三角函數在森林防火視頻監(jiān)控無線通訊網絡建設中的應用

李培榮，應紅濤

(1.曲靖市會澤縣林業(yè)和草原局，云南 會澤 654200；2.曲靖市林業(yè)和草原局，云南 曲靖 655000)

1 引言

隨著電子科技和人工智能軟件的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在網絡技術的支撐下，能實時提供高清圖像、通訊業(yè)務以及信息智能處理，具有很高的靈敏度和可靠性，以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛應用于金融、交通、公安、教育、醫(yī)療和森林防火等眾多領域，已從單一化向集成化、網絡化、數字化、智能化發(fā)展。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)在森林防火工作中的應用

過去森林火災的監(jiān)測瞭望都是靠建在密林深處，高山之顛，視野開闊，監(jiān)測面積盡可能大的森林防火瞭望臺來完成的。由于瞭望臺遠離村鎮(zhèn)，相對高差大，進出道路、電能供給、生活水源困難較多，工作和生活條件十分艱苦，瞭望監(jiān)測人員很難安心工作。目前視頻監(jiān)控技術已能實現(xiàn)方便、快捷、全天候、智能化精準監(jiān)測森林火災的發(fā)生，成為開展森林火災監(jiān)測的重要手段。通過智能處理和有線、無線通訊網絡技術，把林區(qū)發(fā)生的火情和火情態(tài)勢實時傳輸到數十公里甚至數千公里的各級指揮中心。指揮中心能在第一時間發(fā)現(xiàn)火情，并隨時掌握火情態(tài)勢，為災情處置提供正確決策，實現(xiàn)森林火災及時發(fā)現(xiàn)、快速處置。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用的通訊方式

森林防火視頻監(jiān)控信息的傳輸有兩種方式，一種是有線光纖傳輸，另一種是無線微波通訊傳輸。光纖主要架設在城市和村鎮(zhèn)附近，為人口密集，信息量大的社會群體服務。而森林防火視頻監(jiān)控點，大多是在遠離村鎮(zhèn)的深山區(qū)，采用的通訊方式主要以無線微波方式為主。

4 有線、無線通訊系統(tǒng)的優(yōu)缺點

4.1 有線通訊的技術分析

優(yōu)點：容量大，傳輸距離遠，抗干擾能力強，對工作環(huán)境要求低，安全性高，可靠性好，不產生輻射，能夠保持穩(wěn)定的傳輸信號和通訊速率。

缺點：必須架設線路(電纜、光纖)，局限性太大，在遇到一些特殊的應用環(huán)境，如山地、湖泊、林區(qū)等地理環(huán)境或是移動物體等布線比較困難；分路耦合不靈活，擴展性能差，甚至需要重新布線，施工比較麻煩，而且開展系統(tǒng)擴充時還有可能破壞原來的通訊線路；檢修維護比較困難，需沿線路檢查，出現(xiàn)故障時，一般很難及時找出故障點，建設時需要花費大量的人力、物力和建設時間。

4.2 無線通訊技術分析

無線通訊采用調頻調制或調幅調制的辦法，將圖像搭載到高頻載波上，轉換為高頻電磁波在空中傳輸，常用的有L波段(1.0～2.0 GHz)、S波段(2.0～3.0 GHz)、Ku波段(10～12 GHz)。傳輸環(huán)境是開放的空間，如果在大城市使用，無線電波比較復雜，相對容易受外界電磁干擾，微波信號為直線傳輸，中間不能有山體、建筑物遮擋；如果有障礙物，需要加中繼加以解決。Ku波段受天氣影響較為嚴重，尤其是雨雪天氣會有比較嚴重的雨衰現(xiàn)象。數字微波視頻傳，抗干擾能力和可擴展性都提高不少。

無線通訊的技術優(yōu)勢：成本低廉，只需架設適當高度天線，用無線傳輸模塊建立連接鏈路，建設周期短，節(jié)省了大量人力物力，投資相當節(jié)省；適應建設環(huán)境能力強，不受地理環(huán)境限制，具有廣泛的適應性，只需增加信息收發(fā)設備就能實現(xiàn)系統(tǒng)擴充，擴展性能好；開展設備維修維護更容易，只需對維護傳輸模塊和鏈路網絡進行檢查，就能查出故障，恢復通訊。缺點：只能在視線范圍內建立鏈路，兩個通訊點間視線范圍內必須無遮擋，通訊距離受限，每一級通訊距離在50 km以內，必要時要建設中繼點；易受無線信號和天氣變化影響，抗電磁干擾能力弱。

5 三角函數在無線視頻通訊技術中的應用

5.1 常規(guī)測試安裝方法

在常規(guī)安裝測試中，通常采用在通訊站兩點之間架設信號收發(fā)機，選擇大體方位，一端把天線固定在一個位置后，另一端逐步調整天線方位角、仰(俯)角來尋找信號。這樣目標太盲目，工作量特大，效率太低。在對地理環(huán)境不熟悉，通訊距離40～50 km的地方，要測試通訊效果和安裝設備難度非常高，有時幾天還完成不了一個點的安裝測試。特別是對通訊條件處在臨界值附近的通訊站點，更要求工程技術人員要有相當熟練的業(yè)務能力和現(xiàn)場安裝經驗，才能順利完成工作任務。

5.2 應用三角函數關系開展安裝測試方法

應用三角函數原理，借助地形圖(電子地圖)室內測算兩個點間能否實現(xiàn)視距通訊，初步選擇通訊站點。如能實現(xiàn)視距通訊的，可在室內方便、快捷，計算天線安裝磁方位角、仰(俯)角，再經實地核實建設點的可行性，確定站點選址。在兩通訊機站室外天線安裝中，可直接按室內計算的磁方位角、仰(俯)角架設天線，再作適當調整就可實現(xiàn)正常通訊，這種方法可大大縮短野外工作時間，提高工作效率。具體做法是：

(1)測算兩點間能否實現(xiàn)視距通訊。利用兩點間的水平距離和相對高差建設三角函數關系圖1，借助地形圖(電子地圖)，測量兩點之間的山脈、建筑物是否不阻擋視距通訊。

圖1 應用原理

在地形圖(電子地圖)上測算兩通訊站點的水平距離L和相對高差H，計算角a的正切值tan a=H/L。再在地形圖(電子地圖)中查找甲乙兩通訊點連線之間任意點的水平距離L′和此點上的山脈、建筑物的實際相對高差H′。如甲乙兩通訊點連線之間所有點的相對高差H′，都滿足小于理論計算高差H′=tan a*L′。則可以實現(xiàn)視距通訊，列入選點范籌內，開展實地建設考查。

(2)天線安裝磁方位角、仰(俯)角的計算。在可以實現(xiàn)視距通訊甲乙兩通訊點計算仰角a=tan-1a= H/L,俯角b=90-a。再在地形圖(電子地圖)中測量磁方位角c，減去當地的磁偏角就是安裝時的實際磁方位角。安裝天線時按計算出來的磁方位角、仰(俯)角固定天線，初步完成天線固定，再啟動軟件適當調整就可完成天線架設，用時極少，大大提高工作效率。

6 應用實例

2014年12月，會澤縣林業(yè)局應用重慶海普視頻監(jiān)控軟件平臺，采用深圳清華視訊5.8 GHz頻率，300 Mhz帶寬微波傳輸，建設森林防火遠程煙火智能識別視頻監(jiān)控系統(tǒng)一套。5.8 GHz的WLAN產品采用OFDM正交頻分復用技術，在此頻段的WLAN產品基于IEEE802.11a協(xié)議，傳輸速率可以達到54 Mbit/s，在特殊模式下可達108 Mbps。對于無線圖像的傳輸而言，基本上解決了“高清晰度數字圖像在無線網絡中的傳輸”問題，使得大范圍采用5.8 GHz頻段傳輸數字化圖像成為現(xiàn)實。此系統(tǒng)有四路防盜監(jiān)控視頻，三路前端視頻采集點，一個經過二次轉接，一個經過一次轉接，一個直通，最遠傳輸距離96 km(一級微波最遠43 km)。在原有森林防火瞭望臺上，選擇瞭望半徑在30～40 km的臺址建設前端視頻采集點，主要設備選用：重慶海普HFC-E1數字重型云臺、索尼SNC-VB63高清透霧攝像機、焦距12.5～1000 mm富士能高清透霧鏡頭和海普HFC-E2基站控制系統(tǒng)、HFC-A8A煙火識別系統(tǒng)。系統(tǒng)建設期28 d，建成后能流暢雙向傳輸7路視頻圖像和4路語音信號，在8 km半徑內能清晰分辨人物的舉止，在16 km半徑內能清晰分辨2 m高20 cm筆劃的字體，在40 km半徑內能清晰分辨風力發(fā)電機風葉的轉運。在5年的運行系統(tǒng)穩(wěn)定性極好，只遭雷擊更換電源一次，缺點是煙火識別誤報率高，不利于值班守候，海普視頻監(jiān)控軟件太過復雜，安裝要有很高的專業(yè)技能。

第一組通訊點，水平距離41 km，相對高差83 m，兩個通訊點間的連線32.58 km處，山峰只矮理論值8 m的站點測試和天線安裝中，應用常規(guī)方法花了7 d的時間，而后三組點的選擇測試和天線安裝應用三角函數關系原理，借助地形圖(電子地圖)在室內測算兩點間能否實現(xiàn)視距通訊，天線架設的磁方位角、仰(俯)角，每個點平均只用了1.5 d時間就完成室外工作。

7 結語

視頻監(jiān)控無線傳輸系統(tǒng)的建設，需要精心選擇前端監(jiān)控和中繼點的位置，架設天線，在選點和架設天線過程中應用三角函數關系原理，能準確、直觀、輕松、方便、快捷完成選點和天線架設，大大提高了工作效率。