视频分析技术在火灾调查中的应用研究

王子焱，万树江

(1.湖北省消防救援总队 火调技术处，湖北 武汉 430070；2.宜昌市消防救援支队猇亭大队，湖北 宜昌 443000)

火灾调查工作是法律赋予消防救援人员的一项重要的职能，以总结经验、分析火灾原因，为火灾预防工作奠定基础。目前，火灾调查工作除走访、询问等传统调查手段外，主要有基于数值模拟平台、基于视频分析技术等新兴火灾调查技术。在数值模拟技术研究中，郭亮等[1]介绍了依托FDS软件的民房火灾场景重构建，数值模拟场景中温度场等相关变化。董艳磊等[2-3]把模拟仿真技术运用到电气火灾事故调查中，在模拟仿真软件中建立模型，通过设置不同的模块参数，模拟短路时特定参数的变化特点，为火灾调查原因认定提供帮助。以上研究主要关注火场中物理信息等的变化，如温度场、烟雾等，在火灾调查中仅作为辅助手段，无法为真实确定起火时间、地点等提供准确信息。

视频监控的使用逐年增长，在日常生活中已随处可见。随着视频分析技术在火灾检测等领域的广泛应用[4-7]，基于视频分析技术的火灾调查技术因可通过画面呈现起火前场景、对火灾现场进行还原重建等优点逐渐获得消防救援等相关人员的关注。目前，关于视频分析技术的研究主要集中于分析方法与应用等基础研究，如贾骏[8]通过一起电气火灾事故调查，对量化数据法计算电弧光影及现场实验应用进行了归纳总结；何国平[9]介绍了视频图像分析在火灾原因认定中的具体应用；陈艳波等[10]通过对监控画面的处理、分析，结合静电火灾的发生机理，分析认定了一起生产车间火灾的起火原因；SON等[11]研究了火灾检测领域中视频分析的具体方法；薄建伟、牛小林、王鑫等[12-14]结合实际火灾，深入探究了视频分析技术在火灾事故调查中的应用与实践办法；李建明[15]介绍了现代信息技术在火灾事故调查中应用的重要作用，探究了视频分析技术在火灾调查中有效应用的对策；吴康忠等[16-17]总结了相关人员使用视频分析技术所存在的问题，但未对体制等建设中所存在的问题进行挖掘；闫家伟等[18]对智能视频分析技术的基础应用与原理进行简单总结，但未对该技术存在的预警实效性与精确性等关键问题进行描述。综上可知，目前关于视频分析的手段方法研究较多，但对视频分析技术在基层火灾调查领域的应用现状关注较少。同时，对于视频分析技术在火灾调查应用中的不足之处分析不够深入，对于技术应用的发展提出的思路不多。

因此，笔者结合以往研究成果，首先通过视频火灾技术在一起火灾事故调查过程中对于起火时间、起火部位、起火原因等关键问题的研判所起到的关键性作用，引发对视频分析技术应用于火灾调查工作的思考；随后总结了主流的视频分析技术分析方法，指出不同分析方法对火灾相关信息的挖掘原理；指出在基层火灾调查工作中，存在着证据提取规范不明、人员分析能力较低等不足之处；最后提出要不断提高人员技术水平、优化设备建设、完善制度建设等建议，为火灾事故还原提供更科学合理的依据，进一步提高视频分析技术基层应用的有效性。

1 视频分析技术在一起火灾调查中的应用

1.1 火灾基本情况

2022年6月17日23时30分许，某市某物流城一建筑发生火灾，造成人员伤亡。该建筑共3层，主要用于业主日常生活，一层为人员活动区，堆放有摩托车电瓶、发动机、机油等物品，二层为厨房和客厅，三层为卧室。调查人员通过视频分析、现场勘验、询问等调查手段，认定该起事故起火原因为起火建筑一层东墙配电箱内部电气线路故障，引发火灾。

1.2 视频分析情况

通过走访起火建筑附近的监控设备，收集火灾发生时目击者的手机录像等资料，对记录有火灾相关信息的7个枪机摄像头进行视频采集，同时对到场处置警察所持的执法记录仪进行视频提取。使用视频图像处理软件对视频资料进行放大、清晰化处理，通过逐帧分析法截取首次出现烟气和光亮的单帧画面，使用直接校准和特征画面间接校准法对时间戳进行校准，确定在北京时间2022年6月17日23时39分51秒时，监控画面首次记录到起火建筑门前烟气流动。23时48分22秒时，监控画面首次记录到起火建筑一楼室内出现亮光，并且持续爆闪，符合电气故障的视频图像特征。

警察到场处置时，所佩戴的执法记录仪能直观记录到起火建筑内部燃烧情况。对其视频资料重点分析，可知起火部位位于起火建筑一楼靠近东墙区域，如图1所示。北京时间00时00分38秒，可见起火建筑一楼东北角配电箱外壳部分烧损，露出内部黑色烟熏痕迹，与其附近白色墙壁形成对比，如图2所示，可知火灾初期，配电箱已发生故障。

图1 火灾初期，起火建筑内部燃烧情况

图2 火灾初期，配电箱形貌

此外，通过视频分析，可知火灾发生前无雷雨天气，未见可疑人员从起火建筑正门进入室内，未见外来火源进入室内。

1.3 起火原因认定

通过视频画面分析，可排除雷击、人为放火原因。在监控画面记录到烟气流动后的8 min内，起火建筑1层未记录到明显的光影变化，说明这一阶段烟气生成的过程中不伴随发光，或伴随发光亮度较小，被遮挡后无法引起明显的光影变化。结合对执法记录仪视频画面的分析，东墙门口配电箱盖被火焰烧损后可见内部烟熏痕迹严重，与附近白色墙壁形成对比，可知此烟熏痕迹并非为外部火焰燃烧产生的烟尘附着，而是配电箱内电气故障导致。综合认定起火原因为起火建筑1层东墙门口配电箱内部电气线路接触不良，长时间断续打火，引燃电线绝缘层并长时间释放热烟气，配电箱内部电气线路在23时48分22秒打火时突破配电箱盖后，燃烧物滴落在配电箱下方的铅酸电池瓦楞纸包装盒上，引燃瓦楞纸包装盒及附近发动机包装盒、泡沫等可燃物形成稳定燃烧，燃烧过程中，大量有毒烟气蔓延至建筑三层，造成4人一氧化碳中毒死亡。

1.4 启示

1.4.1 视频分析技术应用的重要性

在这起火灾调查过程中，视频分析技术的应用对起火时间、起火点、起火原因的认定及火灾发生过程的还原起到了关键作用。起火建筑一层电脑断网时间为6月18日00时03分20秒，第一报警人报警时间为6月17日23时51分。通过逐帧分析法可知，视频最早记录到烟气流动时间为23时39分51秒，若缺失此项视频证据，起火时间的认定将更晚。

通过视频图像处理发现，火灾初期起火建筑一层东墙配电箱内部存在烟熏痕迹，与周围无明显烟熏痕迹的墙壁形成对比，可知配电箱曾发生故障，且与外部火焰无关。而现场勘验中，配电箱周围墙壁墙皮脱落，提取附近熔珠送检鉴定为短路熔珠，无法确定其短路是否由外部火焰造成。若缺失此项视频证据，则在配电箱起火前发生故障的客观事实认定上存在困难。

火灾现场往往存在大量与火灾相关的视频资料，如行车记录仪、监控系统、目击者手机录像等，也可以从当事人短视频平台中上传的视频内容，对起火建筑内部物品摆放、当事人精神状态等信息取得初步了解。视频资料能为调查工作提供有力证据和关键参考信息，如在画面模糊不清、未直接拍摄到火灾发生过程的情况下，单纯的视频浏览只能获得有限的有效信息，善用视频分析方法，结合画面呈现的光影、火焰、烟气等物理特征，对有限内容深入分析，才能挖掘出有用线索，这也是火灾调查人员专业素养的体现。

1.4.2 及时全面采集视频证据

火灾调查人员到达现场后，应及时查找现场及周边建筑、制高点建筑的有效监控设施，第一时间进行提取，防止录制覆盖、人为篡改等情况发生。同时应广泛调查走访，及时收集目击者拍摄的视频影像，对于经过现场的汽车所搭载的行车记录仪、到场处置人员佩戴的执法记录仪等可能记录火灾信息的设备，快速提取视频资料，初步筛选分析，第一时间为现场调查工作提供帮助。

1.4.3 科学准确分析视频图像

对于提取的视频资料，应首先进行时间校准。对于摄录设备灾后完整好用、且画面具有时间戳的情形，可直接校准；对于摄录设备损毁及无时间戳显示的情形，可通过相同特征影像比对进行间接校准。直观记录火灾发生发展过程的监控视频，可以进行直接分析；因受到拍摄角度、环境亮度、视频画质等因素影响而无法直观反映火灾发展过程的，应通过图像处理、光影分析、视频融合等方法深入解读视频内容，为调查工作提供准确、有用的信息。

2 视频分析方法

2.1 逐帧分析法

视频可以看作一系列随着时间变化的动态图像序列，序列中每幅图像称为帧。一段完整的视频以秒为单位对画面进行划分，而一秒视频中包含的图像数量通常在25～30之间，且相邻两帧画面之间的时间间隔为40 ms。在爆炸、闪燃等火势发展迅速的情况中，仅仅通过肉眼观察视频的动态影像，无法对火灾相关信息进行有效识别和判断，此时可以使用逐帧分析法对视频影像以最小单位帧进行有效划分，将瞬息万变的火灾发展过程以静态图像呈现，便可对火势发展蔓延、起火原因、起火点等有效信息及时捕捉、分析。

2.2 特征比对法

通过分析视频中火灾发展过程伴随的火焰、烟气、光亮的物理特征，以及火势蔓延速度、燃烧产物状态等视频特征信息，分析认定引火源和可燃物种类，为现场勘验、询问提供依据，为起火部位、起火原因认定提供线索。例如，火焰颜色特征与燃烧物质有关，有机物质燃烧时，其含氧量越高，火焰中生成的游离碳越少，火焰越昏暗，含氧量越低，火焰越明亮；无机物燃烧火焰颜色则与其理化性质相关，如氢气燃烧发出浅蓝色火焰，金属钠燃烧发出黄色火焰。不同种类的火灾也对应着不同的视频图像特征，如电气故障时，因弧光放电等原因会在视频画面中出现强烈的爆闪现象；锂电池热失控的视频图像中，会先出现冒烟现象，火势发展迅速，伴随有爆炸、电气故障的爆闪、火星溅射等现象。

2.3 视频融合法

为准确定位火灾时特征影像的痕迹特征位置和变化规律，调节起火时特征影像的透明度，叠加到对应的清晰画面上，通过合成影像，帮助调查人员直观、动态、全面地了解火灾发生发展过程。例如，在夜间火灾等环境光亮强度差的情况下，画面只有燃烧火焰的光亮特征，却无法判断火焰在环境中的位置。可将白天时清晰的特征视频画面作为背景，叠加起火时记录有火焰信息的视频画面，即可快速认定引火源、起火点等关键线索。

2.4 光影分析法

光线在空气中沿直线传播，燃烧产生的火焰光亮受遮挡物遮挡会在空间内形成明亮区、阴影区，明暗交界处存在光影轮廓线。光影分析法主要是通过结合实际现场可测的距离或角度，对明亮区、阴影区的位置、范围及光影轮廓线形成的角度等物理参数进行等比计算，从而对起火部位进行大致确定。火灾现场提取的视频资料仅记录到火灾相关的光影信息时，使用光影分析法确定同时刻光源位置，则可大大缩小勘验范围，提高调查工作效率。

3 视频分析技术在基层火调应用中存在的问题

基层火灾调查工作中，视频分析技术的应用主要有发现、提取、分析3个主要环节，如图3所示，而在这些环节中存在着一些常见问题。

图3 火灾调查工作中的视频分析流程

3.1 证据提取不规范

目前，许多基层火调员对视频分析技术了解尚浅，接受专业的技能培训较少。在火灾调查过程中，对现场视频采集提取的注意事项和有效方法往往不能准确落实，会导致很多问题的产生。例如，调查人员提取视频时忽略了时间校准，一旦监控主机断电或损坏，就会对分析工作造成影响；没有及时采集提取视频证据的意识，导致火灾发生时的视频记录被覆盖或被人为篡改；提取火场中的监控主机硬盘时，因操作不当，导致原本可以技术恢复数据的硬盘彻底损坏。此外，火灾调查领域关于视频证据的提取没有明确规范标准，致使调查人员在视频采集时无据可依，一定程度影响了视频证据的证明力，使科学、规范、严谨的调查程序出现漏洞。

3.2 装备配备不完善

目前，很多基层火灾调查人员开展视频分析工作时，没有专业的数据采集设备、视频分析设备及分析软件。火灾现场中提取到的监控主机硬盘，在火烧、烟熏、水浸的情况下往往存在一定程度损坏，基层单位缺少独立恢复硬盘数据的基本设备和方法，送至研究所或技术公司修复，则可能存在周期长的问题，影响调查工作开展进度。视频分析常需要从大量视频资料中筛选关键内容，同时使用各类技术手段进行处理，一些好的视频分析软件一般只配置于总队、支队层面，软件的缺失使很多调查人员不得已“赤膊上阵”。此外，没有专业的视频分析设备，使用办公电脑或私人电脑开展视频分析工作的情况普遍存在，无法满足软件运行及视频存储对分析设备硬件的需求，一定程度影响了分析工作的效率和结果，也不利于视频证据的留存。

3.3 视频分析不深入

火灾现场中的视频资料记录了火灾发生时的客观事实情况，这些都需要调查人员运用视频分析方法深入挖掘获取。火场情况各不相同，视频资料也不一定都能直观记录到火灾发生发展全貌，如有的视频记录到火灾现场人、动物的异常行为，记录到空间中的光影变化特征，而部分调查人员视频分析意识不强，分析方法应用不熟练，当视频中某些重要信息不明显或看似不相关联时，可能草率略过，或者不会使用分析方法去提取画面内容包含的关键线索，导致火灾相关的关键信息遗漏，无法推动调查工作高效开展。

4 提高视频分析技术应用有效性的建议

4.1 提高火灾调查人员视频分析技术水平

中国火灾调查领域开元至今，经过前人的不断探索实践，已经熟练掌握了现场勘验、询问等调查方法，对火灾痕迹物证的鉴别、认定也有了深刻的理解和认识。视频分析作为新兴的调查技术，许多基层调查人员仍处于不了解、不重视阶段，工作中常忽视分析技术的应用，缺少业务技能的学习。而随着天网监控系统建设不断升级，公安机关早已摸索出一套完备的视频分析技术体系。信息化时代，火灾调查事业要蓬勃发展，必须学会灵活运用新技术、新方法。基层消防大队多是开展火灾调查工作的一线，也是磨砺实战能力的练兵场，必须强化基层调查人员对视频分析技术重要性的认识，自觉提高分析技术水平；相关管理部门要不断优化制度和体系，增大人力、物力、财力投入，搭建优质学习平台，组建专业的视频分析技术队伍，在实践中推动视频分析学科不断进步，从而更好地服务于火灾调查工作的科技化发展。

4.2 加强视频分析基础设备建设

工欲善其事必先利其器。基层火灾调查工作中视频分析技术应用不够、推动调查工作作用不明显的情况，与专业设备及软件配置不到位有很大关系。上级管理部门要抓好统筹，科学规划视频分析队伍建设，善用“拿来主义”。当前，视频分析在各个领域应用广泛，除了引进先进技术和设备外，如比较成熟的视觉定位原理、图像处理算法等基础理论，还可以通过后期学习，结合火灾调查工作特点，研究形成适用于火灾现场的视频分析方法，加以推广，推动学科发展进步。各级单位要提高认识，因地制宜强化基层视频分析队伍的软硬件基础建设，使调查人员真正有工具、有方法在实战中应用视频分析技术，从而提高基层火灾调查工作质效。

4.3 完善视频分析制度体系

火灾视频对起火部位、起火原因认定及事故责任厘清有着直接、重要的作用，在司法实践中，它是具有视听资料和电子数据属性的证据。但在火灾调查工作中，火灾视频的提取流程、视频分析报告的出具都没有相关标准进行统一规范，一定程度上影响了视频证据的证明力。例如火灾视频来源是否合法，证据提取是否合规，采集的视频是否为原件，视频内容是否真实，有无人为删减、编辑、修改的情形，这些都需要不断完善相关规范、制度，使视频提取、鉴定、分析过程合规、严谨，从而确保视频证据的有效性。

5 结论

(1)在信息化时代，监控设备等录像工具随处可见，火灾视频直观、准确、动态地记录着火灾发生前、发生时、发展中的重要信息，火灾调查人员必须提高认识，排除一切干扰和阻挠第一时间调取火灾视频资料，并及时将其作为物证进行提取、封存。

(2)由于视频记录设备的客观条件和火灾发展过程中诸多因素的影响，火灾相关的视频资料不一定能完整记录火灾发生全过程，一部分并未直观记录火灾相关的有效信息，需使用视频分析技术采集、挖掘、提炼、总结其中的关键线索，来提供视听证据和调查方向。这要求火灾调查人员强化装备建设的同时，不断提升逻辑思维能力和分析技术水平，强化火灾基础知识和调查实践经验储备，这样才能更加敏锐、有针对性地发现视频中的细节线索，充分挖掘有效信息。

(3)将不同领域的视频分析基础理论学深悟透，结合火灾调查工作特点，探索延伸更多的火灾视频分析方法，能有效推动视频分析技术在火灾调查领域的快速发展。

(4)相关部门应持续完善规范制度，使基层调查工作有据可依，确保视频证据能有效、精准地为原因认定和责任厘清提供证明，以制度为保障推动传统调查方式信息化、科技化革新。

(5)火灾调查工作中不能片面地以视频分析结果作为判定依据，需同时结合现场勘验、询问等调查情况，相互印证、反复论证，才能使分析结论得到科学、充分、有效的运用。