基于高空瞭望圖像識別的智能識別檢測與報警系統應用研究

林 章，陳家龍，黃陳建

（1.浙江建設職業技術學院，杭州 311231；2.浙江中安電子工程有限公司，杭州 310052；3.中國鐵塔股份有限公司溫州市分公司，浙江 溫州 325000）

目前，農田、樹林等區域的秸稈焚燒、垃圾焚燒等違法行為時有發生，對森林防火和環境保護都帶來較大挑戰。各級政府對此類行為采取的防治措施有人力和技術兩方面。人力方面，成立秸稈禁燒工作領導小組和秸稈禁燒巡邏隊，不間斷在農田附近巡查，確保沒有秸稈燃燒等違法事件。同時利用各種宣傳手段，營造秸稈禁燒氛圍，提高全社會秸稈禁燒意識。人力方面確實能在秸稈禁燒工作取得一定的成效。但秸稈禁燒工作領導小組和巡邏隊需要消耗大量的人力物力，宣傳工作長時間持續進行才能取得一定的成效。技術層面，在高位鐵塔上安裝視頻監控，通過傳統的人工實時查看視頻來發現是否有燃燒秸稈行為或者森林火災。這種檢測方式效率和工作強度極大，無法滿足用戶需求，且缺少自動報警的方案；利用衛星遙感技術探測秸稈焚燒引起的地面熱異常火點，成本較高，巡檢周期長，秸稈焚燒面積大才能發現，未能得到大面積推廣。現階段各級政府的監管職能部門對于農田、樹林等區域的秸稈焚燒、垃圾焚燒等違法行為的監控，存在檢測耗時費力、發現滯后及取證難度大等諸多問題。

高空瞭望技術一般是指安裝在距離地面30 m以上的高倍監控攝像機及配套設施，實現數百米到數千米范圍內的視頻監控技術。該技術能實現大范圍遠距離監控、全天候監控，近年來被廣泛應用在公安、交通、油田和電力等領域[1]。本文將研究基于高空瞭望圖像識別技術，對1~2 km范圍內樹林、農田進行檢測，發現煙火等事件立即報警，從而減輕人員的工作量、提高工作效率和減少政府的資金投入。

1 方案概述

高空瞭望視頻監控通過安裝在運營商基站塔上的攝像頭，對1~2 km范圍實現360°自動巡檢，實時采集圖像視頻。后臺通過視頻監控平臺獲取圖像視頻，并實時進行圖像分析，識別視頻流中的各類報警事件，第一時間觸發報警。區域負責人接到報警，確認報警類型做出相應應對措施。事后可通過系統平臺的報警事件記錄，分析事件原因，方便總結分析，利于類似事件的杜絕防范。其組成的網絡拓撲如圖1所示。

圖1 網絡拓撲結構

數據分析平臺直接與視頻監控平臺對接，從平臺上獲取實時視頻流，避免平臺的帶寬壓力和計算壓力。圖像識別算法通過部署在鐵塔中心服務器端實現對圖像視頻實時事件檢測。事件的派發通過短信網關實現，也可通過微信或者釘釘推送，支持同時推送一人或多人。區域責任人或巡查人員收到事件信息后，可判斷點位信息及報警情況，事件處理好后將結果反饋給平臺做記錄。平臺可以根據歷史記錄將事件進行統計分析。其流程如圖2所示。

圖2 業務流程

2 系統框架

高空瞭望視頻監控系統的框架從下往上可分為采集層、分析層和應用層。其中采集層包含監控攝像機、視頻采集平臺，分析層為圖像識別分析平臺，應用層包含事件轉發、統計分析等功能，構成如圖3所示。

圖3 系統框架

采集層是高空瞭望視頻監控系統運行的基礎條件，包含負責圖像視頻采集的監控攝像機、負責提供視頻流的視頻平臺。采集層的設備都是鐵塔已經建好基礎設施和服務設備，不需要再額外投入資本。

分析層為圖像識別分析平臺，部署在云平臺提供的各個服務器上。該層將采集層獲取的視頻圖像進行圖像處理，對視頻中出現的秸稈焚燒、森林火災等事件進行識別，并將結果上傳至應用層。該層利用圖像處理和深度學習等先進技術，保證高識別率、低誤報率。

應用層由系統數據庫和視頻智能分析平臺組成。該層除了能將事件通過短信、網絡等方式通知相關人員外，還將檢測到的違法事件儲存至數據庫進行分析總結。用戶也可以通過該層的服務查詢、瀏覽歷史事件和處理反饋情況。

3 系統組成及功能

系統主要由前端視頻監控系統、傳輸網絡和云計算中心三大部分組成。前端視頻監控系統通過安裝在運營商基站塔上的高倍監控攝像機，實現360°自動巡檢，檢測1~2 km范圍內的圖像視頻，實時進行圖像視頻采集[2]。傳輸網絡主要利用運營商基站專用網絡線路，確保告警、異常視頻監控數據準確、及時傳輸至監管平臺；前端采用高清攝像頭經光纖傳輸至云計算中心，采用云計算服務器、存儲等設施，以及管理平臺，實現布控區域監測、智能告警、視頻錄像回放和歷史信息管理等功能。工作人員可通過監控中心隨時隨地掌握監控區域情況。系統主要提供以下功能。

（1）實時監控、視頻瀏覽。系統采用高倍高清攝像機，實時獲取監控區域內清晰的監控圖像。依托分布廣泛的基站鐵塔搭建高清網絡球機攝像頭，接入視頻監控平臺，通過大屏、電腦實現高清視頻瀏覽。

（2）視頻錄像存儲。系統采用分布式存儲模式，將高清視頻保存在前端，便于事后預覽、取證和統計分析，存儲周期為30 d。

（3）智能分析系統。智能視頻分析算法部署在云計算服務器上，實現對實時視頻的事件檢測分析，有效率達90%以上，系統支持自動定時輪詢，輪詢時間可配置；視頻檢測程序通過視頻平臺獲取前端球機實時視頻，系統能夠針對農田、樹林的秸稈焚燒和森林火災等多發區高清監控點的實時視頻進行分析，當畫面中出現相應違法事件時，系統自動觸發報警。通過與視頻監控平臺對接獲取視頻流，設置不同的預置位，實現全天候、全角度檢測。

（4）平臺管理功能。平臺基于B/S系統，電腦或者手機利用網絡即可訪問，客戶端做到零安裝、零維護。系統具有擴展容易，維護和升級方式簡單，成本降低等優點。每個點位基于鐵塔的經緯度在GIS地圖上進行展示，平臺自動記錄智能分析報警違法行為的瀏覽、查詢、詳情、報警統計、數據存儲、權限管理、點位管理及檢測區域管理配置等。

（5）事件報警功能。當管理平臺接收到智能分析報警事件后，管理平臺通過短信和網絡平臺自動將報警事件發送給相關人員，支持實現同一報警數據發送給多人。報警事件的內容包括：發生的事件名稱、地點、事件詳情、導航及處理反饋頁面和視頻圖像等，方便相關人員及時抵達前端現場，做出應急指揮，使事故或者違法行為降到最低。

4 圖像識別關鍵技術

基于高空瞭望圖像識別系統具有機器視覺和人工智能2種算法，從物體特征、運動規則等方面出發，保證對秸稈焚燒、森林火災等事件發現的及時性和準確性。系統通過算法優化、并行技術等手段，提高運行效率、降低硬件成本，支持在云平臺上架設。其中涉及到的關鍵技術為火焰檢測和煙霧檢測，具體實現如下。

4.1 火焰檢測

基于高空瞭望圖像識別系統使用的火焰檢測技術有計算機視覺、模式識別、人工智能等各方面的技術，能快速高效地自動識別實時視頻中的火焰。火焰檢測的具體過程為：從靜態和動態兩方面分析火焰特征。在靜態特征方面，對比各種不同火焰模型，總結歸納出符合火焰特征的模型[3]；在動態特征方面，利用PCA、方差、峰度和偏度分析火焰外圍的不穩定特性，利用PCA、短時平均過零率相結合的方法分析火焰的閃動頻率，利用圓度和相似度分析火焰形狀的不規則性[4]。結合靜態特征和動態特征，設計了一套高空瞭望圖像識別系統的火焰檢測算法。在秸稈檢測場景中，對火焰檢測的要求是檢出率高、誤檢率低，算法只有同時滿足這2點才能夠符合應用場景。否則，檢出率低將導致系統無法滿足“不著一把火、不冒一處煙、不污一條河”的建設目標；誤檢率高將導致基層巡查人員和中心工作人員工作量加大，對系統產生抵觸情緒，影響系統推廣。本文設計的火焰檢測算法參考了大量國際上前沿的相關學術論文，通過對這些算法的學習，結合項目中實際經驗研發出了適用于秸稈焚燒檢測的火焰檢測算法。經檢驗該煙火檢測系統火焰檢測算法在焚燒秸稈的典型場景下檢出率達到90%。

4.2 煙霧檢測

在煙霧檢測的應用場景中煙霧檢測與火焰檢測同時檢測，能有效提升對于焚燒秸稈行為的檢測能力。煙霧檢測算法涉及到的技術如下：利用分塊和背景差分提取運動區域，建立煙霧顏色模型和亮度模型，得到煙霧疑似區域；改進Lucas-Kanade稀疏光流算法[5]，實現煙霧疑似區域多目標自動跟蹤，從而獲取疑似區域的平均偏移量和相位分布[6]，這兩項指標可以作為煙霧識別特征，從而實現適用于本文場景的煙霧檢測算法。

5 報警機制

系統采用短信通知為主、網絡通知為輔的報警機制，該種報警機制的特點如下。

（1）同時具備短信和網絡通知2種機制，避免負責人未連接網絡等原因導致無法及時收到報警信息。

（2）報警短信只發送給該點位的相關責任人，同時支持發送給多人，減少了非必要信息干擾，提高了事件發生在縣界、鄉界和村界時的處理效率。

（3）有效地提升了事件的處置和反饋效率。責任人收到事件信息后，可以使用手機訪問平臺獲取事件詳細內容，并導航至監控點位；處理結束后，使用手機直接反饋處理結果。

系統發現違法事件，具體的事件報警流程如圖4所示。

圖4 事件報警流程

系統實時對采集到的視頻圖像進行煙火識別，系統檢測到發生火災時，值班人員確定發生火災，發送報警信息給相關人員，如果是系統誤報，則忽略本次報警。當相關人員接收到事件報警信息時，瀏覽報警信息并導航至監控點位處，現場處理好事件后，填寫處理結果并上傳至平臺。最后再次確認無事件報警，結束此次的事件報警流程。

系統支持事件通知人工模式或自動模式。人工模式是指當發現違法事件后，需要值班人員在視頻智能分析平臺確認事件的有效性之后才能發送；自動模式是指當發現違法事件后，視頻智能分析平臺直接將報警信息發送給相關責任人。

6 結束語

本文設計的基于高空瞭望圖像識別系統依托遍布城鄉的鐵塔公司通信基站，通過共享基站鐵塔上360°旋轉的高清球機，結合火焰檢測和煙霧檢測等關鍵技術，能實現實時檢測1~2 km范圍內的秸稈燃燒、森林火災等事件，當發生事件時及時通知相關人員。經試驗表明，該系統能很好地預防森林火災的發生，尤其是對焚燒秸稈的典型場景檢出率達到90%以上，同時大大減輕相關人員工作量，有效地阻止秸稈燃燒等違法事件，實現無人值守，大大提高工作效率和減少政府的資金投入。