基于铁塔的湖南省森林防火视频监控系统设计与实现

徐海文 刘沙

摘  要：文章结合湖南森林防火工作实际情况，描述了利用铁塔视频建设湖南省森林防火视频监控系统的目标和遵循的原则，提出了通过热成像、智能图像AI识别、融合通信、GIS地理信息等技术，实现基于铁塔的森林防火视频监控系统的过程，设计的系统对视频进行智能分析，对异常情况做到事前预警，使森林防火预警监测工作智慧化。

关键词：森林防火；视频监控；防火智慧化；智能识别；火情烟雾

中图分类号：TP277 文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）02-0042-04

Design and Implementation of Hunan Forest Fire Prevention Video Monitoring System Based on Iron Tower

XU Haiwen， LIU Sha

（The Forestry Department of Hunan Province， Changsha  410004， China）

Abstract： Based on the actual situation of forest fire prevention in Hunan Province， this paper describes the objectives and principles of building a forest fire prevention video monitoring system in Hunan Province by using iron tower video， and puts forward the process of realizing a forest fire prevention video monitoring system based on iron tower through thermal imaging， intelligent image AI recognition， fusion communication， GIS geographic information and other technologies. The designed system performs intelligent analysis on the video， and achieves pre-warning for abnormal conditions， make the forest fire prevention early warning and monitoring work intelligent.

Keywords： forest fire prevention; video monitoring; intelligent fire prevention; intelligent identification; fire smoke

0  引  言

近年来，视频监控系统在湖南省森林防火工作中作用越来越明显。在湖南省广大乡镇/农村，大量分布30～50米高度的通信铁塔，这些铁塔具有天然的、不可比拟的挂高优势。塔上交直流供电方式可选，具有完备的供电保障，解決后顾之忧。塔上挂载有移动通信基站，得天独厚的无线、有线甚至卫星通信条件，机房内现有的光纤资源，是匹配视频数据传输最佳方案。

系统以管控湖南省森林防火重点区域为目标，运用先进的科学监测手段，合理布局智能监控点位，利用现有通信铁塔的优势资源，可极大程度降低前期建设及后期维护成本，在5年内实现省内国有林场、自然保护区95%以上面积的视频监控全覆盖。

1  系统目标

《全国森林防火规划（2016—2025年）》是我国森林防火工作的顶层设计规划，加强森林火灾预防是重要的建设内容之一，加强森林防火视频监测监控等防火基础设施和装备建设，不断提高森林火灾防控能力是规划的重要要求。湖南山多林广，森林覆盖率高，为保护森林安全，政府部门不断投入，积极探索新的森林火灾监测监管模式，依靠护林员对森林进行巡护和人工盯防这种传统模式难以满足对森林防火监测管理工作的要求[1]。

本系统有以下三个具体目标：一是组建高精度湖南省森林防火视频监控网络，实现对森林火情火灾行为全范围、全时段的在线监控，确保森林防火重点管控区域的全面覆盖监管。二是利用智能森林烟火算法，对森林中产生的烟和火实现智能化的分析识别、自动告警、森林火情并保存监管证据。三是森林火情火灾的溯源。通过对森林防火工作中的火源火情火灾处理全流程记录，层层压实责任、推进联防联控、推进森林防火督导考核，不断提高森林防火工作责任主体的执行力。

2  设计原则

2.1  稳定性和安全性

系统的设计应符合森林防火工作和信息化相关技术标准、规范对安全性和稳定性的相关要求，功能和性能完善可靠、运行须安全稳定。

2.2  适用性与先进性

系统的设计应与用户需求适应，功能要适用，然后全面考虑森林防火工作今后的发展趋势和新兴技术发展，以应对未来森林防火视频监测应用与技术提升的需求。

2.3  共享性和扩展性

系统在设备和技术选型时充分考虑到森林防火视频监控数据和其他共享扩展工作，方便建成后的升级扩容更新，条件允许时能顺利拓展。

3  系统设计与实现

3.1  系统简述

湖南省山多林广，森林覆盖率为59.97%，森林火灾成灾因子多、森林火灾风险大，传统的森林火灾监测一般依靠护林员对森林进行巡护，或者在关键地点设置监控设备监测，但仍需要人工盯防。

不论是护林员实地巡护还是传统的视频监控技术，对人的依赖都很大。本系统在传统的视频监控监测技术基础上，增加智能图像（主要是烟和火）识别技术并融合其他高新技术，通过在铁塔顶端安装双光谱热成像云台摄像机，实现对森林防火区实时不间断监测，形成预警之后能取证，取证之后可处理的一体联动机制，实现数据保存、跨空间大范围监控、火情智能预警、火场极速定位、执法取证等[2]。监控中心统一标准，可以装入不同品牌的摄像头。使用了自主生产的数据库，提升性能的同时为数据安全保驾护航。

在通信铁塔上部署安装双光谱热成像摄像机，通过智能视频监控和智能视频云，在森林防火工作重点区域实现多角度、全天候的巡航式监控有效覆盖。湖南森林面积129 957平方千米，以3千米监控半径为主，部分区域6千米半径为辅，按每个站址平均监控面积约28平方千米分别计算，总体规划点位4 500个，据初步估算，可覆盖95%以上森林区域。视频监控系统功能过去和现在对比如表1所示。

3.2  整体设计

全省总体规划建设热成像双光谱3千米中载云台和6千米重载云台摄像机共4 500个，实现全省重点林业资源的全时段巡航式监控。湖南省森林防火视频监控系统全局设计如图1所示。

森林防火视频监控系统采用省、市、县三级架构；存储放在市级平台。省级平台管理和调阅各市的视频资源、告警信息、存储的重要视频。市级平台管理本市的前端摄像机，存储所有监控和视频资源，查看处置告警信息。县级平台查看本县视频和处置本县告警。

通过在通信铁塔上新建高位视频监控，整合已有/新建低位视频监控，配合物联网传感器，实现重点区域智能感知，所有监控、监测数据统一管理，通过人工智能平台进行分析，自动派单至网格员处理，形成信息监控闭环管理，提升林业管理的智慧化水平[3]。

3.3  智能化视频监控

总体规划建设跨省级、市级和县级三级行政区划的平台。其中省级监控平台1套，包含智能视频云、监控大屏、操作台、交换机、防火墙以及管理、流媒体等各类服务器；市级监控平台14套，包含智能视频云、监控大屏、操作台、交换机、存储以及管理、流媒体等各类服务器；区县级监控平台122套，包含智能视频云、监控大屏、操作台、交换机等。

3.3.1  火情烟雾自动报警

設备嵌入DSP温度分析火点探测自动报警模块，自动探测环境热源同时可以唤醒周边其他设备。专为森林火灾设计的热成像分析算法，可以监测6千米以内2米×2米森林火源或8千米处5米×5米的烟雾源，能过滤车辆等短暂存在的热源和因日照导致的石层和土层 热干扰。

3.3.2  火情调度指挥

中心平台接收到设备提交的报警信息，会自动搜索整理，并在调度指挥系统上展示附近蓄水池、瞭望塔和扑救队伍等信息，根据火场、森林防火设施和气象等实际情况进行调度。

3.3.3  火点智能定位

视频监控系统探测到热点或接收到报警后，根据算法计算出火点的具体位置并在地图上确定火场的准确位置。

3.3.4  报警信息分析

系统可以统计森林火灾报警信息并进行智能分析，分析的火情信息结果以用户设定的效果展示，采用大数据技术展示界面将森林火情报警信息等展现。

3.3.5  视频质量核检

系统能够对终端采集设备传输的视频等数据进行质量诊断核查，对本身的故障等进行诊断。

3.3.6  前端防结雾

秋冬时节，天气多雾，正好是防火期，容易发生森林火灾，防雾功能能保证图像的清晰，

3.3.7  透雾监控功能

林区可能存在多雾天气，系统具有对森林防火视频穿透雾气技术，即便在森林中雾气环绕的情景下仍获得穿透雾气的视频图像。

3.3.8  报警阈值梯度设置

红外热成像的数据值跟传输距离成正比，如果需要对6千米半径内烟、火点位信息精准探测，可在设备内设置8个梯度，探测器根据梯度设置，智能设定适宜的热点报警阈值，确保火点自动报警的准确性。

3.4  智能视频云

3.4.1  智能化视频分析

系统在铁塔顶端安装双光谱热成像摄像头，通过网络传输视频流，确保24小时实时监测林区[4]，借助告警、取证、处理的一体化机制，实现数据保存、跨空间森林大范围监控、火情智能预警、森林火点极速定位和执法取证等。

智能视频云可以根据森林防火实际需要同时装入多种不通过类型的终端视频设备并同步进行智能化分析和信息收集[5]。

3.4.2  森林火情视频识别（算法识别）

系统通过智能森林烟火算法对捕捉到的火或烟进行定位，工作人员获取定位位置信息，告知一线护林员到火或烟位置进行初步处置。

3.4.3  烟火监测模型设计

根据HOG和LBP特征，再通过VGG16分析所获得的深度特征进行烟火监测，结构图如图2所示。

其中input1和input2分别是HOG特征和IBP直方图特征，而input3则是VGG16深度特征，将它们压缩后进行融合，再在全连接神经网络中进行分类，智能识别烟雾分类实例如图3所示。

3.4.4  实时视频查看

实时查看系统的各种监控视频。

3.4.5  电子地图

支持多GIS电子地图，实现告警在地图上呈现及实时监控。

当报警发生时，系统能自动获取报警设备的默认预案，电子地图跳转到设备所在地图并闪烁提示、同时显示联动的视频监控画面和其他相关动作。

操作人员可进行与处理，对报警进行处理或报警上传操作。如果报警信息未在规定的时间段内进行处理，则自动上传到上级报警客户端，保障了报警处理的及时性。

3.4.6  录像回放

可通过设置各种条件快速检索需要回放的视频，具有按时间线展现播放功能。

通过对时间线上两个时间点的打点操作，实现对该时间段视频录像的下载功能，具有时间选择灵活、操作方便的特点。

3.4.7  报警处理

（1）当系统接收到报警信息（来自视频分析后的报警信息、手机APP或者PC客户端发出的报警信息），根据报警类型（林木焚烧、垃圾焚烧等），PC客户端软件或者手机APP能判断上报报警的摄像机信息并显示当前观看的监控点位信息，并在电子地图上直观显示。

（2）同步把该报警信息推送推送至管理员手机。确认警情后，将该信息发送给巡护人员的手机APP，便于现场追踪处理。

（3）网格管理人员处理完工单后，将该报警信息置于“已完成”状态。

（4）管理员通过计算机或者手机APP软件来查看工单的执行情况，“进行中”或者“已完成”，已确保报警处理流程的闭环。

系统报警处置流程如图4所示。

3.4.8  报警日志

日志查询功能包括报警日志查询、报警日志统计，系统告警信息较多且要进行统计，设计按照区域和时间段进行查询和统计，可设置类型、时间、是否已处理、处理人等查询条件对单个或多个摄像机进行分级查询、按区域等设置条件统计。

3.5  手机APP

3.5.1  實时视频监控

通过手机APP可以直接查看前端摄像机的实时视频图像 并对视频云台进行控制。

3.5.2  电子地图

当报警推送时，可以通过手机APP的电子地图功能，查看报警点的地理位置信息和报警发生点的实时视频图像。在APP内可以查看报警点的实时视频画面，自动调用导航软件等地图应用，然后跳转到导航页面，便于处理人员前往现场应急处理。

3.5.3  实时视频异常报警

APP可以展示所有摄像机列表，实时查看监控视频，需要报警时，可一键报警。

3.5.4  报警消息追踪

在管理人员APP中，点击“报警消息”即可查看当前系统内生成的报警信息，包括“待处理”和“已处理”的信息。

4  结  论

湖南省有铁塔通信站址近9万个，覆盖全省各个区域，网格颗粒度小，铁塔高度以30～50 m为主，为系统快速、低成本、高质量部署提供便利条件，湖南省林业森林防火工作应充分利用这种优势。利用铁塔视频建设湖南省统一的森林防火视频监控系统，实现系统间信息共享和交互，能有效推进湖南森林防火的智慧管理、智慧服务。

参考文献：

[1] 覃先林，李晓彤，刘树超，等.中国林火卫星遥感预警监测技术研究进展 [J].遥感学报，2020，24（5）：511-520.

[2] 姜正财，周川.远程视频监控系统在森林防火工作中的应用 [J].信息通信，2017（9）：134-136.

[3] 叶万举.森林防火监控系统的发展前景 [J].黑龙江科技信息，2016（1）262.

[4] 李光辉，赵军，王智.基于无线传感器网络的森林火灾监测预警系统 [J].传感技术学报，2006（6）：2760-2764.

[5] 秦钰林，周若麟，张珂欣，等.基于NB-IoT窄带通信和多传感器组网技术的森林火灾监测预警系统 [J].物联网技术，2020，10（6）：14-16+19.

作者简介：徐海文（1980—），男，汉族，湖南汨罗人，高级工程师，硕士，研究方向：政府部门信息化；刘沙（1974—），男，汉族，湖南岳阳人，工程师，本科，研究方向：森林防火。

收稿日期：2022-08-05