森林防火监控系统解决方案及标准权威解读

一、森林防火监控系统概述

为了适应市场经济条件下森林防火工作的需求，根据森林防火工作“预防为主，积极消灭”的方针，建立一个高科技含量的森林防火监控系统，采用新的现当代花的森林防护技术，提高组织指挥决策水平，走高科技防火之路势在必行。

森林防火是世界性的林业重要灾害之一，每年都有森林火灾的发生，每次都会造成重大的经济损失，甚至造成人员伤亡。而且还会造成当地一定的环境污染。国家林业相关部门对森林防火监控系统越来越重视，投入大量的人力物力做好预防森林防火。森林火灾具有突发性、随机性、短时间内过火面积蔓延迅速，如果不能及时发现并采取有效的灭火措施，必将会造成巨大的经济损失。因此一旦有火警发生，就必须快速采取灭火措施，决策及时、正确，争取把损失降到最低。所以是否能及时发现着火点，分析是否准确合理，决策是否正确直接决定了能不能把火灾造成的经济损失控制在最少。国内外对森林火灾采取预防为主，减少和控制森林火灾而努力。为了早日实现森林防火工作的科学化、信息化、规范化、贯彻“预防为主，积极消灭”的方针，真正做到早发现、早解决，建立一个高科技含量的森林防火监控系统，提高组织指挥决策水平，走科技防火之路已经刻不容缓。

针对林区范围广，环境复杂，布线造成工程复杂成本很高而且相当困难，普通的有线监控系统不适合森林监控。现在很多地方都是采用在山上设固定监测点，人工监测，但是人的视野范围有限，而且晚上看的更有限，基本失去监测作用。因此设置固定监测也不能实现全天侯时时监控的要求。综上所述，只用测用无线视频监控系统才能既经济又实用的解决森林防火中遇到的困难。随着国家相关部门对安全的高度重视，无线监控在不同的行业中被广泛应用。

二、森林防火无线视频监控系统设计要求

1、能直观、真实、在森林发生火灾的时及时发现火情，防止偷盗、捕猎的发生，真正起到预防的目的。

2、能把森林火灾现场图像实时传回指挥中心，指挥中心通过前端传回的现场指挥灭火，更合理的分配灭火物资，调配人员。

3、能真实记录火灾发生时，救火过程中以及救火以后现场的真实情况，对以后火灾进行分析、存档提供真实的直观资料。

三、森林防火图像监控系统的组成

森林防火图像监控系统一般有三大部分组成，分别为前端图像和信息数据采集部分、数据传输部分、监控指挥中心部分。

1、图像和信息采集部分

森林防火监控图像和信息采集部分由位于前端的摄像机、镜头、云台和护罩、解码器、供电系统和稳压系统、图像编码设备、烟感探测器和其他扩展设备组成。由于该部分处于高山森林深处，环境状况比较恶劣，所以在设备选择和施工中比普通的图像监控要求严格。

1.1摄像机：摄像机是系统的眼睛，摄像机的选用直接关系到采集图像的效果。图像采集过程中，云台旋转形成的光照变化、山地情况复杂、背光以及兼顾夜间成像的需求，考虑到红外热像仪成像质量差、寿命短造价高等特点，宜采用低照度宽动态的彩色CCD摄像机。

1.2镜头：由于森林面积广大，监控点的数量有限，通常要求一个监控点白天要有3—10公里甚至更远范围的监控半径，需要采用一定倍数的变焦镜头。根据我们在森林防火监控系统中的经验，大焦距的变焦镜头由于安装铁塔的抖动，在大变倍情况下聚焦成像较为困难，而且长焦距镜头通光量差，不利于低照度下的成像，同时由于长焦距镜头价格昂贵，性价比不高，不建议采用焦距超过300mm的镜头，如果对镜头焦距却有要求，一般建议在200mm为宜。

1.3云台和护罩：由于森林监控点的位置比较偏远，所以云台的选取主要考虑岂可靠，耐用，稳定性。考虑到高山气候条件恶劣，风大，云台要有足够的抗风能力，负担要有足够的余量。

为了操控的灵活性，尽量选用带有预置位的云台，以实现对森林区域火灾事故多发区和重点区域的监视监控。再有GIS系统的防火监控系统中，还要要求云台具有角度指示功能。防火罩要容得下长焦距镜头和摄像机，而且要有雨刷和恒温设置。

1.4解码器：解码器的选择，以符合云台和摄像机的控制要求为主，控制接口以422或485为主，不建议选择232控制接口类型。由于环境恶劣，不管有没有设备机箱房，解码器的配置最好是室外型的产品，以保证设备的低故障率。

1.5编码设备：摄像机输出的是模拟信号，为了翻遍传输和中心数字化网络化的需求，需要把模拟的图像信号转化成数字信息码流，这就需要模/数转换的视频编码器。考虑到传输带宽和图像清晰度的要求，并考虑到信息在中心处理,存储,传输和操作，森林防火监控中图像压缩技术多以MPEG4的处理方式为主。同时，基于MPEG4的视频编码设备具有丰富的报警,监控，音视频接口，可以方便的接入前端其他辅助设备的信号。

1.6其他辅助设备：森林监控系统的前端大部分设置在空旷且无人看守的野外，为了设备的安全，建议在其前端的监控点设置报警探头和语音通话系统。为了实时了解森林地区的气象条件，在其前端监控点建议安装气象采集装置，采集当地森林的温度湿度,气压,风向,风速等气象信息.

2、传输部分

图像传输不外乎两种方式，光纤和微波。光纤作为传输载体，具有传输容量大，传输信号稳定，不容易被雷击等有点，但是由于是有线传输，在森林防火的施工中铺设光缆，施工难度大、施工周期长且容易遭到破坏，光纤一般用在传输距离较近的监控点，容易布线的环境下。

微波传输具有施工方便，安装灵活，造价低等有点。尤其在森林监控中大多数监控点位于山上，在远距离的森林防火监控中被广泛的使用。微波无线传输系统在煤矿监控中也被越来越多的应用。

传统的模拟微波由于占用频谱宽，易于受到干扰，且传输的模拟图像不利于后续的监控中心操作与处理，在森林防火中的应用越来越少了。取而代之的是数字扩频微波传输。

数字扩频微波传输容量大，传输性能稳定，不容易受到干扰，数字化线路的传输适合现代安防技术网络化数字化的发展趋势，尤其是2.4G和5.8G开放频段的数字扩频设备，频率无需申请即可使用，所以被广泛应用在森林防火中，在视距的情况下主要用作远距离的监控点数据回传以及主干传输。

3、控制指挥中心部分

监控中心作为林业护林防火的控制和指挥调度中心，他的性能设计优良与否不仅关系到系统各个功能的实现，而且直接关系到整个系统的正常运行。它的建设不经要满足目前的系统需要，而且还要考虑以后的扩容以及和上级部门的联网联动。

监控中心建设是以数字化和网络化为基础，各个服务器和管理计算机以及解码器都是通过中心的核心交换机连接在一起的，基于IP方式的连接可以方便进行扩容和联网，并且适合大的数据流传输和高速处理。

前端信息码流通过传输线路连接到中心的网络交换机上，交换机将这些信息转发给视频控制服务器，视频控制软件平台可以对视频流媒体进行解压显示，并且可以通过软件本身的功能对前端云台进行控制。当前端有报警信息时，也有控制服务器来处理。

当有触发条件触发录像或者人工手动选择录像时，视频控制服务器就会把对应的录像视频流保存到录像服务器的硬盘中。以备可以方便的对存储图像信息进行回放、拷贝、存档等的处理。

视频控制服务器通过网络把视频码流和对应的角度信息发给林火报警服务器，林火报警软件就会高速的复分析视频码流信息，判断是否有着火点，一旦软件确定有火情，就会发出报警信息，提醒相关人员，同时通过视频控制服务器向发现火情的云台发出停止转动的命令，当值班人员确定火情后，报警信息服务器就会把相应的着火点信息发给GIS（地理信息系统）服务器。

GIS服务器收到林火报警服务器发给的角度信息后，就会在电子地图上以醒目的符号或标识标注着火点的位置，同时提供出从附近的护林点到起火点的最佳路线，为救火灭火赢得时间。

视频控制服务器可以将前端的视频码流转发到连接在网络中的视频解码器，解码器将这些码流还原成模拟的视频信号输入到视频矩阵或者直接显示到电视墙和监视器上。

前端的气象站采集的气象信息通过传输线路和中心的网络直接传输给气象信息服务器，气象信息服务器可以直接显示出当地的风速、风向、温度、湿度等气象信息，同时还根据相应的规则，计算出森林火灾气象等级，为森林火灾做出预警。

由于监控中心的网络化设计，可以通过增加前端监控点和相应的前端图像处理部分完成扩容，而监控中心部分几乎不需要做什么变动就可以增加整个系统的扩容了。同时，视频服务器的存在，可以在和上级相关部门联网时直接转发视频码流，避免了传统模拟图像联网时的二次压缩问题。上级的控制也可以通过对中心的视频服务器来完成。整个系统的设计大大方便了系统的今后扩容和与上级部门的联网。

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附：权威解读《森林防火视频监控系统技术规范》

中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所研究员、林火研究首席专家 舒立福

舒立福是中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所研究员、林火研究首席专家、国家森林防火总指挥部专家组专家、中国林学会森林防火专业委员会副主任。舒立福作为全国森林消防标准化技术委员会副主任， 参与了《森林防火视频监控系统技术规范》编制组的标准制定工作。

　　《森林防火视频监控系统技术规范》（以下简称“标准”）经过全国森林消防标准化技术委员会和编制组及相关单位两年的不懈努力，于2016年1月18日由国家林业局发布，于2016年6月1日正式实施。该标准由国家森林防火指挥部办公室提出，全国森林消防标准化技术委员会（SAC/TC 523 ）归口。“标准”实施将对全国林业视频防火的信息化建设有着深远影响。
　　
一、制定背景：设备参差不齐行业规范待提升

　　目前市场上的森林防火视频监控系统软件功能多样，硬件设备参差不齐，无统一设计、生产及应用标准，影响了全国森林防火视频监控系统建设的统一性和业务适用性，给未来全国森林防火视频监控系统互联互通带来障碍，同时随着高清视频传输、图像识别处理等新技术的引入，可使森林防火视频监控系统性能得到有效提升。行业标准的制定将会加快科技成果的扩散，规范市场竞争秩序。
　　
二、产品发展：三个阶段逐步走向成熟
　　森林防火视频监控系统已是我国森林防火预防监测的重要手段之一，它的发展历经三个阶段逐步走向成熟。
　　第一阶段：使用传统城市安防视频监控产品，指挥中心采取人工视频查看方式。这种方式监控范围小、图像模糊，系统不能进行识别和定位，完全依赖人工查看，仅仅解决了“看”的问题。
　　第二阶段：在第一阶段基础上，视频监控系统对云台的性能进行了提升，配备了简单的烟火识别算法的功能，能够对火点进行初步定位。但系统仍存在着识别能力差、巡航时间长、火点定位误差大等问题，设备难以满足林区恶劣环境的防火要求，虽然能“用”但并不“好用”。
　　第三阶段：随着技术的发展，视频监控系统也同步进入了智能时代。新一代前端设备采用高精度球型转台及完备的智能烟火识别算法，缩短了设备巡航时间，提高了定位精度和识别能力，系统能够实现火情的“早期发现、准确报警、精准定位”。森林防火视频监控系统进入了“易用”和“好用”的阶段。
　　目前，森林防火视频监控产品品质不一，处于三个阶段的水准兼而有之。缘于此，《森林防火视频监控系统技术规范》实施，就此规范了行业技术标准，满足了森林防火“打早、打小、打了”的方向，对提升森林防火信息化水平具有重要意义；同时弥补了视频监控系统在森林防火应用中无技术标准的缺失，促进了森林防火视频监控系统建设工作的规范化和标准化。

三、指标解读：五项指标直指防火要害

巡航周期——全监控区域巡航周期不大于30分钟
　　为尽早发现森林火情，给火灾扑救争取时间，研究认为：能够及时发现火情的最长时间不能超过30分钟。如果用于发现火情的时间过长，错过最佳扑救时机，会给森林资源造成更大的损失。从技术实现角度看，在森林防火应用中，以覆盖半径15公里为例，行业内部个别厂商的设备20分钟内即可完成有效识别。为此，“标准”巡航周期定义为30分钟较为适宜。

火情识别率——漏报率不大于1％。；万公顷日误报次数不大于3
　　森林防火视频监控系统主要功能是对烟、火准确而有效识别后进行报警。识别能力指标应满足：在对比度大于等于10%时，可见光最小识别烟、火能力的指标不大于10×10像素，红外热成像最小识别烟、火能力的指标不大于2×2像素。
　　目前智能识别技术的发展还未能做到“完美”，在火情识别时会存在漏报和误报现象，为兼顾现有技术水平，且能够满足森林防火业务需要，“标准”要求系统的漏报率不得高于1％。系统误报需满足值班人员可接受程度，为每万公顷日误报次数不大于3。

定位精度——定位误差不大于100米
　　在森林火灾扑救过程中，尤其是火情发生在森林面积较大的区域，判断火点的准确位置，将会直接影响到指挥与扑救人员能否选择正确的扑火路径、合理调配周围扑火资源以及掌控最佳的扑火时间。原则上，对火点定位精度的要求是误差越小越好，但因定位精度受设备生产加工、工程安装、GIS误差等主要因素的限制，为此“标准”明确了定位精度优于100米的指标，这样既考虑到了实际应用效果，又照顾到了设备生产、实施难度及系统建设成本。
　　可见光和红外——系统应具有可见光烟火自动识别能力；系统应具有红外烟火自动识别能力。
　　目前，森林防火视频监控系统多采用可见光与非制冷红外双镜头设备监控方式。这种融合较为科学，主要是由于两种方式各有各自的特点。可见光系统具有图像清晰、分辨率较高、成本低的特点，与人眼视觉基本一致。白天监测距离远，对烟雾较敏感，通过对烟的识别，可早期发现火情。但是在浓雾、夜晚，很难完成远距离对烟的识别。在高照度天气条件下，很难完成强光及火光的判别。非制冷红外热像仪对通视热源敏感，透雾能力优于可见光，夜间判断火能力较好。但是对烟的识别不敏感，监测距离较近，不论白天还是夜晚，都很难完成非通视条件下的火点监测。
　　为确保森林防火视频监控系统能全天候地完成森林防火监测与预警，系统宜配备可见光与红外热像仪的两种设备融合使用，这样可以实现对烟、火全天候地交叉确认识别。目前，有些设备厂商已做到了这一点，而且具备了识别算法前置、多光谱融合识别等能力。
　　前端监控设备防护安全——整体防护等级不小于IP66；镜头、摄像机保护仓防护等级不小于IP67
　　林区自然环境恶劣复杂，经常遭受着雨、雪、风沙等侵袭，要求前端监控设备整体防护等级必须达到IP66，方能完全防止灰尘、雨水等侵入设备，才不会影响设备的正常运行。镜头和相机是系统重要的视频采集设备构件，“标准”要求保护仓防护等级达到IP67，才能去除因温差变化造成的可见光视窗结露问题，同时可有效保护镜头和相机的工作环境，延长其使用寿命。
　　以上火情识别率、设备精度、巡航周期以及光学成像的几项指标最为关键、相互制约。在系统工作时，如果没有很好的设备精度和良好的光学成像系统相结合使用为基础，再好的识别算法也很难体现出识别能力，无法支撑系统早期、准确发现火情。如不具备多维度融合识别能力的算法，再好的硬件设备也无法确保巡航周期达到要求，无法精准定位火点。因此，生产企业和防火部门在系统设计和使用时要综合考虑这些关键因素。

四、建设保障：确保投资效益和安全运营
　　由于我国森林面积广阔且大部分处于无人区，多数没有通信与供电系统。在森林防火视频监控系统建设过程中，传输、供电系统及工程基础建设的投资占比非常高，在充分保证监测覆盖范围的前提下，优先使用大半径的视频监控设备，将会减少建设投资成本及后期运营维护成本。同时使其能兼顾无线通信设备、无人机中继设备、小气象设备等设备的应用，提升监测站的运营安全性、智能化水平，以提高系统的整体使用效益。

五、发展趋势：提升技术能力展现更好前景
　　由于《森林防火视频监控系统技术规范》首次颁布实施，为照顾更多的生产企业能够实现达标，“标准”兼顾了当前的现实水平。但可以预见，随着行业发展水平的提升，伴随着森林防火现代化推进步伐的不断加快，标准也会随形势不断提高。因此，这里特别介绍一些目前在国内行业发展较为先进的产品和技术，与大家分享。
　　球形转台：森林防火视频监控系统前端设备的工作环境与边防海防工作环境相类似。边防海防系统的监控技术要求，在领域超过3公里以上监控半径的应用时，要满足识别车辆与人等目标的定位精度及抗风能力要求，规定宜采用球型转台设备。因为，球形结构任意方向的风载系数基本均等，受各方向风力影响最小，在相同风力环境下比常见的云台式结构抗风能力更强。同时，球型转台采用高精度伺服控制系统，相较于云台其转速更快，定位精度更高。因此，建议森林防火视频监控前端设备可参考军工产品设计理念，提升技术整体应用能力。
　　算法前置：智能图像识别算法结合高精度球型转台是保障火情准确识别、精准定位的关键。前端设备采用嵌入式识别算法，系统在识别算法运行的过程中，因为图像无需经过压缩和传输，质量无损，可极大提升识别能力。在带宽有限或网络传输中断的情况下，仍能在本地正常运行并监测火情，同时将火情报警信息存储于前端。另外，设备采用嵌入式硬件设计，简化了火情识别的硬件系统，使结构更加紧密、稳定性更高。由于前端嵌入式算法设计对生产厂商的研发技术能力要求非常高，目前行业内只有极少数厂商完成了此项技能的突破。纵观技术发展，算法前置是解决烟火识别准确度的关键，也是森林防火视频监控智能化演进的必经之路。
　　标准化设计：目前，全国的森林防火视频监控建设多以基层为中心，并未实现由县到市、市到省等多级系统联网。前端硬件的标准化、开放性和兼容性设计是实现视频监控系统联网的前提，也是实现森林防火统一指挥、统一调度的基础保障。
　　标准化是推进国家治理现代化的重要手段，《森林防火视频监控系统技术规范》等标准的实施，为我国森林防火工作走向现代化注入了“新风”，我们祝愿有更多林业领域的标准出台，以加快实现林业建设发展的现代化。