第 一 章 背景及需求

1.1　應用背景

森林火災是世界八大自然災害之一，突發性強、破壞性大、危險性高、處置極其困難，嚴重危及人民生命財產和森林資源安全，甚至引發生態災難。我國總體上是一個缺林少綠、生態脆弱的國家，是一個受季風影響、森林火災多發的國家。黨的十八大把生態文明納入中國特色社會主義事業五位一體總體佈局，明確提出大力推進生態文明建設，努力建設美麗中國，實現中華民族永續發展。森林是陸地生態系統的主體和重要資源，是人類生存發展的重要生態保障。森林防火是建設生態文明的基礎保障，是森林資源保護的首要任務，是國家應急管理的重要內容，事關國土生態安全，事關人民生命財產和森林資源安全，事關“山水林田湖生命共同體”建設。未來十年，是全面建設生態文明的關鍵時期，是森林防火工作乘勢而上大有作爲的重要戰略機遇期。

1.2   需求分析

我國在森林保護方面目前最重要的任務就是森林防火工作。近年來，我國層層落實防火責任，加強防火宣傳、火源管理、值班和報告制度，加快隊伍建設，加大案件查處力度，使全民防火意識普遍得到提高，防火組織體系逐步趨於完善，基礎設施建設得到加強，森林火災預防和補救綜合能力得到提高。但總體而言，我國森林防火工作仍處於較低水平，火災發生頻率仍保持一定狀態。主要需求如下：

1）通過構建全天候、全覆蓋，多維度的森林防火立體監測網絡，加強森林火災預防能力，實現森林火災的及時發現和精準定位，提高森林火災綜合防控能力，實現森林火災的打早，打小，打了。

2）通過撲火指揮輔助決策平臺加強撲救和保障體系，確保火災發生後能夠爲林火指揮人員提供準確、快速、實用的決策支持，確保控制火災蔓延並使得火災得到及時撲救。

3）針對林區不同的應用部署環境，能夠提供成熟、穩定的供電、供網方案。

4）藉助人臉識別、車輛識別等技術實現人員、車輛進出山卡口管理，爲林區案件偵破、嫌疑人調查提供技術支撐和科學依據。提升森林公安的執法的突擊性和效率。

第二章 系統總體設計

2.1   總體目標

爲全面貫徹落實2016年國家林業局、國家發展改革委、財政部批覆實施《全國森林防火規劃（2016-2025年）》，通過加大防火投入，加強森林火災預防、撲救和保障三大體系建設，加強基礎設施和裝備建設，完善科學防火體系，全面提高森林火災防控能力，通過本項目的建設，建立覆蓋森林防火智能管控系統，本系統從遙感衛星、無人機巡航、視頻監控和地面巡護四個維度上，構建高頻次、全天候、全覆蓋的空天地森林防火立體監測網絡。實現防火工作的科學化、標準化、信息化和專業化，從而有效提高綜合防控能力。綜合運用“3S”（GIS-地理信息系統、RS-衛星遙感、GPS-全球定位系統）、計算機網絡和現代通訊等高新技術和手段，實現集聲音、圖像、報警、定位信息的全天候、全方位、網絡化的遠程高清晰度的實時管控系統。同時，森林防火智能管控預警系統建成後，將有效減輕山林區工作人員的工作強度，進一步提高護林工作效率，推動森林管護工作由單一依靠人防向人防和技防結合、以技防爲主的改革，進一步提高森林管護成效、保證天然林資源安全。

2.2   總體架構

森林防火應急指揮系統意在建立一套科學、有效的高科技智能管控系統，利用熱成像智能識別前端視頻、綜合分析平臺等科學技術，依託林區移動巡查、視頻監控、無人機監測、衛星遙感監測等手段，以實現對林區的保護和可持續發展。整個系統由前端系統、傳輸系統、指揮中心繫統三大部分組成。

2.2.1 系統拓撲

　　　　　　　　　　　　                              　　　　　　　　系統拓撲圖

2.2.2   AICloud

游艇会AI Cloud是基於雲邊融合的以視頻爲核心的智能物聯網架構，通過邊緣節點、邊緣域和雲計算中心三級有機結合，系統滿足“邊緣感知、按需匯聚、分級應用、多層認知”的業務需求。通過將智能感知計算嵌入邊緣節點，滿足物聯網的多維採集、特徵提取、智能處理等需求，並有效緩解大量非結構化數據的智能分析給傳輸、計算、存儲等帶來的壓力，可以實現前端的敏捷響應。邊緣域側重就近匯聚和存儲邊緣節點的各類異構數據、就近管理智能計算資源，滿足快速響應、快速分析的需要。邊緣域既可接受、整合、傳遞邊緣節點的感知信息，又可按需適配算力和算法對域內數據進行智能處理與管理，實現物聯智能應用。游艇会AI Cloud架構中，雲計算中心能夠彈性分配計算服務器、存儲服務器的資源，還能夠按需調度智能算法和大數據算法。其中，智能算法對來自邊緣域的物聯數據進行更高層級的感知智能處理。雲計算中心與邊緣域、邊緣節點結合實現多層認知智能。

2.3   系統組成

整個系統由前端系統、傳輸系統、指揮中心繫統三大部分組成。前端系統根據森林的實際情況分別部署衛星、無人機、雙光譜重型雲臺紅外熱成像一體化攝像機、卡口攝像機、手持移動終端、擴音系統、供電系統和無線傳輸系統。後端部署中心林火預警監控平臺、GIS應急指揮平臺、大屏、中心存儲等設備。

2.4    系統功能

2.4.1   火情自動報警

設備利用紅外熱成像設備實施探測目標環境的溫度，通過嵌入式DSP溫度分析火點探測自動報警模塊，自動探測環境熱源，自動報警裝置跟隨雲臺掃描過程中檢測視場內着火點。當檢測出有超出設定的熱點閾值時發出報警信號，同時調用雲臺進入火點定位掃描模式對可疑火點進行重新判斷，確認爲着火點後立即發出報警信號，同時可以驅動內部開關量信號驅動周邊其它設備。獨特的森林火災熱成像分析算法，最遠能監測5公裏處2米*2米木質火源，能去除車輛等轉瞬即逝的熱源和日間太陽照在山體沒有植披的石層和土層導致的高溫幹擾。DSP集成的可見光煙火識別功能，可輔助紅外分析軟件觀測山背/山溝火情，即對回傳的實時視頻應用數字圖像處理技術進行分析，識別煙火最小煙目標10×10像素，

保證系統的高火情識別率，低誤報率；可實現火源的早期發現、蔓延變化，同時藉助數字雲臺和GIS地理信息系統實現着火點的準確定位，爲森林火災的撲救決策指揮，做到森林防火撲救的“打早、打小、打了”工作提供了重要的參考依據。

                            10Km可見光圖像                          10Km熱成像&自動報警圖像

2.4.2   火險預警

森林火險氣象預報監測站是爲了應對森林火災易發生而進行預警測報的一套高精度數字氣象站。防火氣象站通過顯示、記錄和氣象數據傳輸等方面進行火險預報。森林防火氣象站配有一整套高性能的傳感器來監視風速風向、降水、空氣溫度及相對溼度。還可測量土壤體積含水量、土壤溫度、太陽輻射以及其它很多與森林防火相關的氣象參數。

根據氣象臺提供的氣象信息，結合GIS地理信息系統中的森林資源地理信息，利用防火預測模型，評估各地的森林防火等級，計算出火險等級最高的地區，並予關注。 指揮中心通過接入森林火險預報檢測數據實現應急指揮處理。對不同等級的防火預警執行不同的防火指揮應急處理。

                                          火險預警

2.4.3 火情指揮處理

指揮中心通過紅外熱成像儀接收到火情報警，可在指揮中心第一時間通過預案顯示當前火情片區工作人員聯繫方式，地圖顯示附近水資源，撲火隊、瞭望塔、避險區等信息，根據火場情況、氣象信息、火點周圍人力資源分佈情況調度人員隊伍。向火場派出人員的指揮調度，並在指揮系統的電子地圖上詳細記錄。並記錄所乘森防工具。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　                                                                   　　　　　　　　　　　　　　　　　　撲火指揮

2.4.4 火點自動定位

監控系統發現火點或熱點自動報警後，利用回傳的數字雲臺俯仰角、方位角及站點的地理位置信息（經緯度），計算出火點的具體位置。當前端紅外熱成像攝像機發現火點時，在GIS系統中，標記出火點的相應位置，並用閃爍的方式給予提示。

                                 　   火點定位

2.4.5 衛星遙感監測

平臺可接入多衛星數據資源，能實現30分鐘一次報警，當收到衛星火點報警信息後，可提供火點合成彩色圖片供判讀，在GIS地圖上顯示火點具體位置，並顯示火點接收時間，接收衛星名稱，火點經緯度，可置信度。

當平臺收到衛星火點報警信息後，可自動搜索出火點附近20KM範圍內瞭望塔信息，並且能夠一鍵聯動距離衛星火點最近的瞭望塔，通過調取視頻資源，實時查看衛星火點視頻畫面。假若最近瞭望塔距離超出20KM範圍，可通過無人機指點飛行的方式進行衛星火點實時畫面查看。

2.4.6 無人機林區巡航、火點偵察

無人機系統根據航路規劃或地面指令，控制無人機按照預設的航路飛行，同時搭載紅外熱成像攝像機，利用紅外熱成像設備實施探測林區目標環境的溫度，通過嵌入式DSP溫度分析火點探測自動報警模塊，自動探測環境熱源，自動報警裝置跟隨雲臺掃描過程中檢測視場內着火點。當檢測出有超出設定的熱點閾值時發出報警信號，同時調用雲臺進入火電定位掃描模式對可疑火點進行重新判斷，確認爲着火點後立即發出報警信號。

2.4.7 護林員移動端應用

移動客戶端在原手機客戶端的基礎之上添加了火情消息、路徑規劃、路徑導航三個功能。

2.4.7.1 火情消息

移動客戶端接收系統上報的火情消息。

l 按用戶接收到火情消息，非上報用戶無法接收到消息；

l 支持查看火情的實時視頻；

l 支持查看火情的錄像回放；

l 支持查看火情圖片；

　　　　l 支持火情定位；

　　　　　　　　　　　　                                  　　　　　　　　　 　　火情消息

2.4.7.2 路徑規劃

顯示用戶當前位置到火點位置的最短路徑。

l 支持顯示火點位置的經緯度；

l 支持顯示當前位置距離火點位置的直線距離。

　　　　　　　　　　　　                                                                     路線規劃

2.4.7.3   路徑導航

APP支持地圖導航，可以將用戶以最短路徑導航到火情位置處。

l 支持駕車導航；

l 支持步行導航；

　　　　l 支持偏航糾正。

                                           　   路徑導航

2.4.8   防破壞、盜竊功能

考慮系統能長期穩定運行，在紅外熱成像儀周圍部署防破壞報警系統，如有警情發生，可在指揮中心以聲音告警、彈出畫面等形式通知監控人員注意。同時在沿線部署200萬高清日夜監控球機，通過錄像、抓拍等形式實現防盜功能。

2.4.9   報警信息統計

系統支持報警統計功能，提供對平臺報警數據的統計分析，分析的結果通過圖表方式展示。支持報警統計報表時間粒度：年、月、周、日，統計對象：按報警事件、報警級別。系統支持報警信息統一展示，提供專用報警中心，集成展示實時報警、歷史報警數據，包括報警相關的視頻、錄像、圖片信息。

2.4.10   視頻聯動控制

當前端Smart IPC探測到入侵目標時，自動報警並控制進行聯動車牌或人臉識別，也可通過值班人員手動打開和調節控制相應區域佈防的視頻攝像頭，完成對入侵目標的識別、判斷和跟蹤。前端監控設備送回圖像、方位、俯仰、熱點判斷信息，協同處理系統在GIS三維地圖上定位，自動增加一個熱點。針對林火監測監控特別開發了和視頻聯動定位軟件，實現沙盤畫面和監控畫面同步，發現熱點準確獲取座標，通過沙盤反控攝像機鏡頭等功能。

2.4.11   視頻質量診斷

視頻質量診斷系統能夠對前端設備的圖像質量進行智能分析，並對視頻圖像的清晰度（圖像模糊）、噪聲幹擾（雪花點、條紋、滾屏）、亮度異常（過量、過暗）、偏色、畫面凍結、視頻丟失、雲臺失控等常見攝像機故障進行檢測。

2.4.12   設備防雷擊

系統前端設備除了電源部分採取了必要的防浪涌保護接地等措施外，對雲臺等設備本身也採取了部分防雷擊保護措施，雲臺護罩內對所有的信號輸入線路（例如：視頻線路、控制線路、網絡線路、低壓控制線路）全部進行了電磁屏蔽和防浪涌保護措施。

2.4.13   前端防結霧

一些時節容易發生多雲多霧現象，特別是秋冬時節有恰好屬於防火期，屬於森林火險高發時期。爲了在這段時間保證圖像監控系統運行的完好和圖像的清晰，所以前端設備的防凝霧功能就顯得越發重要了。

針對上述現象，我們對前端設備採用密封加隔離的防護措施，防護等級可達到IP67，內部集成加熱模塊和風扇，防護罩內部設備不會發生結霧和凝水現象。

2.4.14   透霧監控功能

林區可能存在多霧天氣，結合安防監控領域的視頻圖像透霧的特殊要求，開發了一種實時視頻透霧技術。該技術基於大氣光學原理，區分圖像不同區域景深與霧濃度進行濾波處理，獲得準確、自然的透霧圖像。

2.4.15   報警閾值梯度設置

針對森林防火應用過程中，紅外圖像的熱值會隨着傳輸距離的加大而衰減，爲了滿足在0~5Km監控範圍內對可疑的火點都進行準確探測，我們在雲臺內部設置個8個梯度功能，這樣火點探測服務器在監控過程中會根據雲臺的當前梯度，設置適宜的報警熱點閥值，而且每個梯度之間的角度可以自定義，這樣就做到可以針對任何地理環境，都可以確保了火點自動報警的準確性。

詳見下圖所示：

                                            報警閾值梯度示意圖

第三章 系統特點

3.1   基於遠紅外設備的長距離森林火災分析算法

獨特的森林火災熱成像分析算法，能監測5公裏處2米*2米木質火源，能去除車輛等轉瞬即逝的熱源和日間太陽照在山體沒有植披的石層和土層導致的高溫幹擾。高火情識別率，低誤報率；系統能偵測5公裏處4平方米木質火源。

3.2   基於DEM的全三維地理信息系統建模

軟件平臺自帶離線的GIS地理信息系統和DEM的全三維地理信息系統高程庫實現了監控基站站點周邊全區域的三維建模，操作人員可以自由編譯路徑、地名與周邊設施等。

3.3   基於DEM三維建模實現的單站點精確火情定位

通常火情或事件的標誌和地理信息定位需要由2個站點配合才能完成(類似人類的雙眼定位原理)，但我們的系統可由單個監控基站站點通過DEM的全三維地理信息系統的高程庫完成三維模型實現單個監控基站站點精確定位，火情精確定位有助於森林防火人員的預防、控制、決策與撲救工作。

3.4   火情標誌和自動定位

在出現火情預警之後，操作人員可以及時點擊地圖上多個火情標誌中的任意一處火點，系統可自動分析鎖定火點情況，自動調整前端監控基站的攝像機雲臺水平/垂直方位與鏡頭焦距/視場角，使指揮人員能立即觀看現場視頻，做到火情的所見即所得。

3.5   智能屏蔽功能

支持遮擋報警功能通過標識監控區域內的已知熱對象，對已知熱源進行屏蔽和遮擋，最大程度上減少人爲誤報和系統識別的誤報現象，如建築物/光伏，太陽能板等。