南方地區林火視頻監控系統設計
——以石柱縣森林火災高風險區為例

王夢犀，張冠湘，朱國飛，史 建，許浩煜

(國家林業和草原局昆明勘察設計院，云南 昆明 650216)

1 引言

林火視頻監控系統，是森林防火領域有效應對森林火災的一種智能化監控預警系統，為各地林草部門開展森林草原火災預防與安全生產保駕護航。我國林火視頻監控的發展從20世紀90年代單純視頻圖像采集，到2010年左右火點自動定位和煙火自動識別技術，再到2012年以來紅外線和可見光雙通道技術，技術迅速發展起來，尤其是近幾年來產品應用日趨成熟，以高清網絡攝像機、紅外熱成像攝像機、高清變焦鏡頭和重型網絡云臺等成為主流，林火視頻監控系統廣泛應用于林區、森林火險區、自然保護區、森林公園等[1]。

根據全國森林火險等級、森林資源分布狀況和森林火災發生情況，將全國森林防火區域劃分為森林火災高危區、森林火災高風險區和一般森林火線區3類[1]。本文以重慶石柱森林火災高風險區為例，立足南方地區，以案例形式構建了一套林火視頻監控系統，為林火視頻監控系統的規劃和建設提出建設性的思路。

2 森林火災高風險區概況

重慶市石柱土家族自治縣(以下簡稱“石柱縣”)位于長江上游南岸、重慶東部、三峽庫區腹心，是集民族地區、三峽庫區、革命老區、武陵山集中連片特困地區于一體的特殊縣份。石柱縣東接湖北省利川市，南連重慶市彭水縣，西南臨重慶市豐都縣，西北界重慶市忠縣，北與重慶市萬州區接壤。全縣幅員面積3014 km2，轄3個街道、17個鎮、13個鄉，戶籍人口54.77萬人，常住人口37.91萬人，有土家族、漢族、苗族、獨龍族等29個民族，少數民族占總人口的72.3%。

石柱縣森林資源豐富，林地面積215735.64 hm2，活立木總蓄積2552041.4 m3，森林覆蓋率57.40%。石柱縣屬于中亞熱帶濕潤季風氣候區，環境條件復雜，分布有三峽庫區殘存的幾塊亞熱帶常綠闊葉林，生物種類極為豐富。根據《全國森林防火規劃》(2016～2025)，石柱縣為重慶市33個森林火災高風險區之一。石柱森林火災高風險區內的森林資源、動植物資源豐富，尤其在森林面積較廣且人員活動稀少的大范圍區域，缺少林火視頻監控系統，于整個森林火災高風險區的資源保護極為不利。因此，建立林火視頻監控系統，從全面性、高要求、長遠性，將石柱森林火災高風險區內森林資源以及野生動物資源納入視頻監測保護的范圍，為森林火災高風險區的保護提供有效技術支撐[2]。

3 林火視頻監控系統設計

3.1 總體布局

林火視頻監控系統(圖1)，本著規范性、先進性、兼容性、前瞻性、易用性以及安全與保密原則，結合近遠期建設的迫切需求和實際情況，在石柱森林火災高風險區共設置10個前端視頻監控點，視頻監控信號通過光纖專線傳入監控中心(縣級林業局森林防火總監控中心和專業隊伍營房分監控中心)，在總監控中心采用LED全彩顯示屏，在分監控中心采用電視機顯示前端監控視頻圖像等信息。林火視頻監控信號路徑：從石柱縣森林火災高風險區→石柱縣林業局森林防火總監控中心→石柱縣政府應急平臺中心→重慶市林業局森林防火指揮中心[3]。

圖1 林火視頻監控系統拓撲圖

3.2 前端視頻監控點

前端視頻監控點的功能是采集視頻、音頻、報警信號后，利用成熟的音視頻數據處理技術，對視頻、音頻、報警數據信號進行壓縮、分析、IP化處理，然后通過傳輸網絡傳輸到監控中心。

根據林火監測的需要，前端視頻監控點必須具備360度全方位、24小時全天候遠程實時監控的特點[2]，而且監控環境為林區，光線變化很大，必須采用熱成像和可見光雙通道技術，配備煙火識別模塊，通過重型網絡云臺大范圍廣視距不間斷巡航監控，全時保護石柱森林火災高風險區內森林資源以及野生動植物資源，以及防止人員流動進入森林火災高風險區帶來破壞和干擾[14]。根據石柱森林火災高風險區的實際情況，林火視頻監控系統的前端視頻監控點的建設配置情況見表1。

表1 林火視頻監控點的建設配置情況

前端監控預警系統主要包括以下部分：監控云臺、高清林火監控設備(熱成像和可見光高清攝像機)、防盜系統、供電系統等(圖2)。

圖2 前端視頻監控點結構示意

3.2.1 監控云臺

監控云臺由包括野外大型防護罩、重型數字云臺等組成。

(1)野外大型防護罩。由于森林火災高風險區林火視頻監控系統前端視頻監控點在野外，需要采用野外大型防護罩用來保護攝像機和長焦鏡頭，將攝像機和長焦鏡頭安裝在防護罩內是現實智能監控全天候24小時工作的重要保障，面對野外惡劣的氣候條件，野外大型防護罩需要防火、防雨、防風、防潮、溫控、防腐性能的要求[5]。

(2)重型數字云臺。前端視頻監控點一般都位于林區較高的位置，視野開闊，但可能風力較大，極易導致攝像機發生晃動從而引起監控圖像抖動，為了滿足野外林火視頻監控的需要，需要采用重型數字云臺安裝攝像機和長焦鏡頭防止晃動，同時由于基于林火視頻監控的范圍較大，需要重型數字云臺能夠實現0°～360°的全方位角以及-90°～+90°俯仰角度的大范圍監控才能滿足林火視頻監控的要求。為了實現森林火災高風險區林火視頻監控系統的自動定位，需要采用的重型數字云臺具有定位功能，配合后端GIS平臺軟件實現自動定位。

(3)前端控制集成模塊。由于前端視頻監控點設備都工作在野外，涉及到熱成像溫差預警和可見光系統、防盜報警的數字報警主機、功放、控制電路、編碼器、交換機等設備，針對野外惡劣的氣候條件，這些電子設備的都無法正常工作在野外的環境，只有采用一體化設計的集成控制設備，將前端視頻監控點的智能監控設備集成到一個恒溫控制防水箱內，才能保證野外森林火災高風險區林火視頻監控系統長時間穩定可靠運行。

3.2.2 高清林火監控設備

高清林火監控設備包括可見光攝像機、紅外熱成像攝像機、高清透霧鏡頭及前端數據采集模塊等組成。

(1)可見光攝像機。可見光攝像機要求全高清畫質(實時圖像)：成像器：≥1/2.8″CMOS；有效像素：不低于2048(H)×1536(V)；日夜模式：自動/彩色/黑白/外部/日程；最低照度：彩色≤0.001 lx，黑白≤0.0001 lx，滿足林火視頻監控在夜間較低光線照度下的監控需要；分辨率：≥1920×1080，輸出不低于1080 p。配備智能探測識別模塊，集成智能視頻移動探測軟件，可對高清視頻進行三維建模處理，當有人或者動物進入監控范圍內時發出報警信號，并自動啟動錄像、跟蹤并標識移動軌跡[7]。

(2)紅外熱成像攝像機。采用高靈敏度遠紅外熱成像系統，具有超高的溫度分辨率，高靈敏度和高性能的熱成像功能，可實現夜間識別、跟蹤、分析等。要求：光譜范圍： 8～14 μm；分辨率：≥384×288；像元尺寸：≤25 μm；圖像幀頻: 7.5 Hz(NTSC)或8.3 Hz(PAL)；配備熱成像溫差預警系統：根據物體溫度與環境溫度的差值，自動計算數字，在計算結果接近物體燃燒溫度值時，系統自動識別并發出報警信號，預警率高達95%。

(3)高清透霧鏡頭。根據林火視頻監控范圍的不同，選用不同焦距的高清長焦電動變倍透霧鏡頭，以滿足林火視頻監控大范圍大視野監控的需要，一般情況下，3 km的監控范圍選用10～330 mm的監控范圍選的長焦鏡頭，5 km的監控范圍選用15～510 mm的監控范圍選的長焦鏡頭，10 km的監控范圍選用12.5～775 mm的長焦鏡頭。

3.2.3 防盜報警及對講系統

前端視頻監控點設備大多數安裝在無人值守的山林高處，需要考慮設備防盜的問題，對于野外林火視頻監控點的防盜，采用安防攝像機視頻移動偵探方式進行自動防盜報警，并采用雙向語音對講方式起到警告和威懾作用。

3.2.4 供電系統

建設項目位于重慶市石柱縣森林火災高風險區，林火視頻監控點雖位于林區，但基礎供電條件相對較好，可借助現有鐵塔的電源和農村低壓電網電源，新增野外小配電箱和低壓線路，可滿足前端視頻監控點設備的供電要求。

3.3 傳輸網絡

林火視頻監控系統的傳輸網絡是整個系統的樞紐環節。在鐵塔選擇上，一般采用新建鐵塔，可采用獨管或三角(四角)鐵塔，若傳輸距離不夠或中間有遮擋，單獨增加中繼點輔助鐵塔。其優點是一次性新建完成，可形成固定資產，便于驗收和管理，缺點是初期投資較大，后期維護周期較短，且不利于國有資產的整合，容易導致重復建設[8]。

在傳輸模式上，主要有3種網絡傳輸方式：運營商專線、自建光纖網絡、無線微波傳輸。運營商光纖：林火視頻監控系統具有特殊的地理環境，根據點位設備可通過通訊運營商的光纖回傳，光纖回傳信號穩定，后期維護成本低，故障率低，且有實力的運營商出現問題后處理及時性比較高，建議優先考慮使用。自建光纖網絡：自建光纖網絡適合區域性的林火視頻監控或者景區監控，指揮中心位于林區外或者邊緣，自建光纖網絡穩定，但前期投入較大。無線微波傳輸：無線微波傳輸在林火視頻監控項目中我國北方使用比較多，因為無線微波傳輸要求可視，北方平原地帶，無遮擋，傳輸距離較遠；南方山區可視距離短，多需要采用中繼，但是在網絡傳輸過程中中繼過多網絡信號就會衰減，傳輸延時就會加大，同時無線微波在傳輸過程中也很容易受其他無線信號干擾，造成信號間歇式的中斷，這就會造成視頻信號不穩定的情況出現，所以在南方一般不推薦使用無線微波傳輸。

本次石柱森林火災高風險區設計的傳輸網絡，不同于傳統模式，立足重慶乃至南方地區，主導“以租代建”思路，整合鐵塔資源和運營商光纖專線，優點如下：一是國有鐵塔公司和網絡運營商在整個重慶布局的鐵塔資源十分豐富，已全部覆蓋石柱森林火災高風險區本期要建的視頻監控點；二是鐵塔公司的鐵塔在位置選點、距離控制和視野覆蓋面比較科學，和林火視頻監控系統的要求基本一致；三是鐵塔公司的鐵塔為滿足運營商的設備運行和傳輸需要，已自備電源或引接農村低壓電網，且備有負荷裕量，完全滿足林火視頻監控系統的設備用電；五是租用鐵塔和專線網絡，建設和維護均由鐵塔公司和運營商服務，免去專人維護成本，避免重復建設的弊端。缺點：需要長期支付租用費用，不過，石柱縣林業主管部門在當地政府的協調下，該問題已經可以完全解決，比起新建鐵塔和網絡傳輸的前期投入和維護成本大大降低，這種方式傳輸最大程度上能保證網絡傳輸的穩定性。因此，此方式構建林火視頻監控系統的傳輸網絡不失為一條可選擇的實踐途徑。

根據測算，租用運營商光纖專線的方式傳輸，前端監控點位雙光譜攝像機包含高清監控攝像頭及光譜攝像機和防盜攝像頭的3個圖像，平均要求每個監控圖像不低于8 Mbps的光纖通信帶寬，所以每個點要求至少30M的傳輸帶寬。林業局指揮中心建議采用100 M互聯網專線(用于前端手持采集數據業務的數據回傳及與市林業局指揮中心對接專線)方式。

3.4 指揮控制中心

指揮控制中心是整個石柱森林火災高風險區林火視頻監控系統的處理中心和中樞系統，所有前端的視頻監控圖像、報警信息、前端監控點的遠程控制、輸出展示等均在控制指揮中心完成。

指揮控制中心主要包括：視頻聯網監測管理平臺、GIS管理平臺軟件以及支撐軟件系統的硬件服務器、監控管理PC機、報警相關的軟硬件、大屏展示系統及相關控制器、LED顯示屏、控制臺、綜合布線、防雷接地、音視頻會議系統等構成(圖3)。

3.4.1 中控處理系統

根據監控圖像數據的存儲和處理要求，服務器采取Intel 4核 Xeon系列CPU、最大支持32GB內存、4TB容量，通過視頻監測配合前端識別系統在發現疑似隱患后實現后端監測管理中心自動報警功能，在配置短信報警主機后，可以通過系統自動向相關工作人員發送報警短信等，實現統一的視頻監測管理平臺。

3.4.2 屏幕顯示系統

指揮控制中心采用12 m2LED高清屏幕(配套控制軟件)和1臺55寸顯示單元(專業隊伍營房)，其中：LED全彩顯示屏，物理點間距：1.6 mm，物理密度：360000點/m2(圖4)。

圖3 林火視頻監控系統指揮控制中心拓撲圖

圖4 林火視頻監控系統監控中心大屏顯示模擬圖

3.4.3 語音音響系統

為了實現指揮控制中心指揮決策，滿足發言人員語言清晰、無失真、聲壓余量充分、聲場分布均勻、無聲反饋嘯叫，聲像定位準確等功能，語音音響系統采用主擴+其它的擴聲方式，設置有線話筒主機、調音臺、主擴音箱、主擴音箱功放等。

3.4.4 機房供電系統

機房供電系統，采用雙電源供電，其中：市政電源供電范圍包括機柜設備、一般照明、市電插座、空調設備等，UPS電源供電范圍包括機柜設備、備用照明、UPS插座。指揮控制中心配置一臺20kVA(三進三出)UPS主機，涵蓋電池組(100AH12V電池64節)、承重架等，滿足機柜等重要設備的不間斷供電。專業隊伍營房分監控中心配置一臺10kVA(三進三出)UPS主機，涵蓋電池組(100AH12V電池32節)、承重架等。

3.4.5 機房綜合布線系統

指揮控制中心機房綜合布線系統，采用六類非屏蔽雙絞線，各設備終端利用六類雙絞線挑接到六類配線架上，形成一個完整的網絡信息系統，布線納入機房一體化考慮。機房綜合布線配備核心以太網交換機、網絡交換機、機房專用路由器、企業級硬盤、網絡服務器機柜、數據庫服務器、安裝輔材等。

3.4.6 機房防雷接地系統

指揮控制中心防雷接地系統，包含供電系統防護措施、弱電系統防護措施、屏蔽與接地系統措施[3]等。

4 結語

森林火災高風險區，森林資源豐富，農林交錯嚴重，人為活動頻繁，火源管理難度大，火災發生頻繁，加快完善林火視頻監控系統的建設，提高林火瞭望監測能力和水平，具有重要的意義。以重慶市石柱縣森林火災高風險區林火視頻監控系統為例，通過完整的案例分析設計，為有條件的南方同類地區開展為林火視頻監控系統的規劃和建設，提供了可參考的建設性方案。