權(quán)威解讀《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》

權(quán)威解讀《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》

中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)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(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會副主任， 參與了《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》編制組的標(biāo)準(zhǔn)制定工作。本文是他對《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》一些重要內(nèi)容的解讀和觀點(diǎn)的拓深，提出了利用好、運(yùn)用好“標(biāo)準(zhǔn)”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(biāo)準(zhǔn)”內(nèi)涵提供了新的視角。

　　《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”）經(jīng)過全國森林消防標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會和編制組及相關(guān)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(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)由國家森林防火指揮部辦公室提出，全國森林消防標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC 523 ）歸口?！皹?biāo)準(zhǔn)”實(shí)施將對全國林業(yè)視頻防火的信息化建設(shè)有著深遠(yuǎn)影響。

　　制定背景

　　設(shè)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(shè)備參差不齊，無統(tǒng)一設(shè)計、生產(chǎn)及應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，影響了全國森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的統(tǒng)一性和業(yè)務(wù)適用性，給未來全國森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)的制定將會加快科技成果的擴(kuò)散，規(guī)范市場競爭秩序。

　　產(chǎn)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(yù)防監(jiān)測的重要手段之一，它的發(fā)展歷經(jīng)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(chǎn)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(jìn)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(chǔ)上，視頻監(jiān)控系統(tǒng)對云臺的性能進(jìn)行了提升，配備了簡單的煙火識別算法的功能，能夠?qū)瘘c(diǎn)進(jìn)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(diǎn)定位誤差大等問題，設(shè)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(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)也同步進(jìn)入了智能時代。新一代前端設(shè)備采用高精度球型轉(zhuǎn)臺及完備的智能煙火識別算法，縮短了設(shè)備巡航時間，提高了定位精度和識別能力，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)火情的“早期發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確報警、精準(zhǔn)定位”。森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)入了“易用”和“好用”的階段。

　　目前，森林防火視頻監(jiān)控產(chǎn)品品質(zhì)不一，處于三個階段的水準(zhǔn)兼而有之。緣于此，《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》實(shí)施，就此規(guī)范了行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，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(bǔ)了視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林防火應(yīng)用中無技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，促進(jìn)了森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)工作的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

　　指標(biāo)解讀

　　五項指標(biāo)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(xiàn)森林火情，給火災(zāi)撲救爭取時間，研究認(rèn)為：能夠及時發(fā)現(xiàn)火情的最長時間不能超過30分鐘。如果用于發(fā)現(xiàn)火情的時間過長，錯過最佳撲救時機(jī)，會給森林資源造成更大的損失。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度看，在森林防火應(yīng)用中，以覆蓋半徑15公里為例，行業(yè)內(nèi)部個別廠商的設(shè)備20分鐘內(nèi)即可完成有效識別。為此，“標(biāo)準(zhǔn)”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(shù)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(zhǔn)確而有效識別后進(jìn)行報警。識別能力指標(biāo)應(yīng)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(biāo)不大于10×10像素，紅外熱成像最小識別煙、火能力的指標(biāo)不大于2×2像素。

　　目前智能識別技術(shù)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(xiàn)象，為兼顧現(xiàn)有技術(shù)水平，且能夠滿足森林防火業(yè)務(wù)需要，“標(biāo)準(zhǔn)”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(shù)不大于3。

　　定位精度——定位誤差不大于100米

　　在森林火災(zāi)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(diǎn)的準(zhǔn)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(diào)配周圍撲火資源以及掌控最佳的撲火時間。原則上，對火點(diǎn)定位精度的要求是誤差越小越好，但因定位精度受設(shè)備生產(chǎn)加工、工程安裝、GIS誤差等主要因素的限制，為此“標(biāo)準(zhǔn)”明確了定位精度優(yōu)于100米的指標(biāo)，這樣既考慮到了實(shí)際應(yīng)用效果，又照顧到了設(shè)備生產(chǎn)、實(shí)施難度及系統(tǒng)建設(shè)成本。

　　可見光和紅外——系統(tǒng)應(yīng)具有可見光煙火自動識別能力；系統(tǒng)應(yīng)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(shè)備監(jiān)控方式。這種融合較為科學(xué)，主要是由于兩種方式各有各自的特點(diǎn)?？梢姽庀到y(tǒng)具有圖像清晰、分辨率較高、成本低的特點(diǎn)，與人眼視覺基本一致。白天監(jiān)測距離遠(yuǎn)，對煙霧較敏感，通過對煙的識別，可早期發(fā)現(xiàn)火情。但是在濃霧、夜晚，很難完成遠(yuǎn)距離對煙的識別。在高照度天氣條件下，很難完成強(qiáng)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(diǎn)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(yù)警，系統(tǒng)宜配備可見光與紅外熱像儀的兩種設(shè)備融合使用，這樣可以實(shí)現(xiàn)對煙、火全天候地交叉確認(rèn)識別。目前，有些設(shè)備廠商已做到了這一點(diǎn)，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(shè)備防護(hù)安全——整體防護(hù)等級不小于IP66；鏡頭、攝像機(jī)保護(hù)倉防護(hù)等級不小于IP67

　　林區(qū)自然環(huán)境惡劣復(fù)雜，經(jīng)常遭受著雨、雪、風(fēng)沙等侵襲，要求前端監(jiān)控設(shè)備整體防護(hù)等級必須達(dá)到IP66，方能完全防止灰塵、雨水等侵入設(shè)備，才不會影響設(shè)備的正常運(yùn)行。鏡頭和相機(jī)是系統(tǒng)重要的視頻采集設(shè)備構(gòu)件，“標(biāo)準(zhǔn)”要求保護(hù)倉防護(hù)等級達(dá)到IP67，才能去除因溫差變化造成的可見光視窗結(jié)露問題，同時可有效保護(hù)鏡頭和相機(jī)的工作環(huán)境，延長其使用壽命。

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

　　建設(shè)保障

　　確保投資效益和安全運(yùn)營

　　由于我國森林面積廣闊且大部分處于無人區(qū)，多數(shù)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(shè)過程中，傳輸、供電系統(tǒng)及工程基礎(chǔ)建設(shè)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(shè)備，將會減少建設(shè)投資成本及后期運(yùn)營維護(hù)成本。同時使其能兼顧無線通信設(shè)備、無人機(jī)中繼設(shè)備、小氣象設(shè)備等設(shè)備的應(yīng)用，提升監(jiān)測站的運(yùn)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(shù)能力展現(xiàn)更好前景

　　由于《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》首次頒布實(shí)施，為照顧更多的生產(chǎn)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)標(biāo)，“標(biāo)準(zhǔn)”兼顧了當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)水平。但可以預(yù)見，隨著行業(yè)發(fā)展水平的提升，伴隨著森林防火現(xiàn)代化推進(jìn)步伐的不斷加快，標(biāo)準(zhǔn)也會隨形勢不斷提高。因此，這里特別介紹一些目前在國內(nèi)行業(yè)發(fā)展較為先進(jìn)的產(chǎn)品和技術(shù)，與大家分享。

　　球形轉(zhuǎn)臺：森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)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(shù)要求，在領(lǐng)域超過3公里以上監(jiān)控半徑的應(yīng)用時，要滿足識別車輛與人等目標(biāo)的定位精度及抗風(fēng)能力要求，規(guī)定宜采用球型轉(zhuǎn)臺設(shè)備。因為，球形結(jié)構(gòu)任意方向的風(fēng)載系數(shù)基本均等，受各方向風(fēng)力影響最小，在相同風(fēng)力環(huán)境下比常見的云臺式結(jié)構(gòu)抗風(fēng)能力更強(qiáng)。同時，球型轉(zhuǎn)臺采用高精度伺服控制系統(tǒng)，相較于云臺其轉(zhuǎn)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(shè)備可參考軍工產(chǎn)品設(shè)計理念，提升技術(shù)整體應(yīng)用能力。

　　算法前置：智能圖像識別算法結(jié)合高精度球型轉(zhuǎn)臺是保障火情準(zhǔn)確識別、精準(zhǔn)定位的關(guān)鍵。前端設(shè)備采用嵌入式識別算法，系統(tǒng)在識別算法運(yùn)行的過程中，因為圖像無需經(jīng)過壓縮和傳輸，質(zhì)量無損，可極大提升識別能力。在帶寬有限或網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷的情況下，仍能在本地正常運(yùn)行并監(jiān)測火情，同時將火情報警信息存儲于前端。另外，設(shè)備采用嵌入式硬件設(shè)計，簡化了火情識別的硬件系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)更加緊密、穩(wěn)定性更高。由于前端嵌入式算法設(shè)計對生產(chǎn)廠商的研發(fā)技術(shù)能力要求非常高，目前行業(yè)內(nèi)只有極少數(shù)廠商完成了此項技能的突破。縱觀技術(shù)發(fā)展，算法前置是解決煙火識別準(zhǔn)確度的關(guān)鍵，也是森林防火視頻監(jiān)控智能化演進(jìn)的必經(jīng)之路。

　　標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計：目前，全國的森林防火視頻監(jiān)控建設(shè)多以基層為中心，并未實(shí)現(xiàn)由縣到市、市到省等多級系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)。前端硬件的標(biāo)準(zhǔn)化、開放性和兼容性設(shè)計是實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的前提，也是實(shí)現(xiàn)森林防火統(tǒng)一指揮、統(tǒng)一調(diào)度的基礎(chǔ)保障。

　　標(biāo)準(zhǔn)化是推進(jìn)國家治理現(xiàn)代化的重要手段，《森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，為我國森林防火工作走向現(xiàn)代化注入了“新風(fēng)”，我們祝愿有更多林業(yè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)出臺，以加快實(shí)現(xiàn)林業(yè)建設(shè)發(fā)展的現(xiàn)代化。