑火工作进行辅助策略，也能够为日常森林防火和航空护林工作提供气象、地理等信息。

卫星林火监测虽然具有监测范围广、数据收集传送快、信息推送连续，且不受地形条件的影响等优点，但同时也存在因卫星偏角影响，出现位置偏差，需要地面人员现地核实，浪费较大的人力、物力和财力。对偏远和交通不便的地方，火情核实费时费力。从卫星过境，经过现场核实，再组织队伍扑救，整个过程用时较长，容易延误火灾扑救的最佳时机[4]。

2.1.2 高空—瞭望塔人工瞭望

防火瞭望塔一般都建设在森林腹地的制高点，瞭望塔人工瞭望可以发挥高度优势，扩大森林防火监测范围,可以说是相当于为地面巡护人员安装了“千里眼”，有效解决了地面巡护无法顾及的区域，从而提高火情监测效率。依托瞭望塔的高度优势，可提高监管范围，站得高看得更远，并且可作为巡护人员的长期驻点，从而延长巡逻值班的时间。

瞭望塔人工瞭望具有覆盖面较大、效果较好的优势，同时也存在观测受地势影响，有观测死角和盲区；受天气影响，观察距离不确定；受烟雾影响，火场实际情况观察不到；受瞭望员自身影响，地位准确性不高，误差大。同时，林区天气多变、雷电天气时有发生，瞭望塔生活工作条件简陋、野生动物袭击，都影响瞭望员正常开展瞭望。

2.1.3 地面—人工巡护

全局森林资源管护人员在森林防火期内负责本责任区内的森林防火巡查，对特殊天气和重点部位加大巡视力度，以便及时发现火情，并对初发火情进行早期控制，同时通知专业队伍开展扑救[5]。进入防火期，资源管护站兼具防火检查站的功能，对入山人员进行防火宣传，禁止火种入山，及时制止野外非法弄火行为。

人工地面巡护具有灵活机动、现场决策的优势，同时也因夜间或雾天不能观测，瞭望视野小，环境影响大，容易造成误判的缺陷。野外巡查还具有一定的危险性，具有很大的局限性和不稳定性。

2.2 视频监控系统在森林防火预警监测中的应用

尚志管局深入分析当前森林防火工作的形势，准确把握森林防火工作发展趋势，坚持预防为主、防灭结合的方针，为了完善森林资源保护的无死角、全天候和实时监控，为实现“预防为主、积极消灭”和“打早、打小、打了”的目标，与中国铁塔公司哈尔滨分公司合作，充分利用铁塔存量资源、数据传输资源，以购买服务的方式建设了林火视频监控预警系统，基本建成“卫星监测、视频监控和人工巡护”的天空地立体化森林防火预警监控系统。

2.2.1 系统规划和布局

根据全局森林资源分布情况，结合林区村屯坐落，利用尚志管局范围内通信基站的高点站址、电力保障和传输资源等得天独厚的优势，利用现有防火瞭望塔高点资源，规划布设林火视频监控点位，如图1所示。由供应商协调电力供应以及传输资源，布设远距离高清摄像机昼夜实时监控。在管护站附近道路设置卡口摄像机，方便林业管理人员对上下山人员、车辆进行安全防火检查及管理。同时，为日后取证追溯提供可靠信息支撑。前端设备通过专线传输，将监控信号统一汇集到专用平台，由平台进行智能处理。发现火点后，定位火点位置，推送预警信息，智能提供路径规划、行军导航等功能，可通过移动端上传火场情况、立地条件等信息[6-4]。

图1 黑龙江省尚志国有林场管理局防火视频监控点位规划图

2.2.2 系统架构

平台是森林防火物联网系统的核心和人机交互窗口，是森林防火物联网系统用户的唯一面向的对象，森林防火软件应具备更好的针对性、易用性和专业性。

平台采用主流的技术架构，分5层框架实现，分别为应用层、应用接口层、平台层、设备接口层和采集层等，系统结构清晰、配置灵活、便于拓展和升级、与第三方系统无缝对接等，平台对上下两层提供统一接口、屏蔽具体实现细节、支持CS架构和BS架构的客户端和系统实现方式灵活多变。平台通过客户端实现对森林防火视频信号、信号的展现和保存。平台软件架构如图2所示。

2.2.3 系统功能

森林防火监控预警平台通过对采集层提供的气象、地理和视频等多传感器时空数据信息进行序列分析、预测分析、聚类分析、连接分析、判别分析和逻辑分析。通过对时空大数据的深度多维度分析，可全面掌握森林实时动态、火灾风险、灾情的区域分布、行业分布、时段分布和起火原因等信息。通过对林火因子、火灾蔓延模型进行深度学习，对林火分析、林火发生规律和林火发展态势进行综合评估，实现对林火进行智能预测、智能报警和智能指挥的综合管理体系[8]。

图2 平台软件架构图

(1)平台可以对所有前端视频监控设备 (包括高点热成像摄像机、人车卡口)的集中视频监控、存储、数据转发、管理和控制。

(2)平台支持同时管理10 000个前端网络监控设备。

(3)平台可兼容接入支持(ONVIF)标准协议及GB/T28181协议的前端视频设备，可对其中全部功能和参数进行调用。

(4)平台可对前端监控设备支持云台控制功能的设备进行手动控制，可以定位到指定位置，对设备进行调焦和变倍功能，方便用户进行精细化操作和定位。

(5)系统对道路卡口视频监控采集的人车数据采集的人车数据，从而实时监控人类、车辆活动。

(6)系统中可以显示无人机航迹显示、无人机图像与视频播放和视频接入，并支持设置查询巡检轨迹。

(7)系统支持对所有告警信息的查询、包括告警类型、告警时间和告警状态等。

(8)系统可以展示告警信息的详情信息包括图片和视频信息，同时结合地图标绘出告警信息点位置和告警信息详情描述。

2.2.4 系统应用效果

由于林区地理位置偏远，基础设施发展落后，很多地方没有道路，从而导致地面巡查人员巡视不到位，监控手段不畅，一旦发生火灾，无法及时准确报告，常常引发小火酿成大灾，造成了重大损失。通过森林资源保护实时监控项目建设，提高林业资源监管水平，减少破坏林业火灾事件发生；减少巡护费用、扑火费用以及相关扑火物资管理费用；进一步提高森林火灾的预防能力、监控能力和预警能力；进一步提高保护区的科学技术化、信息化一体化和智能化管理水平，有效保护森林资源安全；进一步提高对森林大火的紧急扑救指挥力量，加强专业扑火队伍的快速反应能力，达到合理保护森林资源，巩固造林绿化成效从而实现林业可持续发展提供强大保障[9]。

林火视频监控系统应用端可以通过pc端浏览，主要包含综合控制模块：本模块包括基本信息、气象信息、预警推送信息等；系统预警管理模块：包括预警信息的详情，信息处置等；监控视频预览模块：可以全部或部分显示监控视频画面，通过平台对远端监控设备进行调节。

系统运行3个防火期，累计推送预警信息37 000余条，随时监视农用火等野外火源，使林缘附近的火源得到有效监管，以便及时采取预防措施。

3 林火视频监控系统使用存在的问题

林火视频监控系统运行近2年以来，在森林防火预警监测中发挥了很大的作用。但在实际应用中还存在一些缺点和不足，主要表现在成本费用、监控范围和预警精度等。

3.1 通信成本费用高

该系统是与铁塔公司合作，数据传输通过移动光纤传送，通信费用占到总费用的13.6%，占比较大。

3.2 监控范围较小

该系统主要依托铁塔存量资源，22个高点监控中，防火瞭望塔仅有3个。因铁塔布设主要在村屯附近，离森林较远，对农林结合部监控范围尚可，林区内部监控不到。

3.3 智能算法还不够精准

系统前端对同一热点连续多次推送，对已经确认为误报的点位仍然持续跟紧，对农用车、水面、铁皮房盖和太阳等景象误报率高。

3.4 系统功能还需进一步拓展

该系统除进行森林防火预警监测，在资源监测、森林病虫害监控等方面功能尚未得到有效开发。

4 解决措施

4.1 加大无线传送应用

通过加大无线微波信号传送应用力度，减少光纤使用，实现1次投入多年使用，从而减少数据传输成本。

4.2 充分利用防火瞭望塔高点资源

防火瞭望塔在建设选址时都充分考虑了森林资源分布情况，使森林能够得到有效监测。今后需要加大在防火瞭望塔高点资源上多布设前端设备，减少村屯附近铁塔资源的使用，从而实现森林资源监控范围更加合理化。

4.3 拓展系统应用范围

通过深入研究，挖掘视频监控系统在森林资源管护、森林病虫害监测方面的功能，形成多功能合一，提高系统应用效果。同时，加强技术人员的培训，完善基础数据，加强系统维护，发挥系统最大效益[10-11]。

5 结语

视频监控系统在森林防火工作的应用能够拓宽预警监测的范围，能够24 h连续监测并及时推送预警信息，弥补人工巡护的不足，提高自动化、科技化水平，能够实现火情早发现、早处置，从而有效降低森林火灾造成的损失。值得注意的是，在规划建设过程中要充分考虑防火瞭望塔与铁塔的位置、重点森林资源分布情况和信号传输方式等因素，合理布设远端点位，从而达到功能完善、重点监视范围得到覆盖、成本费用低的要求。