基于“空天地人”四位一體的森林火情監(jiān)測(cè)預(yù)警指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董李鵬 張 鋒 韓媛媛

（陽(yáng)城縣人民政府辦公室，山西 陽(yáng)城 048100）

1 引言

森林火災(zāi)是一種自然災(zāi)害，對(duì)森林資源具有極大的破壞性，火災(zāi)一旦發(fā)生，火勢(shì)將迅速蔓延，不僅會(huì)造成資源損失和人畜傷亡，還將破壞森林生態(tài)系統(tǒng)。長(zhǎng)期以來(lái)，林業(yè)部門(mén)多以人工瞭望塔和視頻監(jiān)控相結(jié)合的方式來(lái)解決此難題，但其存在很大局限性。一方面瞭望塔受地形地勢(shì)的限制，覆蓋面小，余火及地下火無(wú)法觀察[1]；另一方面，視頻監(jiān)控主要采用視頻、圖形圖像等技術(shù)，多以監(jiān)控功能為主，相應(yīng)算法不夠成熟，無(wú)法起到分析研判等智能化的作用。

2016年，國(guó)家林草局、國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部批復(fù)實(shí)施《全國(guó)森林防火規(guī)劃（2016—2025年）》，規(guī)劃明確指出，林火監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)“早發(fā)現(xiàn)”的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要綜合利用“天基、空基、陸基”監(jiān)測(cè)手段，共享衛(wèi)星圖像資源和信息，建成集衛(wèi)星遙感、高山瞭望、視頻監(jiān)控、飛機(jī)巡航和地面巡護(hù)的立體林火預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提升森林火險(xiǎn)預(yù)警、火情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力[2]。因此，本研究旨在建立一套多位一體的綜合預(yù)警管控系統(tǒng)，構(gòu)建高頻次、全方位、立體化的森林防火智能監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)“空天地人”多維度監(jiān)測(cè)預(yù)警。通過(guò)智能化的森林防火預(yù)警手段，讓林區(qū)火點(diǎn)無(wú)處遁形，實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)早處理，確保森林資源的安全，推動(dòng)森林管護(hù)工作向信息化方向轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步減輕林區(qū)工作人員的工作強(qiáng)度，提高森林管護(hù)成效。

2 建設(shè)區(qū)域概況

陽(yáng)城縣轄15個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），335個(gè)村（社區(qū)），國(guó)土總面積1968平方公里。全縣林地面積166.68萬(wàn)畝，占國(guó)土總面積57.7%，森林覆蓋率44.61%，林木綠化率51.43%，林木總蓄積317.5萬(wàn)m3，是山西省森林草原防火重點(diǎn)縣。境內(nèi)有中條林局橫河林場(chǎng)（林地30.87萬(wàn)畝）、析城山林場(chǎng)（林地21.41萬(wàn)畝）、臺(tái)頭林場(chǎng)（林地29.03萬(wàn)畝）和縣國(guó)營(yíng)林場(chǎng)（山西省崦山自然保護(hù)區(qū)林地13.34萬(wàn)畝）4個(gè)國(guó)有林場(chǎng)；有蟒河自然保護(hù)區(qū)（林地5.73萬(wàn)畝）和歷山自然保護(hù)區(qū)（林地4.34萬(wàn)畝）2個(gè)國(guó)家級(jí)保護(hù)區(qū)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019至2021年間，全縣共發(fā)生森林火情70余次，其中一般森林火災(zāi)1次，過(guò)火面積67.647畝，較大森林火災(zāi)1次，過(guò)火面積1332.176畝，無(wú)重、特大森林火災(zāi)發(fā)生，無(wú)人員傷亡。

3 項(xiàng)目總體方案

3.1 建設(shè)內(nèi)容

在共享市林業(yè)局11個(gè)點(diǎn)位基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)及智能AI分析，選取林區(qū)制高點(diǎn)布控29套火情熱成像雙光譜重載云臺(tái)攝像機(jī)，最大監(jiān)測(cè)半徑10公里，最小3公里，對(duì)全縣的森林覆蓋率將達(dá)到85%左右。輔助配備慧眼衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全縣域森林防火監(jiān)測(cè)預(yù)警。同時(shí)在入山、入林卡口新建監(jiān)控宣傳桿共35套，用于防火宣傳及火情溯源。配合安裝森林防火監(jiān)控調(diào)度APP和配套提供20部雙模智能衛(wèi)星電話，實(shí)現(xiàn)“空天地人”多維度監(jiān)測(cè)預(yù)警。

3.2 技術(shù)路線

火情監(jiān)控預(yù)警指揮平臺(tái)部署于大數(shù)據(jù)中心云服務(wù)器，利用專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)將前端感知系統(tǒng)得到的視頻、圖像、地理信息等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，經(jīng)分析之后由指揮平臺(tái)調(diào)取使用，林業(yè)局監(jiān)督指揮中心僅放置電腦和大屏幕，采用B/S和C/S架構(gòu)，通過(guò)專(zhuān)線訪問(wèn)指揮平臺(tái)，此種方式部署速度快、資源利用率高、維護(hù)成本低[3]。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

4 監(jiān)測(cè)體系設(shè)計(jì)

智能監(jiān)測(cè)預(yù)警的關(guān)鍵集中于前端技術(shù)。主要通過(guò)“空、天、地、人”四個(gè)維度對(duì)森林資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具體包括（慧眼衛(wèi)星監(jiān)測(cè)）空、（無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)）天、（視頻智能監(jiān)測(cè)）地、（智能卡口、地面巡護(hù)）人[4,5]。

4.1 慧眼衛(wèi)星監(jiān)測(cè)

慧眼衛(wèi)星熱點(diǎn)林火預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)死角、盲區(qū)監(jiān)測(cè)，可作為視頻監(jiān)測(cè)的輔助，其接入多衛(wèi)星數(shù)據(jù)資源（極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星），多維度實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)情的精確識(shí)別、定位及報(bào)警。當(dāng)收到衛(wèi)星火點(diǎn)報(bào)警信息后，GIS地圖中則會(huì)顯示不同顏色的標(biāo)記，紅色為可信度95%以上，橙色為可信度85%以上，黃色為可信度75%以上，其他為藍(lán)色。點(diǎn)擊火點(diǎn)會(huì)顯現(xiàn)詳細(xì)地址、衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)間、經(jīng)緯度、可信度、明火面積、土地類(lèi)型、觀測(cè)頻次、數(shù)據(jù)源、衛(wèi)星云圖等。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

4.2 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)

引入反重力智能5G智慧城市空地?zé)o人機(jī)巡防系統(tǒng)，系統(tǒng)由云操作系統(tǒng)LEADER OS、移動(dòng)式自動(dòng)機(jī)場(chǎng)MARV I、專(zhuān)業(yè)無(wú)人機(jī)平臺(tái)HERO X組成，主要用于日常巡防、應(yīng)急響應(yīng)、聯(lián)合指揮。日常巡防場(chǎng)景中，林區(qū)可根據(jù)情況設(shè)計(jì)巡護(hù)飛行路線，無(wú)人機(jī)通過(guò)人工遙控、定點(diǎn)懸停、航線飛行等多種模式進(jìn)行全面巡檢，提高偵查及巡護(hù)效率；在應(yīng)急響應(yīng)場(chǎng)景中，對(duì)于險(xiǎn)要地帶，可出動(dòng)“移動(dòng)式機(jī)場(chǎng)”迅速前往相關(guān)任務(wù)區(qū)域，無(wú)人機(jī)搭載3kg彈丸直線飛往目標(biāo)區(qū)域精準(zhǔn)投彈滅火，將森林火災(zāi)扼殺在萌芽狀態(tài)；聯(lián)合指揮場(chǎng)景中，無(wú)人機(jī)搭載的云臺(tái)可360度全視角拍攝，并將實(shí)時(shí)視頻和圖像回傳至指揮中心，進(jìn)行針對(duì)性任務(wù)部署，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程聯(lián)合指揮。圖3為空地巡防無(wú)人機(jī)。

圖3 空地巡防無(wú)人機(jī)

4.3 視頻智能監(jiān)測(cè)

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是基于內(nèi)置煙火識(shí)別算法的海康熱成像雙光譜設(shè)備，超寬工作溫度、充氮?dú)庠O(shè)計(jì)、全金屬外殼、前置煙火識(shí)別和測(cè)溫報(bào)警、多傳感器信息回傳、雙鏡頭自動(dòng)聚焦，可對(duì)煙霧、火點(diǎn)進(jìn)行雙重識(shí)別。云臺(tái)安裝點(diǎn)的選擇盡量利用現(xiàn)有瞭望塔，或租用運(yùn)營(yíng)商已有站點(diǎn)基站資源；且必須保證信號(hào)能夠通過(guò)有線方式或無(wú)線方式連接到大數(shù)據(jù)中心的后端系統(tǒng)。

4.3.1 點(diǎn)位選址設(shè)計(jì)

結(jié)合區(qū)域數(shù)字高程模型，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)的空間分析方法對(duì)地形進(jìn)行一系列處理，填充洼地、提取潛在山頂點(diǎn)、剔除邊界點(diǎn)和內(nèi)側(cè)區(qū)域中不適合布設(shè)視頻監(jiān)控點(diǎn)的點(diǎn)位，從研究區(qū)域的外層向內(nèi)部逐步蔓延選點(diǎn)，并對(duì)確立的所有監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行可視域分析，最終確定了29個(gè)點(diǎn)位，圖4為利用Loca Space Viewer軟件所設(shè)計(jì)的點(diǎn)位分布圖。圖中黃色覆蓋區(qū)域?yàn)槭辛謽I(yè)局建設(shè)利舊點(diǎn)位，藍(lán)色覆蓋區(qū)域?yàn)橹袟l山管理局建設(shè)利舊點(diǎn)位，綠色、深藍(lán)色覆蓋區(qū)域?yàn)楸敬我?guī)劃新建點(diǎn)位。

圖4 最優(yōu)覆蓋點(diǎn)位分布

4.3.2 煙火檢測(cè)識(shí)別方式

煙火檢測(cè)采用自適應(yīng)快速掃描方式。云臺(tái)具備智能比例變倍功能，可根據(jù)掃描距離的遠(yuǎn)近和煙火檢測(cè)的速度，自適應(yīng)調(diào)整掃描速度，最高可到50°/s，以提升巡檢效率。此外，云臺(tái)基于裸數(shù)據(jù)每幀進(jìn)行煙火實(shí)時(shí)檢測(cè)，保證第一手的圖像信息，規(guī)避由于遠(yuǎn)距離傳輸圖像延時(shí)、丟失帶來(lái)的漏檢。

4.3.3 煙火檢測(cè)原理

火點(diǎn)檢測(cè)算法基于熱成像原始數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)搜索和靜態(tài)二次確認(rèn)的模式，動(dòng)態(tài)搜索模式是指在云臺(tái)巡航過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)每幀圖像的背景灰度值，得出可疑火源閾值，根據(jù)計(jì)算占空比、中心點(diǎn)位置、圖像質(zhì)量、尺寸大小等目標(biāo)特征做目標(biāo)跟蹤，確保第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)。靜態(tài)二次確認(rèn)模式是指云臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，讓可疑火源在畫(huà)面中居中，進(jìn)行再次多幀識(shí)別檢測(cè)，從圖像形狀變化、溫度分布、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)等進(jìn)行綜合分析，同時(shí)結(jié)合占空比過(guò)濾模塊、特征過(guò)濾模塊等算法模塊減少誤報(bào)[6]。圖5為火點(diǎn)檢測(cè)邏輯示意圖。

圖5 火點(diǎn)檢測(cè)邏輯示意圖

4.4 智能卡口監(jiān)測(cè)

林區(qū)卡口宣教系統(tǒng)由人車(chē)抓拍設(shè)備、宣傳提示設(shè)備、黑光設(shè)備和周界設(shè)備，以及中心管理平臺(tái)五部分組成，系統(tǒng)主要架設(shè)在林區(qū)出入口兩側(cè)，利用雙目矩機(jī)進(jìn)行人車(chē)智能抓拍，并且聯(lián)動(dòng)控制音柱，以語(yǔ)音形式告知進(jìn)入林區(qū)的人員，進(jìn)行防火宣傳、警示和安全提醒，提高進(jìn)山人員防火意識(shí)；黑光設(shè)備和雙目矩機(jī)、智能抓拍攝像機(jī)的視場(chǎng)角相互關(guān)聯(lián)，配合管理平臺(tái)統(tǒng)一管理，可以有效形成聯(lián)動(dòng)，對(duì)進(jìn)出森林出入口的人車(chē)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，降低森林防火安全隱患，減少偷盜、亂砍濫伐等違法違規(guī)行為。

5 預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

森林防火預(yù)警監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用視頻采集、熱成像感知、火點(diǎn)定位、視頻智能分析能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)全地形森林火點(diǎn)的全天候監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)預(yù)警，并支持火情處置、救援力量查找、預(yù)案管理、林業(yè)巡護(hù)等功能。

5.1 基礎(chǔ)應(yīng)用功能

5.1.1 防火一張圖

森林防火一張圖支持衛(wèi)星地圖、矢量地圖形式，可展現(xiàn)設(shè)備建設(shè)情況、今日火情、今日區(qū)域火情分布以及不同周期的火情趨勢(shì)分析、處置效率排行等信息；對(duì)于點(diǎn)位數(shù)量較多的情況下，防火一張圖支持以星光點(diǎn)的形式呈現(xiàn)；當(dāng)發(fā)生火情時(shí)，會(huì)在一張圖上相應(yīng)位置呈現(xiàn)火點(diǎn)信息，并可查看關(guān)聯(lián)火情的報(bào)警圖片、錄像回放，并可對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)覽；此外支持地圖反控功能，鼠標(biāo)點(diǎn)擊地圖相應(yīng)位置，可聯(lián)動(dòng)攝像機(jī)轉(zhuǎn)到相應(yīng)方位并呈現(xiàn)相應(yīng)可視域的區(qū)域。圖6為防火一張圖界面。

圖6 防火一張圖

5.1.2 監(jiān)控巡航

平臺(tái)可對(duì)基站（瞭望塔）上攝像機(jī)的巡航方案進(jìn)行配置，可使攝像機(jī)全天候24小時(shí)不間斷巡航。巡航方式支持手動(dòng)配置設(shè)備的水平俯仰角范圍設(shè)置巡航條帶，支持自動(dòng)生成360o全覆蓋巡航，也支持預(yù)置點(diǎn)巡航，同時(shí)還可進(jìn)行屏蔽區(qū)設(shè)置。此外云臺(tái)相機(jī)遠(yuǎn)程控制功能不僅可以調(diào)整攝像頭的方位、角度，而且可以通過(guò)焦距變換實(shí)現(xiàn)拉近拉遠(yuǎn)，方便查看具體情況，為后臺(tái)判斷提供有力的決策依據(jù)。

5.1.3 火點(diǎn)定位

平臺(tái)接收到熱成像雙光譜設(shè)備上報(bào)的火情告警后，根據(jù)設(shè)備所在瞭望塔的經(jīng)緯度位置，設(shè)備的水平俯仰角信息，定位出火情位置，并在電子地圖上顯示；當(dāng)火情周?chē)卸鄠€(gè)瞭望塔時(shí)，可通過(guò)交叉定位，提高火點(diǎn)定位精度。

5.1.4 火情處置

云臺(tái)相機(jī)24小時(shí)不停巡檢，對(duì)火點(diǎn)和煙霧進(jìn)行綜合分析，一旦發(fā)現(xiàn)火情，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)將預(yù)警信息上報(bào)給監(jiān)督指揮中心。工作人員接收到預(yù)警信息后，查看“告警抓圖”照片進(jìn)行二次研判，通過(guò)實(shí)時(shí)預(yù)覽“電子羅盤(pán)”鎖定火點(diǎn)位置，經(jīng)研判，如非火情進(jìn)行歸檔處理。如確認(rèn)是火情，通過(guò)森林防火APP推送至指揮機(jī)構(gòu)、滅火隊(duì)伍，使應(yīng)急隊(duì)伍在千里之外也能及時(shí)準(zhǔn)確掌握火情、火場(chǎng)信息，縮短火災(zāi)研判及處置時(shí)間，同時(shí)可通過(guò)平臺(tái)對(duì)災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后的情況進(jìn)行全流程監(jiān)督。圖7為火情研判及處置界面。

圖7 火情研判及處置

5.2 擴(kuò)展應(yīng)用功能

擴(kuò)展應(yīng)用主要集中于三維地圖和移動(dòng)應(yīng)用兩方面。三維地圖包括火勢(shì)蔓延分析、態(tài)勢(shì)標(biāo)繪、災(zāi)損評(píng)估和可視域分析。移動(dòng)應(yīng)用主要借助森林防火監(jiān)控調(diào)度APP將火情信息第一時(shí)間傳達(dá)到指揮機(jī)構(gòu)和滅火隊(duì)伍，實(shí)現(xiàn)防火智能化，其具備視頻預(yù)覽回放、火情定位上報(bào)、路徑導(dǎo)航等功能。

6 結(jié)語(yǔ)

林火智能監(jiān)測(cè)預(yù)警全覆蓋系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)算法構(gòu)建的“智慧林火”體系，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)感知、預(yù)判預(yù)警、科學(xué)決策三大功能，目前該系統(tǒng)已初步投入使用，森林監(jiān)測(cè)覆蓋率由原來(lái)的20%提高到100%，其有效運(yùn)行，將形成上下聯(lián)動(dòng)、信息暢通、反應(yīng)快捷的林草感知一張網(wǎng)體系，從而提高森林火災(zāi)綜合防控能力，真正做到森林火災(zāi)“打早、打小、打了”，有效保護(hù)森林資源安全。