權威解讀《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》

中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所研究員、林火研究首席專家 舒立福

       編者按

　　本文作者舒立福是中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所研究員、林火研究首席專家、國家森林防火總指揮部專家組專家、中國林學會森林防火專業(yè)委員會副主任。他主持過多項森林防火科研項目，出版專著5部，發(fā)表論文56篇，SCI收錄7篇，EI收錄5篇。

　　舒立福作為全國森林消防標準化技術委員會副主任， 參與了《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》編制組的標準制定工作。本文是他對《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》一些重要內容的解讀和觀點的拓深，提出了利用好、運用好“標準”及對行業(yè)發(fā)展前瞻性的思考，其真知灼見為廣大讀者深入理解“標準”內涵提供了新的視角。

　　《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》（以下簡稱“標準”）經過全國森林消防標準化技術委員會和編制組及相關單位兩年的不懈努力，于2016年1月18日由國家林業(yè)局發(fā)布，于2016年6月1日正式實施。該標準由國家森林防火指揮部辦公室提出，全國森林消防標準化技術委員會（SAC/TC 523 ）歸口?！皹藴省睂嵤θ珖謽I(yè)視頻防火的信息化建設有著深遠影響。

　　制定背景

　　設備參差不齊行業(yè)規(guī)范待提升

　　目前市場上的森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能多樣，硬件設備參差不齊，無統(tǒng)一設計、生產及應用標準，影響了全國森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設的統(tǒng)一性和業(yè)務適用性，給未來全國森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)互聯互通帶來障礙，同時隨著高清視頻傳輸、圖像識別處理等新技術的引入，可使森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)性能得到有效提升。行業(yè)標準的制定將會加快科技成果的擴散，規(guī)范市場競爭秩序。

　　產品發(fā)展

　　三個階段逐步走向成熟

　　森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)已是我國森林防火預防監(jiān)測的重要手段之一，它的發(fā)展歷經三個階段逐步走向成熟。

　　第一階段：使用傳統(tǒng)城市安防視頻監(jiān)控產品，指揮中心采取人工視頻查看方式。這種方式監(jiān)控范圍小、圖像模糊，系統(tǒng)不能進行識別和定位，完全依賴人工查看，僅僅解決了“看”的問題。

　　第二階段：在第一階段基礎上，視頻監(jiān)控系統(tǒng)對云臺的性能進行了提升，配備了簡單的煙火識別算法的功能，能夠對火點進行初步定位。但系統(tǒng)仍存在著識別能力差、巡航時間長、火點定位誤差大等問題，設備難以滿足林區(qū)惡劣環(huán)境的防火要求，雖然能“用”但并不“好用”。

　　第三階段：隨著技術的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也同步進入了智能時代。新一代前端設備采用高精度球型轉臺及完備的智能煙火識別算法，縮短了設備巡航時間，提高了定位精度和識別能力，系統(tǒng)能夠實現火情的“早期發(fā)現、準確報警、精準定位”。森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)進入了“易用”和“好用”的階段。

　　目前，森林防火視頻監(jiān)控產品品質不一，處于三個階段的水準兼而有之。緣于此，《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》實施，就此規(guī)范了行業(yè)技術標準，滿足了森林防火“打早、打小、打了”的方向，對提升森林防火信息化水平具有重要意義；同時彌補了視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林防火應用中無技術標準的缺失，促進了森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設工作的規(guī)范化和標準化。

　　指標解讀

　　五項指標直指防火要害

　　巡航周期——全監(jiān)控區(qū)域巡航周期不大于30分鐘

　　為盡早發(fā)現森林火情，給火災撲救爭取時間，研究認為：能夠及時發(fā)現火情的最長時間不能超過30分鐘。如果用于發(fā)現火情的時間過長，錯過最佳撲救時機，會給森林資源造成更大的損失。從技術實現角度看，在森林防火應用中，以覆蓋半徑15公里為例，行業(yè)內部個別廠商的設備20分鐘內即可完成有效識別。為此，“標準”巡航周期定義為30分鐘較為適宜。

　　火情識別率——漏報率不大于1％。；萬公頃日誤報次數不大于3

　　森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要功能是對煙、火準確而有效識別后進行報警。識別能力指標應滿足：在對比度大于等于10%時，可見光最小識別煙、火能力的指標不大于10×10像素，紅外熱成像最小識別煙、火能力的指標不大于2×2像素。

　　目前智能識別技術的發(fā)展還未能做到“完美”，在火情識別時會存在漏報和誤報現象，為兼顧現有技術水平，且能夠滿足森林防火業(yè)務需要，“標準”要求系統(tǒng)的漏報率不得高于1％。。系統(tǒng)誤報需滿足值班人員可接受程度，為每萬公頃日誤報次數不大于3。

　　定位精度——定位誤差不大于100米

　　在森林火災撲救過程中，尤其是火情發(fā)生在森林面積較大的區(qū)域，判斷火點的準確位置，將會直接影響到指揮與撲救人員能否選擇正確的撲火路徑、合理調配周圍撲火資源以及掌控最佳的撲火時間。原則上，對火點定位精度的要求是誤差越小越好，但因定位精度受設備生產加工、工程安裝、GIS誤差等主要因素的限制，為此“標準”明確了定位精度優(yōu)于100米的指標，這樣既考慮到了實際應用效果，又照顧到了設備生產、實施難度及系統(tǒng)建設成本。

　　可見光和紅外——系統(tǒng)應具有可見光煙火自動識別能力；系統(tǒng)應具有紅外煙火自動識別能力

　　目前，森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)多采用可見光與非制冷紅外雙鏡頭設備監(jiān)控方式。這種融合較為科學，主要是由于兩種方式各有各自的特點?？梢姽庀到y(tǒng)具有圖像清晰、分辨率較高、成本低的特點，與人眼視覺基本一致。白天監(jiān)測距離遠，對煙霧較敏感，通過對煙的識別，可早期發(fā)現火情。但是在濃霧、夜晚，很難完成遠距離對煙的識別。在高照度天氣條件下，很難完成強光及火光的判別。非制冷紅外熱像儀對通視熱源敏感，透霧能力優(yōu)于可見光，夜間判斷火能力較好。但是對煙的識別不敏感，監(jiān)測距離較近，不論白天還是夜晚，都很難完成非通視條件下的火點監(jiān)測。

　　為確保森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)能全天候地完成森林防火監(jiān)測與預警，系統(tǒng)宜配備可見光與紅外熱像儀的兩種設備融合使用，這樣可以實現對煙、火全天候地交叉確認識別。目前，有些設備廠商已做到了這一點，而且具備了識別算法前置、多光譜融合識別等能力。

　　前端監(jiān)控設備防護安全——整體防護等級不小于IP66；鏡頭、攝像機保護倉防護等級不小于IP67

　　林區(qū)自然環(huán)境惡劣復雜，經常遭受著雨、雪、風沙等侵襲，要求前端監(jiān)控設備整體防護等級必須達到IP66，方能完全防止灰塵、雨水等侵入設備，才不會影響設備的正常運行。鏡頭和相機是系統(tǒng)重要的視頻采集設備構件，“標準”要求保護倉防護等級達到IP67，才能去除因溫差變化造成的可見光視窗結露問題，同時可有效保護鏡頭和相機的工作環(huán)境，延長其使用壽命。

　　以上火情識別率、設備精度、巡航周期以及光學成像的幾項指標最為關鍵、相互制約。在系統(tǒng)工作時，如果沒有很好的設備精度和良好的光學成像系統(tǒng)相結合使用為基礎，再好的識別算法也很難體現出識別能力，無法支撐系統(tǒng)早期、準確發(fā)現火情。如不具備多維度融合識別能力的算法，再好的硬件設備也無法確保巡航周期達到要求，無法精準定位火點。因此，生產企業(yè)和防火部門在系統(tǒng)設計和使用時要綜合考慮這些關鍵因素。

　　建設保障

　　確保投資效益和安全運營

　　由于我國森林面積廣闊且大部分處于無人區(qū)，多數沒有通信與供電系統(tǒng)。在森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設過程中，傳輸、供電系統(tǒng)及工程基礎建設的投資占比非常高，在充分保證監(jiān)測覆蓋范圍的前提下，優(yōu)先使用大半徑的視頻監(jiān)控設備，將會減少建設投資成本及后期運營維護成本。同時使其能兼顧無線通信設備、無人機中繼設備、小氣象設備等設備的應用，提升監(jiān)測站的運營安全性、智能化水平，以提高系統(tǒng)的整體使用效益。

　　發(fā)展趨勢

　　提升技術能力展現更好前景

　　由于《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》首次頒布實施，為照顧更多的生產企業(yè)能夠實現達標，“標準”兼顧了當前的現實水平。但可以預見，隨著行業(yè)發(fā)展水平的提升，伴隨著森林防火現代化推進步伐的不斷加快，標準也會隨形勢不斷提高。因此，這里特別介紹一些目前在國內行業(yè)發(fā)展較為先進的產品和技術，與大家分享。

　　球形轉臺：森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端設備的工作環(huán)境與邊防海防工作環(huán)境相類似。邊防海防系統(tǒng)的監(jiān)控技術要求，在領域超過3公里以上監(jiān)控半徑的應用時，要滿足識別車輛與人等目標的定位精度及抗風能力要求，規(guī)定宜采用球型轉臺設備。因為，球形結構任意方向的風載系數基本均等，受各方向風力影響最小，在相同風力環(huán)境下比常見的云臺式結構抗風能力更強。同時，球型轉臺采用高精度伺服控制系統(tǒng)，相較于云臺其轉速更快，定位精度更高。因此，建議森林防火視頻監(jiān)控前端設備可參考軍工產品設計理念，提升技術整體應用能力。

　　算法前置：智能圖像識別算法結合高精度球型轉臺是保障火情準確識別、精準定位的關鍵。前端設備采用嵌入式識別算法，系統(tǒng)在識別算法運行的過程中，因為圖像無需經過壓縮和傳輸，質量無損，可極大提升識別能力。在帶寬有限或網絡傳輸中斷的情況下，仍能在本地正常運行并監(jiān)測火情，同時將火情報警信息存儲于前端。另外，設備采用嵌入式硬件設計，簡化了火情識別的硬件系統(tǒng)，使結構更加緊密、穩(wěn)定性更高。由于前端嵌入式算法設計對生產廠商的研發(fā)技術能力要求非常高，目前行業(yè)內只有極少數廠商完成了此項技能的突破?？v觀技術發(fā)展，算法前置是解決煙火識別準確度的關鍵，也是森林防火視頻監(jiān)控智能化演進的必經之路。

　　標準化設計：目前，全國的森林防火視頻監(jiān)控建設多以基層為中心，并未實現由縣到市、市到省等多級系統(tǒng)聯網。前端硬件的標準化、開放性和兼容性設計是實現視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯網的前提，也是實現森林防火統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一調度的基礎保障。

　　標準化是推進國家治理現代化的重要手段，《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》等標準的實施，為我國森林防火工作走向現代化注入了“新風”，我們祝愿有更多林業(yè)領域的標準出臺，以加快實現林業(yè)建設發(fā)展的現代化。