森林防火视频监控系统解决方案.docx
《森林防火视频监控系统解决方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《森林防火视频监控系统解决方案.docx（54页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
森林防火视频监控系统解决方案
森林防火视频监控解决方案
第一章项目总体概述
1.1方案背景
针对森林防火的薄弱问题，有必要建立智能化的森林火险综合管理系统，弥补人工防范的不足，采取有效的手段能够对林区进行大范围、大视野的全天候24小时实时监测，能够自动发现林区火源并自动报警，并且能够将火点的位置准确定位，通过这种方式可以解决因人工护林造成的森林防火的不足。
森林火险综合管理系统以现代地理学、大气科学、林学、火灾科学等为理论基础，以地理信息系统（GIS）、数字高程图（ASTERDEM）、全球定位系统（GPS）、空间决策支持系统以及计算机网络、现代通讯技术等为技术支撑，突破传统的林火预防和扑救模式，运用系统工程的理论方法，融专家经验、现代信息技术、科学计算于一体，对森林防火信息管理，林火监测、火险预报、火行为预测、扑火方案辅助决策、林火损失评估等工作具有很大的帮助。
系统的设计思路主要体现以下几个方面：
1.强化森林防扑火信息的综合管理
提高森林防扑火信息综合管理能力的目的，是使林业部门在森林火灾到来之前和出现之后能够做到信息来源畅通、信息处理及时、应急反应敏捷。
具体地可分为以下几种情况：
（1）在非防火期做好以下工作：
信息日常管理：
包括信息发布、文献管理、报表管理、值班调度、热点分布、信息查询、态势信息、信息专递和报表统计等。
防火设施规划：
主要是对观测点的位置进行优化，保证其监测网的监视覆盖区最大。
火险知识训练：
通过本系统培训各级管理人员判断火险指标的能力。
林火行为知识训练：
通过在计算机上点“假想火”，模拟各种条件下火蔓延过程，使管理人员了解并掌握林火行为特征。
林火扑救决策训练：
通过向指挥者提供各种图文资料，使其能针对各种模拟火场制定扑救方案。
（2）在防火期能够顺利完成以下工作：
火险天气预测预报：
为用户提供火险天气预报。
火险等级预测预报：
进行分地区的火险等级预测预报。
林火监测辅助决策：
根据各地区的火险天气预报和火险等级预报，为各地分别提供各自不同的火灾预防措施、火源管理措施、扑火队伍战备措施等辅助决策意见。
（3）林火发生时能够完成以下工作：
林火行为预测。
林火一旦发生，系统可迅速向决策者提供预测的火蔓延速度、火场扩展趋势、火线强度等重要的火行为特征参量值。
视频实时监测。
通过视频监控技术对林火的自动定位，为林火的预警、接警提供快速准确实时的依据。
林火扑救辅助决策。
系统针对不同火情帮助指挥者制定决策方案，包括确定扑救方式、扑救力量配置和扑救队伍行军路线等。
2.提高森林防扑火机制和手段的智能化和自动化程度
本系统从管理模型、管理方法、管理软件到人机界面，全面提高森林防火机制和手段的智能化和自动化程度。
具体如下：
（1）管理模型：
不局限于运筹学的数学模型，而且引入人工智能的知识模型。
由系统的总控模块把多种模型进行集成，完成不同的管理任务。
（2）管理方法：
系统拟实现的预测、规划、优化、决策等功能，都建立在科学的理论模型基础上，在地理信息系统和计算机仿真平台上完成。
（3）多库协同：
管理软件不仅使用数据库、模型库、知识库，还引入图形库、图像库、文字库等多媒体文档库，由库管理子系统对它们进行协调管理。
这种多库协同的方式便于储存、管理、查询、维护多模式的林火信息和模型，为智能管理提供灵活高效的支持环境。
（4）人机界面：
系统应建立多种智能导航界面，为管理人员和计算机通信提供友好直观的接口。
当用户选取某一菜单或执行某一功能时，智能向导将一步步提示用户进行下一步操作，给出输入参数的含义和取值范围等等。
当用户熟悉软件后，也可把智能向导选项关闭以加快速度。
（5）地理信息系统基础平台：
除完成基础的和常规的地理信息采集、信息存储与管理、信息处理与分析、信息显示和输出等任务外，还应为各应用子系统提供模型接口和数据接口，并能够完成以下特殊功能：
矢量、栅格和TIN等多种数据格式之间的相互转换；
多源、多类数据的融合与匹配；
进行三维分析，生成和显示火险区地面的3D图，计算了望台监测覆盖区等；
进行网络分析，优化扑救队伍调度路线；
用2D和3D方式显示林火预测和决策结果，如林火蔓延趋势、扑救队伍行军路线等；
3.提高全市范围内森林防扑火行动的整体协调性、联动机制和反应速度
在多区域同时出现森林火灾时，应采用GIS管理平台技术，以一个总中心、多个分中心、分级监视与信息反馈、统一指挥调度的方式对全局的森林防扑火行动进行整体协调，保持相互之间的联动，以此提高全局范围内森林防扑火行动的整体反应速度。
为此，本系统按照控制中心与各区、片分中心，控制中心与普通用户，以及控制中心与现场救灾人员之间的关系机制不同，划分为三种不同的体系结构：
（1）控制中心与分中心之间的客户/服务器体系结构
（2）信息中心与普通用户之间的浏览器/服务器体系结构
（3）移动用户的单机运行模式
1.2系统概述
森林是世界的主要碳库，对于维持全球气候与环境的稳定性起着关键作用；而森林大火则会烧毁大量林木，带来包括加剧碳排放和全球暖化等严重的环境问题，以及导致生命及财产损失。
国家林业局数据显示，中国每年大约有2%的森林因火灾而遭受严重破坏，林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内可造成巨大损失的特点。
因此迅速发现和扑灭林火，就成为了森林防火的重中之重。
传统视频监控的现状
无论是传统的第一代模拟视频监控系统，还是第二代、第三代部分或完全数字化网络化的视频监控系统，都具有一些固有的局限性：
由于人类自身的弱点，易导致漏报。
一般在很多情况下，人类并非一个可以完全信赖的观察者，他们在观察实时的视频流或观察录像回放的时候，由于监控人员个体条件的不同以及自身生理上的弱点，经常无法察觉到安全威胁，从而可能导致漏报现象的发生。
各个监控点不能每时每刻都处于监控
除了一些规模较小的视频监控应用之外，很少有视频监控系统会按照1∶1的比例为监控摄像机配置监视器。
因此，对于机场、港湾等大型的视频监控系统，各个监控点并非每时每刻都处于监控当中。
数据分析困难
报警发生后对录像数据进行分析通常是安全人员必须要做的工作之一，而误报和漏报现象则进一步加剧了对数据分析的需求。
安全人员经常被要求找出与报警事件相关的录像资料，找到肇事者、确定事故责任或评估该事件的安全威胁。
由于传统视频监控系统缺乏智能因素，录像数据无法被有效地分类存储，最多只能打上时间标签，因此数据分析工作变得极其耗时，并且很难获得全面的信息，而经常发生的误报现象使无用数据进一步增加，从而给数据分析工作带来更大的难度。
响应时间长
对于安全威胁的响应速度关系到一个安全系统的整体性能。
传统的视频监控系统通常都由安全工作人员对安全威胁作出响应和处理，这对于处理一般性的、实时响应要求较低的安全威胁来说已经足够。
但是很多情况下，在威胁发生时，需要安全系统的多个功能部分，甚至多个安全相关的部门在最短的时间内协调配合，共同处理危机。
这时候，监控系统的响应速度将直接关系到用户的人身或财产的损失情况。
我们认为森林火灾难以完全避免，因此保护林木的最佳方法，便是缩短火灾侦察的时间，防止火势蔓延及失控。
因此我们本着保护国家山林及天然资源的使命，建设智能森林火险综合管理系统，并根据不同林业的需求提供度身订造及针对性的解决方案。
「智能森林火险综合管理系统」是侦察森林火灾技术的突破。
现时常用的侦察火灾方法大多依靠森林内瞭望台当值人员及游客的报告，但这样既非自动化，亦太依赖个人的判断力。
另外亦有机构使用红外线人造卫星影像系统，但这方法只能反映已扩散蔓延的森林大火，却难以侦测小规模的山火。
而且要为红外线图片进行分析亦不容易，机构最少要用一至两小时，才能侦测到火灾位置。
我们设计的「智能森林火险综合管理系统」，正是要跨越这些限制。
视频监控是最直观最有效的方式，从最开始的人员巡逻到现在的摄像机监控都是想通过视觉画面来直接监控，但是由于人眼容易疲劳和其他画面太多等因素导致视频监控不能发挥应有的效果，更多的成为了事后的查询记录，虽然也能帮助解决一些问题，但是我们更多的希望是防止非正常事件的发生，把他们消灭在萌芽之中。
要做到这些，就要解决用人眼监控的弱点，我们将提供智能视频分析技术，通过机器眼+机器脑来防范，真正做到24小时有效监控。
1、先进性原则
系统应充分考虑科学技术的迅猛发展趋势，应用国内外业界较先进和标准的主流技术来保证智能化系统各项功能的实现；采用以“数模结合”的系统结构，使得系统可以方便灵活地在处理能力、系统容量、功能点等方面进行扩充和升级换代，从而确保系统可以支撑未来一段较长的时间内形势和业务发展的需要。
2、实用性原则
系统的设计应使智能化系统能够最大限度地满足派出所的各项业务需求。
以监控各信息系统作为指挥的主要手段，为其它的各项业务职能提供所需的信息。
系统的输入设备和系统软件还应具有良好的操作性，使一般文化水平的民警，在略懂电脑操作的情况下通过基本的培训就能掌握系统的操作要领，达到胜任值班和监控任务的水平。
3、可靠性原则
系统应采用以模拟信息传输为主、数字信号传输为辅，并相结合的方式，在关键节点保证系统的可靠性；采用成熟的技术和优质品牌的配套设备，并充分考虑系统实施地点的使用环境进行选择，以提高系统的可靠性和使用寿命；系统设计时还应考虑数据的备份保存和快速恢复，以便在系统出现问题时能以最快的速度恢复正常运作。
4、可扩展维护性
系统中采用的硬件设备及软件产品应支持国际工业标准以及行业相关标准，以便能和不同厂家的开放型产品在同一系统中共存。
在系统设计中，应选择具有可扩展性的系统结构和产品，特别是通过模块化设计的设备和可升级的系统软件，使系统能灵活增减或更新各个子系统的功能来满足业务发展的需要。
5、安全性和保密性
在系统设计中，既考虑信息资源的充分共享，更要注意信息的保护和隔离，因此系统应分别针对不同的应用和不同的通讯环境，采取不同的措施，包括系统安全机制、数据存取的权限控制等。
第二章系统建设方案
2.1某市监控模拟布点
根据前期摸查和调研，发现某市森林火险事件多发生在市东西面的两个部位，而东西两组团范围广阔，最远距离达90公里，监控难度较大。
结合某市规划任务与过往实际灾害数据，森林防火体系现计划分别于1区、2区、3区、4区建设10个森林防火视频监控点，具体分布区域见下表：
序号
单位
森林防火视频采集系统数量和位置
数量
简要描述位置信息
1
1区
5
模拟覆盖图
（1）的右手边分布着某市的主要公园以及接近市中心位置，利用5个点的交叉覆盖，达到最佳的覆盖率。
对某市内的所有主题公园进行了高密度的监控范围。
2
2区
2
模拟覆盖图
（1）的左上角主要分布了某市的重点山林，位于市郊，人烟偏小。
利用了两个点进行了大部分的覆盖，最佳的保护了山林林区。
3
3区
2
模拟覆盖图
（1）的左下角主要分布了靠海的两个森林公园，存活了大量的珍稀木材与野生动物。
利用了两个点对森林公园进行了大范围的覆盖，达到目的。
4
4区
1
模拟覆盖图
（2）主要是海边上的独立海岛，岛上人烟稀少，满足了野生动物的生活条件。
而林区是野生动物生存的必要条件，以一个点的覆盖对岛上林区进行保护，提供良好的条件给野生动物。
合计
10
2.2某市模拟覆盖效果图
根据软件技术的地形模拟功能，对某市进行模拟选点（坐标位置）。
下列
（1）
（2）两张模拟覆盖图更真实的体现到实际覆盖情况，供客户参考与有针对性的选址。
（1）
（2）
林区的山体情况复杂，实际安装需按现场调研后协商制定。
2.3系统技术特点及优势
2.3.1系统技术特点
1.基于远红外设备的长距离森林火灾分析算法
独特的森林火灾热成像分析算法，最远能监测5公里处1米*2米木质火源，从8公里处能侦测到3米*3米火源。
单终端最大覆盖面积超过80km2；能去除车辆等转瞬即逝的热源和日间太阳照在山体没有植披的石层和土层导致的高温干扰。
高火情识别率，低误报率；系统能侦测5公里处4平方米木质火源，8公里处9平方米木质火源。
2.基于DEM的全三维地理信息系统建模
我们的平台自带离线GIS系统，并通过DEM高程库实现了站点周边全区域的三维建模，客户可自由编译路径、地名与周边设施。
精度为Google地球中国区的9倍。
3.基于DEM库三维建模实现的单站点精确火情定位
通常火情或事件的定位需要由2个站点配合完成（类似人类的双眼定位原理），我们的系统可由单个站点通过DEM高程库完成的三维模型实现单站点精确定位，经实测定位精度小于半径27米，火情精确定位有助于业主方的预防、决策与扑救工作。
4.双光谱火情分析
系统在红外热成像火灾算法基础下利用前端工控机配合长焦成像设备接入我司自有烟感分析软件，辅助红外分析软件观测山背/山沟火情，同时实现了周边林业资源观测、病虫害观测与其他的观测功能。
5.火情所见即所得
出现火情后，用户可点击地图上多个火情标志中的任意一处火点，系统可自动分析锁定火点，自动调整云台水平/垂直方位与镜头焦距/视场角，使指挥人员能立即观看现场视频，做到火情的所见即所得。
6.全景图与智能屏蔽功能
支持360度全景拼图，系统可以实现红外热像图的无缝智能拼图的全景红外热像分析功能。
获得前端现场所有环境信息，快速实现全方位的火情决策分析。
支持静态屏蔽功能通过标识监控区域内的已知热对象，对已知热源进行屏蔽，最大程度上减少人为误报，如建筑物/光伏，太阳能板等。
7.系统覆盖范围仿真功能
通过准确的高度数据库与三维模型，我们可在系统的地理信息系统上软件仿真所有建设站点，模拟站点覆盖范围，选取最优站点达到最大的覆盖范围，大大减少了勘测成本。
2.3.2系统技术优势
微小火源识别前提下的大范围覆盖——独有专利的火灾热成像图像分析算法，单台终端最远能监测5公里处2米*2米木质火源，从8公里处能侦测到3米*3米火源。
单终端覆盖面积超过78.5km2，为业界同类产品覆盖面积28.26km2的3倍。
基于GIS的3D站点建模——采集NASA地理观测数据库中的高度数据进行建模，精度为Googleearth的9倍以上。
智能视频分析——支持基于GIS的实时火情地理位置标定，可精确定位火情，理论误差小于50米，实测误差小于27米
自动巡检与主动告警——监控终端支持全范围自动扫描，指定范围自动扫描，手动扫描功能。
支持火情主动告警功能，包括声音告警和短信告警。
数据分析——支持基于事件的历史信息检索。
监控数据、异常数据和报警信息会自动存储在相对应的设备数据栏目中，可以实现快速准确的调用分析。
终端防盗设计——监控终端主控板内嵌GPS芯片，可支持断连6小时内识别终端位置。
云台和防风杆采用异形螺丝紧固连接，普通扳手无法打开。
防风杆离地3米内无扶手，只能使用梯子攀援。
站点软件仿真——通过准确的高度数据库与三维模型，我们可在系统的地理信息系统上软件仿真所有建设站点的可视范围，做到系统识别盲区可视化，大大降低了选点与勘测成本
2.3.3系统核心技术及价值
●核心技术:
智能视频监控系统对已知干扰源屏蔽功能和方法
远红外智能识别火情算法与自动告警功能
利用二维摄像设备配合三维地图进行距离测量和三维地理位置标定的实时算法
●客户价值:
识别微小火源的能力：
在长距离识别微小火源的能力使客户能在火情早期迅速作出火情应对判断；
准确定位火情的能力：
支持基于GIS的实时火情地理位置标定，可精确定位火情，使管理人员与打火队伍能迅速准确地找到火源；
主动告警的能力：
不依赖于肉眼，系统自动识别火情后的第一时间以声音、短信、push消息等多种方式主动向多个有关人员及部门进行告警；
成本的降低：
通过系统对站点仿真、防雷、防盗、告警能力、远程管理能力、数据分析能力等方面的独特设计，大大降低方案整个生命周期的安装、维护运营成本。
2.4系统结构组成
2.4.1视频监控终端
红外热成像仪
高清透雾摄像机
384×288红外像素，温度灵敏度达0.05℃，工作温度-40至70度
可视角度：
5.5×4.2度
75mm镜头
210万像素
在FULLHD1080P下可实现实时图像
视频高压缩比逐行扫描CMOS，运动图像无锯齿
支持最大64G存储卡本地存储
支持双码流与手机监控
支持自动光圈/自动电子快门
透雾由特制光学玻片配合软件增强实现
全天候监控
ICR红外滤片式日夜转换功能，全天候监控
能够敏感探测发热体，包括明火，人体，热浪，热烟等，及早发现火灾险情，大大降低模式识别的误报率。
采用超长远焦镜头14-374mm（根据需求可选）
透雾由特制光学玻片配合软件增强实现（自主研发）
配合广角镜头，扩大监测视场面积，实现截面视场全覆盖
透雾由特制光学玻片配合软件增强实现（自主研发）
采用变焦镜头，大监测视场面积，实现截面视场全覆盖
不受雨雾等天气情况影响，全天候工作
不需要自动调焦调距，扫描巡航效率高
被动红外方式，寿命长于主动激光夜视仪
支持风光互补（客户定制）
2.4.2信号传输与通讯
信号传输有三种方式，具体采用哪种传输方式根据客户的具体需要以及现场实际情况决定：
▪视频电缆传输（视频输出时）
▪直接网线传输
▪光纤传输（加配带光纤接口的工业以太网交换机）
系统网络通信采用IP网络技术组网，并可使用网络延伸器、网桥、路由器设备延伸接入站点，且能支持IP组播功能。
采用双方向10/100/1000Mb/s（10/100/1000BASE）光/电接口互联，并实现第三层路由隔离。
现场控制箱与交换机之间采用光纤通讯方式，提高信号传输带宽，同时提高系统抗干扰能力。
2.4.3处理服务器
在本系统中，本地服务器为放在区域监控中心网络机柜中，也可以与远程服务器连接，通过专网进行数据交换与通讯。
服务器完成两大功能：
数据存储与交换
设备的正常红外热像图谱和出现异常时的典型故障图谱，以供将来设备出现异常时进行对比分析。
所有热像终端所监测的温度数据及图谱信息即时传送到本地处理服务器，由本地处理服务器完成与远程处理服务器的数据交换，随时可调用数据进行分析。
即时控制、分析
支持即时切入控制：
当森林温度无异常时，系统处于自动巡航状态，一旦出现热异常时，可即时切入客户端人工控制，以控制热像仪准确定位于森林热异常部分，进行即时分析。
干
分析：
当出现热缺陷时，可即时对热像仪进行控制，定位森林热异常的部分，进行数据分析。
实现对森林安防系统进行实时闭环控制，如果温度超差大于某一值时即时报警。
2.4.4监测、控制与分析客户端
由于客户管理构架适应分级管理构架，客户端可分为两种，本地客户端（区域监控中心）和远程客户端（远程监控中心）
本地客户端：
本地客户端直接和本地处理服务器相连，根据客户
应用需求开发的红外热像处理软件安装在本地客户端，可以完成即时监控，随时生成温度曲线，进行即时分析，出现异常时进行报警，以及完成客户定制化需求等。
远程客户端：
远程客户端与远程热像处理器相连，根据客户应用需求开发的红外热像处理软件安装在远程客户端，由于远程处理服务器与本地处理服务器一直进行着数据交换，所以可以完成即时监控，随时生成温度曲线，进行即时分析，以及完成客户定制化需求等。
2.5系统功能设计
根据系统功能模块开发需求，林区火情智能视频监控管理系统主要定制功能包括：
1.前端基站双光谱视频监控设计
系统前端基站采用75mm远红外热成像仪与130万像素高清可见光透雾摄像仪的双光谱监测设计，安装在云台上并接入现场控制箱。
远红外摄像仪负责探测区域异常温度，可见光透雾摄像仪在雾霾天气下提供清晰近距离火情现场视频图像。
2.火情自动判定及告警
系统能自动监控并识别探测区域内发生的火情，并自动判定火情信息并回传到后端软件平台通过生成声、光信号进行告警，提醒管理人员能第一时间监察异常情况,同时监控人员可在指挥屏幕墙上实时显示探测情况。
3.软件三维建模及站点管理
系统软件能通过全球数字高程模型ASTERDEM对所有项目需求站点进行三维地形建模，并置于上一级系统模拟的三维地图平面上。
管理部门能通过系统软件界面统一连接及管理下级所有地图站点并准确获得站点监测区域周边的地形地貌。
4.火情定位
系统采用单基站火情定位方法，利用二维摄像设备配合三维地图进行距离测量和三维地理位置标定的实时算法，可精确定位火情，显示火灾经、纬度和高度的三维GPS坐标，误差在5公里范围内小于50米。
5.系统安全
系统登陆通过账号密码方式进行认证，管理者能在系统内为不同账号的登入者设置不同访问权限，保障系统信息和运作安全。
6.系统远程操作及自主介入
系统管理者能在软件界面上远程管理所有前端站点监测任务，随时暂停和重启前端站点，控制系统镜头角度、角度和监测速度。
探测到异常火情时，分析管理者可即时切入客户端人工控制介入系统运作，调动系统前端观察火点情况，实现火情监控的最高效率。
7.事件记录及查询
系统能对监控画面进行录像和全天候存储，自动保存报警画面图像及发生时间。
用户能在后端软件平台翻查历史数据及储存图片，可按发生时间随时查询过往发生火警的位置等详细情况。
8.红外识别
系统采用火灾热成像图像分析算法，具有高火情识别率，误报率低的特点。
热成像图像分析算法能找出面积变大和温度变热速度快的可疑热源，分析火源的辐射量波动值，将火情识别有效面积的像素达到2×2像素，达到误报率低的要求。
并且能克服红外散射与衰减的限制，最远能监测识别5公里处2米*2米木质火源。
9.软件全景监控及自主屏蔽
系统后端软件平台自动对所有前端观测区域进行360°监控拼图，获得前端现场所有环境信息，帮助快速实现全方位的火情决策分析。
管理者能在全景图上任意点位通过软件设置热点屏蔽，主动避开已知干扰源对于系统监控的影响，减少误报产生。
10.建设规划仿真
通过对站点的三维建模及高程信息数据库记录，系统能事先在后端软件平台上仿真出前端定点后的监测覆盖有效范围，大大降低了选点与勘测成本。
11.无线传输
系统传输采用基于IP网络的数字化传输网络，根据用户实际需求，采集信号可选择通过5.8G或2.4G无线数字网桥系统2种规格与后台进行链接。
前端数据和图像均可通过无线传输进行远程传输。
12.野外适应
系统架构设备均采用适应于林区的野外工业设备，其中包括有重载数字回显云台、大型野外防护罩、全天候野外设备保护箱及工业级以太网交换机等，具备包括防水，防尘，防过热，防雷，抗风能力，有效对抗恶劣气候环境对设备造成的影响。
13.平台对接
系统采用开放式的输出接口，能通过接口软件开发对外无缝连接包括SOA架构系统在内客户子系统，顺利解决原内部系统与新增方案系统信息互行，管理互通的实际需求。
14.设备防盗安全设计
系统前端设备内置GPS全球定位防盗单元，能在前端设备遭遇盗移动后，持续6小时对外发送准确设备追踪信号。
另外，前端设备装嵌采用特殊设计的异型螺丝，增加前端设备非法拆卸的难度，进一步保障设备安全。
15.辅助决策系统
系统能与ERP资源管理系统进行对接。
管理人员能通过预先对站点附近消防资源的整理，在系统开发的GIS管理软件平台上，快速获得火点附近的消防部队及隔离带的布置情况，并从三维模型地图上取得距离火情定位的最短路线，第一时间通过和调度指挥相关人员。
16.人员管理系统
除火情智能视频监控管理主平台外，系统还开发有巡防人员管理系统。
管理人员能通过巡护员从“汇报通”软件中上传的巡护路线及林区现场资料，便捷得知日常林区巡护工作情况
升级会员 