視頻監控在慶陽市森林草原火災高風險區的應用探究

趙會通，王小靜，姚富海

（1.慶陽市林業和草原局，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅省子午嶺林業管理局正寧分局秦家梁林場，甘肅 正寧 745300）

依據國家森林草原火險區規劃，慶陽市所轄華池縣、合水縣、寧縣、正寧縣、慶城縣均屬于森林火災高風險區，同時所轄甘肅子午嶺國家森林公園和周祖陵國家級森林公園均為森林火災高危區[1]，歷年來森林草原火災火情多發頻發，森林草原防火形勢嚴峻，因此研究探索科學高效節約的視頻監控防滅火方法方式意義重大。

1 慶陽市森林草原防火體系現狀

1.1 日常巡護

慶陽市森林草原防滅火日常巡護工作主要由9 273 名護林防火隊員進行。其中，縣（區）聘請的生態護林員7 189 名、草管員1 349 名以及國有林場專職專業護林隊員735 名。日常巡護方式根據個人管護區域地形地貌特點和人員身體情況，分為徒步踏查、摩托車騎行巡護、巡護小分隊集中巡查及無人機巡護巡查4 種方式。人員日常巡護主要工作內容是開展森林草原防滅火知識宣傳、清理可燃物、杜絕火源火種進山入林、野外違規用火；貫徹國家、省市森林草原防滅火工作精神，落實各項防火措施；及時發現報告火情并積極組織撲救等。

1.2 瞭望觀測

慶陽市現有各類森林草原防火瞭望觀測臺、觀景臺、管護站點等類型觀測點上萬處。利用瞭望塔、臺、點登高望遠來發現火情，確定火場位置，并及時報告，是慶陽市林區林火監測所采取的主要方式。瞭望方式主要以肉眼為主，子午嶺林區各瞭望點都配備瞭望半徑可達5～8 km 的40 倍望遠鏡，并根據煙的態勢和顏色等大致判斷林火的種類和距離。

1.3 視頻監測

慶陽市已建設有34 座瞭望塔（土建塔22 座，12 m鐵塔12 座）、火情監控點34 處，配置了巡護半徑為3～5 km 的可見光、熱成像云臺30 套，巡護半徑8～10 km 可見光、熱成像轉臺4 套，形成了以高點瞭望與地面巡護相結合的監測系統。

1.4 防火通訊

目前慶陽市森林草原防滅火通信設備和森林草原火災應急指揮系統設施主要有海事衛星電話、短波電臺、超短波電臺、5 km 手持對講機、手持GPS 設備、林調通等。全市以子午嶺林區為重點區域，依托國家森林草原防滅火項目實施，建立了以市政府應急指揮中心、市林草局、各林管分局、各林場、各管護站點為端點的5 級通信網絡體系，配備了39 部中繼臺、39 部基地臺、260 臺對講機、便攜式基站 39 套及車載臺等，通信覆蓋率達到80%，能夠做到防火期內24 h 通信暢通。初步建立了全區有線電話、衛星電話、對講系統為手段的通訊網絡。

2 火災視頻監測存在的問題

2.1 視頻監控點數量少

慶陽市林區地形多為垂直主溝的平行支溝，瞭望覆蓋率低，瞭望死角和盲區多，現有34 個視頻監控瞭望設施設備較為集中的布置在子午嶺林區重點部位，林區瞭望塔數量不足。慶陽市林區現有135 個森林資源管護站（點），并不具備實時路口監控的功能。環縣、華池重點草原火災危險區未建設火災視頻監測設施。

2.2 視頻監測覆蓋面積小

慶陽市現有34 座瞭望塔與林火監控點的覆蓋面積約26.67 萬hm2，考慮到監控存在死角，保守估計僅能覆蓋176.47 萬hm2是現有林草地的15%左右，瞭望塔及監控塔的數量還遠不能夠滿足慶陽市森林草原火災高風險區域的林火監控需求，距離《全國森林防火規劃（2016—2025）》中“重點區域火情瞭望覆蓋率近期達到85%，規劃期末達95%以上”的目標還遠遠不能達到。慶陽市地處黃土高原腹地，境內地貌地形多樣，黃土丘陵溝壑區、黃土高原溝壑區、高塬平地、殘塬溝壑、山頭梁峁、河谷川臺、山巒斜坡兼有之，海拔相對高差1 200 m 左右，各種地形交互錯落，致使華池縣、合水縣、寧縣以及正寧縣不同區域內存在視頻監控不能巡視的區域，瞭望死角和盲區較其他地形多，現有的瞭望站點不能保障瞭望范圍和效果。

2.3 視頻監測設備維護能力較弱

一是已建成的部分瞭望塔因為水文地理和維護經費短缺等因素影響，磚混瞭望塔塔身塔體有損壞，鐵塔防銹層受損，塔體銹蝕情況嚴重；因為建設單位質保期滿、設施設備運維單位更迭、日常管理人員轉崗等因素，設施設備損壞不能及時維護，導致實際能夠正常工作的瞭望塔和視頻監控監測設備并不能起到預期的監測效果。二是已建成的慶陽市森林草原防滅火視頻監控應急指揮系統軟件開發功能不齊全，已設計的功能數據未能完善，系統不能及時升級，火情火災預報模塊與慶陽市森林草原防滅火實際不符，適用性不強。三是現有火險因子監測站數量少，而且建設標準不統一，數據采集報送不規范，設備設施運行維護管理不到位。以上問題嚴重影響了慶陽市森林草原火災視頻監測功能的正常發揮。

3 亟須建設完善的重點內容設想

3.1 預期建設目標任務

慶陽市現有森林草原火災視頻監測預警體系要滿足實際防火需求，必須進一步完善林火監控系統，布設前端預警監測系統100 套，其中林火視頻監控塔50 座并配套安裝視頻監控設備，森林卡口監控系統50 套，無人機20 架。整合信息數據，確保省、市、縣級監控信號的互聯互通。提高森林防火工作水平，減少一般森林火災的發生，有效防控特大森林火災，使森林火災發生概率、受害森林面積和火災造成的損失明顯下降，年森林火災受害率控制在0.9‰以內[1]。

3.2 建成預期效益

建設完成前端預警監測系統100 套、森林卡口監控系統50 套、無人機20 架后，將增加監控覆蓋面積約23.33 萬hm2，對現有林地的林火視頻監控覆蓋率增加45%，約占慶陽市重點火險林區面積的80%；逐步接近《全國森林防火規劃（2016—2025）》中關于提高預警監測能力的總體目標，即充分利用空間技術，提高衛星監測林火時效性和識別能力；重點區域火情瞭望覆蓋率近期達到85%，規劃期末達到95%以上。統計分析各類工作任務視頻監控和人工完成效率，視頻監控可節省人力70%以上，初期火災發現警報率提高80%，應急指揮撲救效率提高50%，火災損失降低60%[1]。建設完成后可以構成地面護林人員重點點位巡護，瞭望塔視頻監控、高倍望遠鏡24 h 全天候巡護，無人機重點時段重點區域隨時巡護的三位一體防滅火體系，將顯著提高防滅火效率效果。

4 視頻系統結構設想

設想建設的慶陽市森林草原防滅火視頻監控系統是一套集防火監測、火源管理、護林巡護定位、生態監測和火災撲救應急指揮為一體的立體監控網，在慶陽市子午嶺林區及所轄8 縣（區）部署防火監控、無人機日常巡護、火源管理抓拍或監控、巡護手持定位、生態監測等前端智能化監測設備，通過傳輸網將前端防火視頻監控、林火預警信號及位置信息、進出林區車輛和人員信息的圖片或視頻監控以及所在位置信息、火場現場視頻或圖片和位置信息等數據匯聚接入GIS 管理平臺，實現同一平臺的防火、火源、護林巡護、生態、火險等級管理和指揮撲救等功能。全面簡化現有系統后端管理平臺復雜性，為日常辦理相關業務提供簡單易操作的統一管理界面，同時根據不同的業務使用不同功能，也可以使用全部功能，降低工作強度，實現高效業務管理。

4.1 火災監控系統

4.1.1 監測監控系統構成 主要是以火情火險監測、多旋翼無人機巡航、各森林草原資源管護站卡口管理、護林員和草管員巡護定位、環境監測等模塊組成，配套市電農網或建設風光互補供電系統、傳輸設備、視頻監控鐵塔、車輛抓拍L 型立桿、安防監控立桿、防雷接地系統等，是智能化前端監測、圖像采集、林火、車輛、人員識別并自動報警和林火、車輛、人員自動定位的重要組成部分。

4.1.2 前端視頻監測監控系統設置 采用高精度轉臺和云臺，配置先進紅外熱成像攝像機和高像素可見光照相機，對監控點周圍5～10 km 范圍森林草原狀態進行視頻監控圖像采集，實現“削蘋果皮式”1 080°水平旋轉，俯仰旋轉范圍上下運動夾角之和大于90°，通過高精確度、大范圍、遠距離轉臺的測距功能以及配備的長焦鏡頭自動調焦，實現火情發生點的準確自動定位定點，保證定位誤差在500 m2范圍內，實現起火點和隱藏熱點的智能識別，同時還能識別林下草地腐質陰燃煙、火目標。

4.1.3 指揮中心設置 設想在現有應急指揮系統的基礎上，進一步健全完善功能更齊全、效率更高、效果更顯著的指揮系統。視頻監控和應急指揮同步建設、同步運行，分為管護站點—鄉鎮（林場）—縣區（林管分局）—市應急局和市林草局—市政府總指揮5 級。一旦發現火情或疑似火情，前端采用有線網絡或者無線數字微波系統將警報點的監控視頻圖像和環境信號傳回監控（指揮）中心。從第一級監控指揮系統逐步警報，并根據火情發展趨勢需要同時報告2～5 級監控（指揮）中心，各監控平臺會及時發出報警信號，火情火險發生點定位在預制的防滅火地圖上顯示，工作人員根據需要啟動相應預案和響應等級。由于視頻監控點所處位置在野外，需要充分做好防腐、防水、保溫、防盜、防雷、防電和人為破壞等措施，尤其要對熱成像攝像機和可見光影像采集設備高性能防護措施進行保護，對其他設施設備采用較低級別的防護措施進行保護，確保設備壽命和功能達到預期。

4.2 卡口監控系統

4.2.1 卡口監控系統 主要是針對進出重點區域的車輛和人員進行監測，主要部署在車行道路實施車輛抓拍/視頻和部署在林區人行道路實施人員抓拍/視頻以及部署在檢查站的安防視頻監控，為實施動態監測，通過傳輸網絡將前端車輛和人員信息實時傳回到監控中心進行監控。根據不同防盜功能森林資源防盜感知系統分為森林資源防盜車輛監控系統、森林資源防盜人員監控系統、檢查站安防監控等。

4.2.2 森林卡口監控系統工作機制 一旦有人進出探測區域通過越界偵測、區域入侵偵測、進入區域偵測、徘徊偵測、人員聚集偵測、快速運動偵測而觸發報警信號，通過智能控制系統自動開啟監控抓拍和自動語音警示播報，當人離開探測區域后，智能控制系統自動關閉監控抓拍攝像機和自動語音播報器。智能控制系統可連接網絡（WIFI、3G/4G、5.8G 微波、有線網絡）向監控中心發送報警信號，并自動上傳抓拍圖片或視頻至后端監控中心監控管理平臺，為工作人員及時提供重點森林防火路段相關信息[2]。

智能卡口單元在聯網工作、離線工作模式下，通過配備的SD 卡存儲現場抓拍圖片或視頻，然后定期派工作人員到一體機取回數據或者通在網絡連通后繼續上傳SD 卡記錄的數據，確保森林防火防盜工作的連續性。

針對不同卡口位置的實際情況，位置為非關鍵路段且無網絡，采用離線抓拍語音播報模式；位置為關鍵路段且無網絡，采用離線視頻語音播報模式或架設無線網絡采用聯網視頻語音播報對講模式；位置為非關鍵路段有3G/4G 網絡，采用聯網抓拍語音播報模式；位置為關鍵路段有網絡，推薦采用聯網視頻語音播報對講模式。

4.3 視頻數據傳輸設計

數據傳輸網絡是智能化防火系統關鍵環節，是采集的數據通過傳輸網接入到業務管理平臺必需鏈路。由于智能化前端設備絕大多數分布在野外林區，不同設備因數據采集對傳輸網性能及帶寬要求不一樣，可靈活采取有線光纜進行傳輸、無線網絡進行傳輸、運營商專線網、無線+有線結合等多種組網方式構建智能化防火系統傳輸網。慶陽市森林草原防滅火視頻監控數據傳輸網絡設計科根據中國移動、中國聯通、廣電及中國鐵塔公司在建設區域能布網現狀，本著“就近、節約、流暢、快捷、維保得力”的目標選擇，并保證簽約的運營商能實時升級調整帶寬和并網級別[3]。

4.4 業務管理平臺

業務管理平臺是構建智能化防火系統的核心部分，海量數據的接入、分類存儲、計算分析、提煉并形成業務決策數據，可通過決策指令遠程指揮、調度、控制智能化前端設備、人、車、物資等快捷高效的業務處理。林業防火、火源管理、護林巡護管理、環境監測等業務功能子系統可將數據中心分類存儲的數據基于業務所需數據的要求復合利用、交叉提取，通過計算分析，最終為各業務部門提供對應業務所需決策數據。業務管理平臺主要包含視頻監測管理系統、GIS 管理平臺、森林防火應急指揮決策系統、服務器群、監控及報警計算機等，是開展智能化防火業務進行遠程集中監測，具有分析、定位、自動報警、指揮調度等功能。

5 建設布局

根據慶陽市森林資源分布特點以及森林防火軟硬件建設現狀，項目建設遵循“科學規劃、因害設防、突出重點、注重實效”的原則，對重點森林火險區進行全面規劃。重點解決火源管理、火情監控、火情信息通訊、火災撲救能力建設等問題，基本實現有火能夠及時發現、及時報出、及早組織力量撲救、及時控制火勢蔓延。主要基礎設施建設布局充分考慮預警響應和撲救能力等多方因素，科學安排建設內容、規模和建設地點。充分利用慶陽市現有的信息系統資源，從整體高度統籌規劃，對各類信息資源和專業指揮系統進行有效整合，保證系統平臺所需網絡、存儲和運行設備等硬件條件，通過信息通信平臺資源以及現有的各類通信保障技術滿足林火監控、卡口監控、網絡平臺、多媒體指揮中心、指揮調度、林火地理信息系統等功能要求，實現各縣（區）、有關部門與慶陽市林業和草原局森林防火指揮部門的互聯互通。同時，根據各縣（市）撲火能力的不同，合理安排對應建設內容，使各縣（市）具有獨立應對小型火災的能力。