森林烟火预警与定位系统方案

森林烟火自动识别预警与定位系统 中国科学院沈阳自动化研究所 ? 机器人学国家重点实验室

第一章系统概述

1.1引言

林业是生态建设的主体，在保持经济和社会发展中有着不可或缺的作用，在生物的进化过程中起着巨大的作用。然而，森林的头号天敌——森林火灾，不仅时时刻刻威胁着森林的安全，造成森林资源的重大损失而且引起全球性的环境污染。

我国是一个森林资源大国，然而又是一个森林资源小国，人均森林资源不足世界品均水平的50%，保护森林资源的重要性不言而喻。然而，新中国成立以来，森林火灾频频发生严重地威胁着森林资源的安全。1987年5月的大兴安岭森林火灾，共计烧毁70万公顷林地、85万立方米原木、2488台各种设备、677座桥梁和涵洞、9.2公里铁路线、483公里通讯线路、284公里输变电线路、325万斤粮食、61.4万平方米房屋等，直接经济损失达到5.2666亿元，间接经济损失达到63.37亿元；1997年6月“6·22喀纳斯森林火灾”，共计烧毁100公顷林地、150立方米原木、8000平方米房屋等，直接经济损失达到385万元，间接经济损失达到2356万元；2005年7月“7.27乌玛森林火灾” 共计烧毁80公顷林地、125立方米原木、6572平方米房屋等，直接经济损失达到327万元，间接经济损失达到1895万元；2005年9月黑龙江嫩江“9·29特大草地森林火灾”，火灾过火面积约1.033万公顷,受害森林面积2231公顷，共计烧毁2.3万立方米原木，1.27万平方米房屋等，直接经济损失达到5325万元，间接经济损失达到3.24亿元； 2007年4月福建省“安仁乡森林火灾”，共计烧毁53公顷林地、76立方米原木、4583平方米房屋等，直接经济损失达到254万元，间接经济损失达到1235万元；2009年4月黑龙江省伊南河森林火灾，共计烧毁321万公顷林地、123万立方米原木、73.5万平方米房屋等，直接经济损失达到3.57亿元，间接经济损失达到38.6亿元。森林火灾不仅严重地吞噬着森林资源，而且给人民的生活和生命安全带来了严重地威胁。

目前我国的森林面积为19545.22万公顷，森林覆盖率为20.36%，人均森林资源不足世界平均水平的50%。近些年来森林火灾频频发生，使我国的森林资源造成巨大的损失。

表1-1为2000年到2009年由于森林火灾造成的森林资源损失以及直接经济损失。

通过表1-1可以看出，近10年来，平均每年我国森林火灾造成森林资源损失达到40.76万公顷，直接财产损失13.645亿元，由于森林火灾我国每年损失了大量的森林资源，森林火灾已经严重威胁了森林资源的安全、人民生活的安全和人类社会的安全，并给国家造成巨大的经济损失。

因此，保护森林资源免受森林火灾的侵袭不仅是保护森林生态系统，更重要的是保护人民生活和生命的安全。及早发现火情并及时对其扑救对于森林保护就显得尤为重要。

1.2目前森林防火技术

森林火灾不仅对人民生活的稳定造成极大的影响，而且对人类生存的环境造成极大的威胁，因此森林火灾成为世界上每个国家防范自然灾害的重中之重。然而，由于各个国家科技实力的不同所采用的森林火灾防火技术也不相同，国外主要采用飞机巡逻或卫星监控为主，国内主要采用人工瞭望或卫星遥感为主。

1.2.1 国外通常森林防火技术

1)德国：FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统

德国投入使用的FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统，是一种陆地数字化远距离观察系统，能够对大面积的森林地区进行观察，系统被安装在30-65米高的地方，正常监测半径10公里，安装该系统每套需7.5万欧

元，而在勃兰登堡州安装需要120-130套，约1000

万欧元。

2)美国：护林飞机和红外遥感火灾预警飞机巡

逻

美国利用“大地”卫星在离地面大约705公里的轨道上绕地球运转，装备“中等分辨率成像分光辐射谱仪”来探测地面上的高温地区、浓烟地带以及火灾遗址。而美国国家航空航天局于1999年发射“大地”，耗资却超过13亿美元。有两颗卫星发回的图像画面清晰度、精确度和详细程度都较低。另有五颗卫星的运行轨道和周期不合理，在北美地区上空留有12小时的空白时段。美国开始使用无人驾驶林火预警飞机进行24小时监测，虽获得了成功，但耗费了巨额资金。

3)澳大利亚：澳大利亚的林火监测系统由多部分组成

一是全国各地无偿开通了“000”紧急报警电话，群众发现森林火情后可迅速举报；二是高山了望塔了望，高火险时24小时观测；三是消防队员巡逻；四是飞机巡护；五是使用红外监测、GPS在空中定位；六是

卫星遥感技术监测；七是采用可光的方式进行航拍；

八是空中扫描探测。

4)加拿大：加拿大采用卫星巡回监测系统

加拿大采用两颗卫星每天在该国上空飞行5次，

每次检测1000平方公里，从卫星上发射电磁射线检测林区温度，当检测出某一林区局部温度上升到150℃～200℃，红外线波长达3.7微米时，便是火灾前兆，立即测定具体温度，采取措施及时防火.同时，发布短期和中长期气象预报，但卫星信息有14%误差，因此，加拿大林区采用多架配备先进的

直升飞机轮流监测森林火灾，以此作为卫星信息的重

要补充，但仍然存在误差，飞行费每小时需5000-6000

加元。

国外的技术有的虽然可靠，但需要借助高空卫

星，且施工太复杂；有的技术方案基础实施投资太

大，多达几十万美元，投入成本过高，这些难以满

足我国森林资源监测的实际需要。

1.2.2国内通常森林防火技术

1)地面巡护

主要是通过宣传群众，控制人为火源，同时深入了望台观测的死角进行巡逻，并且对来往人员及车辆，野外生产和生活用火进行检查和监督。

地面巡护森林防火监控技术的缺点：

(1)巡护面积小、视野狭窄、确定着火位置时，常因地形地势崎岖、森林茂密而出现较大误差；

(2)在交通不便、人烟稀少的偏远山区，无法进行地面巡护，需用各种交通工具费用及人员工资费用，只能用视频监测方法来弥补。

2)瞭望台监测

主要是通过瞭望台来观测林火的发生，确定火灾发生的地点，报告火情，然后根据瞭望员对于当地地形的了解进行交叉定位，推算出火情的大致经纬度信息。

瞭望台森林防火监控技术的优点：

(1)覆盖面较大、效果较好。

瞭望台森林防火监控技术的缺点：

(1)雷电天气无法上塔观察，无法及时观测到雷电天气出现的森林火灾；

(2)瞭望是一种依靠了望员的经验来观测的方法，准确率低，误差大；

(3)野外缓降使得了望员人身安全受雷电、野生动物、森林脑炎等威胁；

(4)它的观察效果受地形地势的限制，覆盖面小，有死角和空白，观察不到，对烟雾浓重的较大面积的火场、余火及地下火无法观察。

3)航空巡护

主要是利用巡护飞机进行林火的探测。

航空巡护森林防火监控技术的的优点：

(1)巡护视野宽、机动性大、速度快同时对火场周围及火势发展能做到全面观察，可及时采取有效措施。

航空巡护森林防火监控技术的缺点：

(1)夜间、大风天气、阴天能见度较低时难以起飞，同时巡视受航线、时间的限制，而且观察范围小；

(2)只能一天一次对某一林区进行观察，如错过观察时机，当日的森林火灾也观察不到，容易酿成大灾；

(3)固定飞行费用2000元/小时，成本高，租用飞机费用昂贵，飞行费用严重不足。

4)卫星遥感

主要是利用极轨气象卫星、陆地资源卫星、地球静止卫星、低轨卫星探测林火。发现热点之后，实时监测火场蔓延的情况，及时提供火场信息，用遥感手段制作森林火险预报，用卫星数字资料估算过火面积。

卫星遥感森林防火监控技术的优点：

(1)探测范围广、搜集数据快、能得到连续性资料，反映火的动态变化，而且收集资料不受地形条件的影响，影像真切。

卫星遥感森林防火监控技术的缺点：

(1)热点达到3个像素时，火已基本成灾；

(2)从卫星过境到核查通知扑火队伍时间过长，起不到“打早、打小、打了”的作用。

1.3中科院沈阳自动化研究所森林火灾预警与定位系统方案

森林火灾具有突发性、随机性等特点，利用普通的瞭望塔人工监控技术(我国目前的森林监控主要以瞭望塔人工监控技术为主)无法解决日益紧缺的森林资源与森

林火灾造成大面积的森林资源损失之间的矛盾。因此，一种全新的森林资源保护技术的开发与实现势在必行。

为满足新时期林业管理信息化建设遇到的各种需求，中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室计算机视觉课题组适时推出“森林烟火自动识别预警与定位系统”全面解决方案。该系统是一套应用光电技术、电子技术、高精度机械设计技术、图像处理技术、计算机视觉技术、模式识别技术、地理信息(GIS)技术、遥感(GPS)信息技术等开发的智能视频监控系统，能够对森林火灾实现自动识别，并对其进行精确定位。

该系统主要分为硬件子系统、软件子系统和运行安全管理体系三部分。

硬件子系统主要包括视频采集子系统、网络传输子系统、云台控制子系统、气象信息子系统、防雷子系统、系统安全保护子系统以及中心分析子系统。

软件子系统分为两大部分：(1)森林防火专题数据库系统，包括火情自动识别子系统、监控视频图像调节子系统、地理信息子系统(GIS)、火情报警信息平台发布子系统；二是林政管理和生态建设管理等其它林业数据库系统，两部分通过地理信息数据库系统和森林资源数据库系统互相有机连接，实现数据共享利用。

森林烟火自动识别预警与定位系统的结构图如图1-1：

首先，视频采集子系统采集当前的视频，云台控制子系统执行和查询当前的命令和状态，气象信息子系统获取当前的气象信息；其次，通过网络传输子系统将当前的视频、云台的状态以及气象信息回馈给中心分析子系统(PC机或服务器)；再次，森林烟火自动识别与预警子系统对当前的视频进行分析、判断是否有疑似火情发生，若有火情发生则将回馈的云台状态信息(角度信息等)传递给地理信息子系统；然后，地理信息子系统根据接收的云台状态信息计算出火情目标的精确经纬度，对其进行精确定位，并给出火点的地形信息(海拔，坡度等)以及最佳扑救路线，并将这些信息传递给短信平台子系统；最后，短信平台将获取的火情信息通过无线网络发送给森林火灾扑救部门，以便其部门进行组织扑救。

运行安全管理是贯穿于硬件和软件的保障体系。

三个方面相互之间并非完全独立，软件的运行要基于计算机、网络的硬件环境，而系统运行安全管理包括了硬件安全管理和软件安全管理等诸多方面。

森林防火信息系统与其它林业管理信息系统结构关系总图如图1-2所示：

系统中每个前端采集站有独立地址编码，且每个前端采集站的坐标与地理信息系统中的位置一一对应，通过安装在前端采集站的数字云台巡回监控覆盖区域的林区火情，一旦发现火情，GIS系统接收到特定地址编码的数字云台回传的位置数据，即可实现火点定位功能。同时，启动后台的短信发布平台第一时间通知防火相关领导和人员。系统还可以提供最近扑火队前往火情点最短路径以及通往现场的主要道路和通行能力，提供防火隔离带的位置和阻火能力，以及赶赴火场的时间等重要信息，相关领导可以在监控中心进行远程调度指挥。

系统以数字设备的监控方式，通过无线网络将采集的信息、数据传输到林业监控指挥中心，利用GIS（地理信息系统）对发生的火情、火警区域实现定位，并实时做出分析判断，确定扑救方案，将火险控制在萌芽状态。同时对大量资料数据进行储存、处理和分析，对今后的森林防火预防工作起到指导和参考决策价值。

系统以数字设备的监控方式，通过无线网络将采集的信息、数据传输到林业监控指挥中心，利用GIS（地理信息系统）对发生的火情、火警区域实现定位，并实时做出分析判断，确定扑救方案，将火险控制在萌芽状态。同时对大量资料数据进行储存、处理和分析，对今后的森林防火预防工作起到指导和参考决策价值。

1-2林业信息系统结构总图

(1)获取信息：利用建立分布在火灾易发区不同至高点的野外信息采集站，获取覆盖范围内的监控视频图像，实现全天候不间断监控；

(2)动态监测：在无线数字化网络平台系统的支持下，将视频图像及其它信息实时、同步传输到区级防火监控中心，实现真实观测林区的动态情况；

(3)火灾预警：如有火情，利用GIS地理信息系统，提调相关数据了解并掌握火场的基础情况，实现准确定位，同时通过专业林业数据库分析，得出一套切实

可行的扑火方案，确定扑火的人、机、物力量的配置，得出扑救具体措施和最佳

路线方案；

(4)预报分析：参考林区物候、可燃物特性数据,利用专家数据库模型进行综

合分析,预测出相应地区的森林火灾等级数据。

目前，国内开发的森林烟火自动识别预警与定位系统主要有：重庆海普公司的森林烟火自动识别预警与定位系统、北京东方泰坦公司的林业烟火智能识别系统以及北京柏高公司的森林烟火智能视频监控系统等，与上述国内的烟火智能识别与定位系统相比，我们开发的森林烟火自动识别预警与定位系统有如下特点：硬件子系统的优点：

(1)采用野外重载数字云台，具有实时回显位置信息功能，同时配备电动三可变长焦距镜头和低照度高清晰摄像机，可以通过专用操作键盘或监控软件控制云台和镜头；

(2)监控指挥屏幕墙可以实时显示前端采集点的图像，所有视频图像进行全程录像存储，并可以对以往的历史图像进行查询和回放；

(3)系统安全性高，采用人员身份认证、访问控制功能和审核功能等方式保证系统安全可靠；

(4)查询简便性：采用时间流设计，可由时间、日期、前端采集点完成资料检索；

(5)微波传输模式，方便与其他防火中心及其他森林防火管理相关部门连接；

(6)防盗告警，在监控点装置红外探头，有盗窃入侵时监控中心告警，保护用户投资，或将损失降低；

(7)电源系统：电源供给在全天候的环境下,保证系统不间断供电；

(8)防雷接地系统：系统要有安全的防雷接地保障措施,确保系统能够安全运行；

(9)通过合理设置的监测点,实现整个有林面积的监视范围达到95%以上。

从上面硬件子系统的优点可以看出：该硬件子系统能确保前段设备稳定工作，同时对前段视频进行实时回传，为软件子系统的图像采集提供了安全保证。

软件件子系统的优点：

(1)通过图像处理和模式识别技术实现林火自动识别报警，识别准确率达到99%以上，识别虚警率1%以下(每天误报不超过2次/塔)；

(2)对于较小的森林烟火目标能够准确识别(六公里处，6×6米的烟能够准确识别)，烟火识别的范围很广(以监控塔为中心360度可视范围内无盲区监控)，识别距离较远(识别的有效范围6~8公里)；

(3)火灾定位功能：利用前端采集系统中的数字云台，在地理信息系统里将每一个监控点进行地址编码，同时将每一个监控点的坐标直接落实在电子地图上，这样地理信息系统一旦接收到特定编码的数字云台回传的位置数据，通过建立特定的位

置转换数学模型，实现定位功能，经过测试，定位偏差位为6公里偏差750M；

(4)根据火情的着火面积计算出需要组织的扑救人力和物力等，并结合气象信息系统实时回显的气象信息预测林火蔓延趋势，并将这些信息包村以便灾后处理。

(5)辅助决策功能：GIS信息系统提供最近扑火队前往火情点最短路径以及通往现场的主要道路和通行能力,提供防火隔离带的位置及赶赴火场的时间等重要信息；

(6)GIS管理系统：以电子地图为基础,实现地图基本操作功能，同时在GIS系统中继承了防火档案管理子系统、防火人员信息管理子系统、防火设施管理子系统等数据库系统。

本系统是一套集森林烟火智能识别、火点目标精确定位以及短信自动发布烟火信息为一体的较为完备的森林烟火自动识别预警与定位系统。

第二章 需求分析

2.1 问题和形势分析

近几年来随着厄尔尼诺现象的出现，以气温持续偏高为主要特征的全球气候异常状况以及降水量的减少，我区森林火险的高危期和火灾损失的严重期也呈逐年上升的趋势，森林防火形势十分严峻。

究其原因，主要有如下几个方面：

1)由于近几年XX省林业工作开展顺利，林区面积大量增加并且几无大的森林火灾的发生，现在林下植被和枯枝落叶越来越多，林下可燃物载量逐渐加大，发生森林火灾的机会在不断增加；

2)目前XX省林区森林主要以桉林、松林为主，且多为幼中龄林，森林结构还丰富多样，火灾自控能力低，易燃性较强；

3)随着XX省经济的发展和人民生活水平的提高，从事林业经营活动显著增多，林区内人员流动频繁，游玩用火、上坟祭祖等带来了大量的火灾隐患，使火源的管理难度加大；

4)在市场大环境下，动员群众扑火困难不断增加；

5)相对于其他省市和其他行业XX省目前的森林火灾预警扑救综合机制尚未健全，指挥决策信息化能力有待进一步提高，各区基础设施建设水平不平衡等。

2.2 项目建设现状分析

虽然经过多年的森林防火基础建设，我区的森林防火发展中仍然存在一些不容忽视的突出问题。特别是针对森林防火的具体工作，面临着如何提高火险等级预测、火灾损失评估、火灾日常管理、火灾遥感监测等方面的科学化和信息化的决策分析水平；在加强防火期间林区的日常检查和管理工作的同时,如何采用先进的现代信息技术, 建立高效、可靠、实用的林火监控监测预警系统；火灾一旦发生, 如何能够迅速查明火情,分析火势,科学的制定灭火方案和调度现场灭火力等。

以上问题的解决都将融合在林火监控监测预警指挥通信系统建设之中，该系统集网络信息、卫星遥感与通信、多媒体指挥中心、微波通信、视频传输、信息安全、软件开发等多种技术于一体，以更好地为建设绿色XX省这个总体目标服务。

2.3 项目建设条件分析

2.3.1地理位置及自然条件分析

项目建设地点位于陕西省辖区内。东经?°?'至?°?'，北纬?°?'至?°?'，地处???，森林总面积???万公顷，处于南亚热带季风气候带，地带性植被为季风常绿

阔叶林，具有物种丰富，结构复杂，森林景观多样等典型特征。XX省全境地势东南高，西北低，大部分为低丘陵地，间以平缓的台地。(需要具体查询资料补齐) 据2008年森林资源二类资源调查统计数据,林业用地面积?m2，其中，有林地面积为?m2，疏林地?m2，灌木林地?m2，未成林地?m2，无林地面积?m2,苗圃地面积为?m2。按林种分，生态公益林面积?m2，占林业用地面积的??%，其生态功能等级Ⅰ类型?m2，占??%；Ⅱ类型??m2，占??%；Ⅲ类型??m2，占??%；Ⅳ类型?m2，占??%。(需要具体查询资料补齐)

2.3.2社会经济及林业发展状况分析

XX省成立多年来，XX省人民在党中央、国务院、省委、省政府的正确领导下，以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，认真落实科学发展观，国民经济和社会发展取得了很大的成就，仅2006年全区GDP生产总值即达到XX亿元，人均GDP 达到XX美元，各项社会事业取得新进步，人民生活环境质量进一步提升。

林业方面在历届省委、省政府的正确领导下，在全区人民和林业系统干部职工的努力下，XX省林业建设取得了巨大成就，并且随着以生态风景林、森林公园和自然保护区、湿地及沿海防护林、绿色通道为主的林业生态建设进程的推进，城市林业建设进入了快速发展阶段。目前XX省林木覆盖率达到??%，人均??m2。在森林火灾方面，自??年至??年年全区没有发生大的森林火灾和人员伤亡事故，森林火灾受害率为??‰，控制在省控指标??‰以下。(需要具体查询资料补齐)

2.3.3业务功能、流程和业务量需求分析

XX省林火监控监测预警指挥通信系统作为XX省森林防火工作的基础支撑，应满足日常值守和处置森林火灾突发事件的需要，林火监控监测预警指挥通信的业务分为常态日常工作业务和非常态应急业务。常态业务指没有发生森林火灾时的日常工作管理业务，主要是预防和应急准备工作，包括防火值班、林火监测与预警、平台建设、防火预案管理、火险预报、防火报表等；而非常态应急业务则反映了突发森林火灾时的业务，涉及火情的监测、火灾扑救指挥、火灾的评估与重建等过程，包括突发森林火灾时的应急值班、火情蔓延监测、分析研判、职能辅助决策、指挥调度、资源保障、火灾评估等业务。

2.4 环境分析

2.4.1关于前端设备与自然环境

本工程所处自然环境随季节、昼夜、气候的变化而复杂多变，不同季节、昼夜之间温差变化大，且常伴雨雪，时有雷雨大风。要求前端设备具有恒温功能，并能

有效防雨防雷。

2.4.2关于供电

本工程所辖范围区域广，野外架线成本高、施工难维护难。希望能提供一种供电方式，能保证前端设备全年无间断可靠运行。

2.4.3关于网络

林区所辖区域广，野外架线成本高、施工难维护难。需要提供一套可行的网络方案，能保证基站与监控中心之间，监控中心与区县监控中心、省市监控中心之间的带宽能保证数据流传输流畅。

2.4.4关于林区设备防盗

前端设备大多数安装在无人值守的密林深处，林区的前端设备需要利用现有监控系统设置防盗功能。

2.5 建设目标

森林防火联网智能监控系统的建设，是XX市林业局森林防火工作革命升级的重要工作，工程建设应满足以下几个要求：

1)投资省：工程建设应充分考虑设备选型的性价比，同时不能牺牲设备和系统的先进性，保证系统在一段时间内不落伍。

2)建设快：一旦合同签订，从方案设计、到工程施工都能按期(???)完成。

3)功能全：系统建设能满足甲方的功能需求。

4)安全性：系统的设计建设能充分考虑复杂多变的地理和气候因素，防雷技术可靠，防盗方法可行。

5)稳定性：系统能满足7×24无间断工作，无论是前端设备，还是整个系统，都能稳定运行。

6)扩展性：系统具有可扩展性，系统具有升级功能，适合森林防火防护监控系统的发展要求。

7)易用性：要求系统的操作简单，界面清晰，流程合乎行业习惯，易学易用，并能提供在线帮助和技术支持。最好具备一键开机功能。

2.6 需求综述

XX省林火监控监测预警指挥通信系统建设是XX省实施“加快??林业发展”战略的重要组成部分；是全面提升XX省森林防火的现代化管理水平、促进城市林业建设和森林防火信息化建设实现可持续发展和跨越式发展的积极手段；是加速XX省森林防火宏观决策科学化、监测预警智能化、指挥通信现代化推进XX省经济发展，全面构建和谐XX省、效益XX省的有效保障。

XX省林火监控监测预警指挥通信系统采用当前先进、成熟的技术，在充分参考我国其他省市森林火灾监控监测预警以及应急指挥的各种手段下，同时结合XX省的自然情况和市森林防火工作实际情况，以较少的投资，实现了市森林火灾的自动监控、火险预警、信息通信和应急指挥等，极大地消除森林火灾的监控盲区，大大缩短发现火灾的时间，并能在必要时为森林火灾的扑救指挥提供强大的通信支持和辅助决策服务，为有效遏制森林火灾的发生、提高综合防控能力、改善防火基础设施、完善防火信息标准化体系、加大森林防火工作的科技含量打下良好的基础。

通过认真研究和论证，本项目建设基础条件较好，组织保障有力，建设方案和技术路线可行，建设规模适宜，资金投入适当，后期运行费用少，生态效益和社会效益巨大。对及时发现火情、传递信息、迅速展开扑救，将森林火灾降到最低限度，有效控制森林火灾的蔓延和损害，使国家和人民生命财产免受损失具有十分重要的意义和作用，是促进XX省森林防火事业向现代化、信息化、标准化迈进的有力保证。同时，该系统的建设关系到森林资源可持续发展，有利于构建和谐XX省、效益XX 省以及推动当地经济的稳定和发展。

XX省森林防火智能监测系统，是一套将智能监控、资源管理、应急预案、指挥扑救、灾后评估等功能模块无缝融合，整合了地理信息(GIS)、大型集中监控技术、智能图像识别技术、无线通讯传输技术的综合性森林防火联网智能监控系统，它将单一的森林防火系统提升到数字林业的综合管理高度。

第三章系统功能简介

森林烟火自动识别预警与定位系统主要由硬件系统和软件系统组成。

3.1硬件系统简介

硬件系统主要包括：视频采集子系统、网络传输子系统、云台控制子系统、气象信息子系统、防雷子系统、系统安全保护子系统以及中心分析子系统。

(1)视频采集子系统

视频采集子系统主要包括：摄像机和镜头。由于室外监控环境比较恶劣，导致成像模糊不清(普通摄像机无法在低照度下成像，普通镜头在水雾较大时无法成像)，为了能够适应于野外恶劣的环境，我们采用低照度摄像机与多栅格透雾镜头相结合，解决低照度成像模糊和山区水雾较大成像不清晰等问题。

与普通监控摄像机相比，低照度摄像机有如下优点，如表3-1所示。

普通监控镜头相比，多栅格透雾镜头有如下优点，如表3-2所示。

(2)网络传输子系统

网络传输子系统有两种方案：有线传输和无线传输。有线传输方案主要包括：视频服务器、光端机以及光纤。无线传输方案主要包括：视频服务器以及无线传输设备。

视频服务器是由一个或多个模拟视频输入口、图像数字处理器、压缩芯片和一个具有网络连接功能的服务器构成。主要作用将输入的模拟视频信号数字化处理后，以数字信号的模式传送至网络上，从而实现远程实时监控的目的。同时视频服务器还支持RS232透明通道传输方式，支持双向传输，不仅能够将云台的控制命令传向前端，而且能将前端视频和云台状态信息经行回传。

光端机是将多个E1(一种中继线路的数据传输标准，通常速率为2.048Mbps，此标准为中国和欧洲采用)信号变成光信号并传输的设备(它的作用主要就是实现电-光和光-电转换)，它的主要作用是在光通信系统中将光信号和电信号互相转换的一种设备，对需要传输的信号不进行任何压缩。光端机分为光发射机和光接收机，光发射机是接受电信号，转换成在光纤中传输的光信号，而光接受机是将接收到的光信号转换为电信号输出。

无线传输设备采用以色列奥维通网桥，它是目前国际上性价比比较高的数字无线传输设备，技术也比较成熟。

无线网桥所用数据通信：

VLAN 支持：Based on 802.1q；

安全：联合协议 ESSID WEP 128，AES，对用户地址

和协议的IP层；

过滤：管理的接入控制和IP地址过滤；

多层次的管理：通过 Telnet采用基于SNMP 的管理

工具配置可以 upload/download；远程管理通过有线局域网, 无线链路；

管理进入保护：a.层此的口令；b.程配置进入方向的可指定(只从以太网, 只从无线链路或从两个方向)；c.可以指定可以管理的电脑的IP地址；

IP参数的分配：可以手动或自动(DHCP 客户端)；软件的升级和配置的上下传FTP/TFTP下载；

SNMP代理：SNMP V1 Client，MIB II，Bridge MIB，Private

Breeze NET B MIB。

(3)云台控制子系统

森林防火监控系统前端采集部分建立在高山上，野外条

件恶劣，对云台的各项指标有严格的要求。例如：机械传动

部分具有良好的抗风性能，山上雷电较多，云台自身要有避

雷功能，云台要抗腐蚀，云台担负着定位功能，机械加工精度要求较高。我们与兵器集团206所联合生产开发的重型数字万向云台采用军工级别的制造标准，保证每一个生产环节都控制在军工标准之内，每一根导线、每一颗螺丝都由专家精心设计。

重型数字万向云台数字云台与市面上普通云台的比较如表3-3所示：

重型数字万向云台能够返回精确角度与地理信息系统相结合实现精确定位，同时指令系统丰富，不仅能够对镜头进行调焦、变倍，而且能够对镜头进行预置位控制，这样大大地增强了该系统地监控范围。

(4)气象信息子系统

气象信息子系统主要由风向传感器、风速传感器、温度传感器、湿度传感器、数据采集器、数据终端处理器、系统电源、通讯电缆和避雷装置及温湿度百叶箱、安装架等组成。

气象信息子系统主要作用是将当前的气象信息进行采集，并通过无线网络回馈给地理信息子系统，以便于地理信息系统进行辅助决策。

(5)中心分析子系统

中心分析子系统一般采用普通的PC机，如果监控点较多时，则为了保证软件系

统的效率则需采用服务器。

本系统最少需要三台计算机：第一台计算机执行森林烟火智能识别与预警系统；第二台计算机执行地理信息定位系统；第三台计算机执行智能短信发布系统。

该系统对于PC机或服务器的要求：内存512M以上，操作系统采用windows XP系统，具有独立显卡和独立IP地址。

(6)防雷子系统

森林防火工程已室外工程为主，由于山区地形条件很复杂，且距离监控中心距离遥远，给设备维修带来极大的不便，然而室外设备极易遭受雷击，因此该系统的防雷工作就显得非常重要。

防雷子系统设计原则是：1)首先考虑人身安全；2) 保护设备及被保护对象不受损坏。

设计标准、规范是：

1)国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》(2000版)；

2)国家标准GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》；

3)国家标准GB50174-93《电子计算机机房设计规范》；

4)国家标准GB50198-94《民用闭路监视电视系统工程技术规范》；

5)国家标准GBJ115-87《工业电视系统工程设计规范》；

6)国家标准GB50116-98《火灾自动报警系统设计规范》；

7)国家标准GB50169－92《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》。

防雷子系统主要包括两大方面：1)前端监控点防雷；2)监控中心防雷。

1)前端监控点防雷

前端防雷分为微波系统防雷和电源防雷。微波系统防雷主要是在发射机和天线之间串接避雷器，以避免来自天线的雷击，起到保护微波发射机的目的。电源防雷主要是为了避免电源线引入的浪涌袭击。根据我们的经验，野外监控和微波系统对于雷击最为薄弱的环节还是系统的电源，因此作好电源防雷是相当重要的。

电源防雷的关键是作好接地，而森林防火监控的摄像机往往置于高山之上，接地很难作好，所以要根据具体地形，因地制宜。最为基本的做法是，在建设安装支架或铁塔时，同时作一个埋地的铁丝网结构，大约直径为10米左右，该铁丝网的形状类似蜘蛛网形式，埋地深度大约为1米左右，如果条件允许，可以进一步买一些木炭，提高导电率。

2)监控中心防雷

监控中心防雷主要包括：①机房建筑的防雷；②防静电。

①机房建筑的防雷

由于机房通信和供电电缆多从室外引入机房，易遭受雷电的侵袭，机房的建筑防雷设计尤其重要，而在通常的站区建筑设计中往往忽视这一点，机房的建筑防雷除应有效地保护建筑自身的安全之外，也应为设备的防雷及工作接地打下良好的基础，机电工程多采用联合接地方式，系统设备接地都是与建筑接地连接在一起的。建筑防雷设计施工完成后应提供准确的系统接地网或接地环带的位置和布设图，避免设备接地网与建筑接地网冲突。由于联合接地的特殊要求，机电工程中禁止直接使用建筑接地线和电源接地线作为系统设备的地线。因此，我们在楼下单独做接地极，作为机房的接地和防雷。

②防静电

计算机房的防静电技术，是属于机房安全于防护范畴的一部分。由于种种原因而产生的静电，是发生最频繁，最难消除的危害之一。静电不仅会对计算机运行出现随机故障，而且还会导致某些元器件，如cmos、mos电路，双级性电路等的击穿和毁坏。此外，还会影响操作人员和维护人员的正常的工作和身心健康。静电引起的问题不仅硬件人员很难查出，有时还会是软件人员误认为是软件故障，从而造成工作混乱。此外，静电通过人体对计算机或其他设备放电时(即所谓的打火)当能量达到一定程度，也会给人以触电的感觉，造成操作系统作维护人员的精神负担，影响工作效率。如何防止静电的危害，不仅涉及计算机的设计，而且与计算机房的结构和环境条件有很大的关系。在建设和管理计算机房时，分析静电对计算机的影响，研究其故障特性，找出产生静电的根源，制定减少以至消除静电的措施，始终是一个重要课题。

我们采用新耐久防静电贴面以及其他材料，使用先进设备和精密模卡具加工而成，产品抗静电性能稳定长久，机械性能优良，几何尺寸精，互换性能好，阻燃，防潮，防腐，脚感舒适，色调新颖美观，各项技术指标均达到或超过《计算机机房活动地板技术条件》的要求。

(7)系统安全保护子系统

系统安全保护子系统主要包括UPS电源和电源控制板。其中UPS电源保证在系统突然断电的情况下，对设备进行正常关闭，以保证系统安全，同时UPS电源还有稳压的作用，减小因为电源杂波造成的电压干扰；电源控制板的作用是使得用户在后端能够通过控制指令实现对前端系统的正常关闭和打开。

UPS电源我们采用美国山特UPS电源，该公司的产品性价比较高，性能比较稳定，表3-4为山特K500和山特K750的设备参数，用户可以根据实际需要进行选择：

上述硬件系统具有明显的优势，使得软件系统的良好运行，以保证森林烟火自动识别预警与定位系统较高的识别准确率(98%以上)和较低的误报率(1%以下)以及森林烟火的精确定位，从而使森林烟火能在较早的时间进行识别与定位，真正做到防患于未“燃”。

3.2软件系统简介

软件系统主要包括：森林烟火自动识别与预警子系统、地理信息定位子系统以及智能短信发布子系统。

(1)森林烟火自动识别与预警子系统

森林烟火自动识别与预警子系统主要应用图像处理技术、计算机视觉技术、模式识别技术等对采集的视频图像进行分析，实现对森林火灾进行准确实时检测。

森林烟火自动识别与预警子系统的结构流程图如图3-1所示。该子系统主要分为三部分：图像预处理、图像光照增强及匹配、烟火目标识别。

森林烟火自动识别与预警子系统应用图像分割和识别技术，自动区分并标记出森林区域和天际线，以降低火情虚警率。在自动监测状态下，云台自动转动，程序实时地抓取基本照片、比较图片，经图像处理提取烟火特征(如烟火的灰度分布特征、形状和烟火的运动特征等)，应用模式识别技术进行烟火自动判别。通过相应的算法，其他的非烟火目标(如飞行物、车辆等)将被排除。森林烟火自动识别算法主要利用色彩迁移理论、计算机视觉、图像形态学以及图像相关和匹配等处理手段减小时间变化(图像明暗变化)、早晚霞、树影晃动、光影、雨雪以及像素偏移等因素造成的影响，降低烟火识别误报率，提高准确率。另外，对视频图像中非火情区域(如村落，