第 一 章 背景及需求

1.1　应用背景

森林火灾是世界八大自然灾害之一，突发性强、破坏性大、危险性高、处置极其困难，严重危及人民生命财产和森林资源安全，甚至引发生态灾难。我国总体上是一个缺林少绿、生态脆弱的国家，是一个受季风影响、森林火灾多发的国家。党的十八大把生态文明纳入中国特色社会主义事业五位一体总体布局，明确提出大力推进生态文明建设，努力建设美丽中国，实现中华民族永续发展。森林是陆地生态系统的主体和重要资源，是人类生存发展的重要生态保障。森林防火是建设生态文明的基础保障，是森林资源保护的首要任务，是国家应急管理的重要内容，事关国土生态安全，事关人民生命财产和森林资源安全，事关“山水林田湖生命共同体”建设。未来十年，是全面建设生态文明的关键时期，是森林防火工作乘势而上大有作为的重要战略机遇期。

1.2   需求分析

我国在森林保护方面目前最重要的任务就是森林防火工作。近年来，我国层层落实防火责任，加强防火宣传、火源管理、值班和报告制度，加快队伍建设，加大案件查处力度，使全民防火意识普遍得到提高，防火组织体系逐步趋于完善，基础设施建设得到加强，森林火灾预防和补救综合能力得到提高。但总体而言，我国森林防火工作仍处于较低水平，火灾发生频率仍保持一定状态。主要需求如下：

1）通过构建全天候、全覆盖，多维度的森林防火立体监测网络，加强森林火灾预防能力，实现森林火灾的及时发现和精准定位，提高森林火灾综合防控能力，实现森林火灾的打早，打小，打了。

2）通过扑火指挥辅助决策平台加强扑救和保障体系，确保火灾发生后能够为林火指挥人员提供准确、快速、实用的决策支持，确保控制火灾蔓延并使得火灾得到及时扑救。

3）针对林区不同的应用部署环境，能够提供成熟、稳定的供电、供网方案。

4）借助人脸识别、车辆识别等技术实现人员、车辆进出山卡口管理，为林区案件侦破、嫌疑人调查提供技术支撑和科学依据。提升森林公安的执法的突击性和效率。

第二章 系统总体设计

2.1   总体目标

为全面贯彻落实2016年国家林业局、国家发展改革委、财政部批复实施《全国森林防火规划（2016-2025年）》，通过加大防火投入，加强森林火灾预防、扑救和保障三大体系建设，加强基础设施和装备建设，完善科学防火体系，全面提高森林火灾防控能力，通过本项目的建设，建立覆盖森林防火智能管控系统，本系统从遥感卫星、无人机巡航、视频监控和地面巡护四个维度上，构建高频次、全天候、全覆盖的空天地森林防火立体监测网络。实现防火工作的科学化、标准化、信息化和专业化，从而有效提高综合防控能力。综合运用“3S”（GIS-地理信息系统、RS-卫星遥感、GPS-全球定位系统）、计算机网络和现代通讯等高新技术和手段，实现集声音、图像、报警、定位信息的全天候、全方位、网络化的远程高清晰度的实时管控系统。同时，森林防火智能管控预警系统建成后，将有效减轻山林区工作人员的工作强度，进一步提高护林工作效率，推动森林管护工作由单一依靠人防向人防和技防结合、以技防为主的改革，进一步提高森林管护成效、保证天然林资源安全。

2.2   总体架构

森林防火应急指挥系统意在建立一套科学、有效的高科技智能管控系统，利用热成像智能识别前端视频、综合分析平台等科学技术，依托林区移动巡查、视频监控、无人机监测、卫星遥感监测等手段，以实现对林区的保护和可持续发展。整个系统由前端系统、传输系统、指挥中心系统三大部分组成。

2.2.1 系统拓扑

　　　　　　　　　　　　                              　　　　　　　　系统拓扑图

2.2.2   AICloud

众诚恒力AI Cloud是基于云边融合的以视频为核心的智能物联网架构，通过边缘节点、边缘域和云计算中心三级有机结合，系统满足“边缘感知、按需汇聚、分级应用、多层认知”的业务需求。通过将智能感知计算嵌入边缘节点，满足物联网的多维采集、特征提取、智能处理等需求，并有效缓解大量非结构化数据的智能分析给传输、计算、存储等带来的压力，可以实现前端的敏捷响应。边缘域侧重就近汇聚和存储边缘节点的各类异构数据、就近管理智能计算资源，满足快速响应、快速分析的需要。边缘域既可接受、整合、传递边缘节点的感知信息，又可按需适配算力和算法对域内数据进行智能处理与管理，实现物联智能应用。众诚恒力AI Cloud架构中，云计算中心能够弹性分配计算服务器、存储服务器的资源，还能够按需调度智能算法和大数据算法。其中，智能算法对来自边缘域的物联数据进行更高层级的感知智能处理。云计算中心与边缘域、边缘节点结合实现多层认知智能。

2.3   系统组成

整个系统由前端系统、传输系统、指挥中心系统三大部分组成。前端系统根据森林的实际情况分别部署卫星、无人机、双光谱重型云台红外热成像一体化摄像机、卡口摄像机、手持移动终端、扩音系统、供电系统和无线传输系统。后端部署中心林火预警监控平台、GIS应急指挥平台、大屏、中心存储等设备。

2.4    系统功能

2.4.1   火情自动报警

设备利用红外热成像设备实施探测目标环境的温度，通过嵌入式DSP温度分析火点探测自动报警模块，自动探测环境热源，自动报警装置跟随云台扫描过程中检测视场内着火点。当检测出有超出设定的热点阈值时发出报警信号，同时调用云台进入火点定位扫描模式对可疑火点进行重新判断，确认为着火点后立即发出报警信号，同时可以驱动内部开关量信号驱动周边其它设备。独特的森林火灾热成像分析算法，最远能监测5公里处2米*2米木质火源，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。DSP集成的可见光烟火识别功能，可辅助红外分析软件观测山背/山沟火情，即对回传的实时视频应用数字图像处理技术进行分析，识别烟火最小烟目标10×10像素，

保证系统的高火情识别率，低误报率；可实现火源的早期发现、蔓延变化，同时借助数字云台和GIS地理信息系统实现着火点的准确定位，为森林火灾的扑救决策指挥，做到森林防火扑救的“打早、打小、打了”工作提供了重要的参考依据。

                            10Km可见光图像                          10Km热成像&自动报警图像

2.4.2   火险预警

森林火险气象预报监测站是为了应对森林火灾易发生而进行预警测报的一套高精度数字气象站。防火气象站通过显示、记录和气象数据传输等方面进行火险预报。森林防火气象站配有一整套高性能的传感器来监视风速风向、降水、空气温度及相对湿度。还可测量土壤体积含水量、土壤温度、太阳辐射以及其它很多与森林防火相关的气象参数。

根据气象台提供的气象信息，结合GIS地理信息系统中的森林资源地理信息，利用防火预测模型，评估各地的森林防火等级，计算出火险等级最高的地区，并予关注。 指挥中心通过接入森林火险预报检测数据实现应急指挥处理。对不同等级的防火预警执行不同的防火指挥应急处理。

                                          火险预警

2.4.3 火情指挥处理

指挥中心通过红外热成像仪接收到火情报警，可在指挥中心第一时间通过预案显示当前火情片区工作人员联系方式，地图显示附近水资源，扑火队、瞭望塔、避险区等信息，根据火场情况、气象信息、火点周围人力资源分布情况调度人员队伍。向火场派出人员的指挥调度，并在指挥系统的电子地图上详细记录。并记录所乘森防工具。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　                                                                   　　　　　　　　　　　　　　　　　　扑火指挥

2.4.4 火点自动定位

监控系统发现火点或热点自动报警后，利用回传的数字云台俯仰角、方位角及站点的地理位置信息（经纬度），计算出火点的具体位置。当前端红外热成像摄像机发现火点时，在GIS系统中，标记出火点的相应位置，并用闪烁的方式给予提示。

                                 　   火点定位

2.4.5 卫星遥感监测

平台可接入多卫星数据资源，能实现30分钟一次报警，当收到卫星火点报警信息后，可提供火点合成彩色图片供判读，在GIS地图上显示火点具体位置，并显示火点接收时间，接收卫星名称，火点经纬度，可置信度。

当平台收到卫星火点报警信息后，可自动搜索出火点附近20KM范围内瞭望塔信息，并且能够一键联动距离卫星火点最近的瞭望塔，通过调取视频资源，实时查看卫星火点视频画面。假若最近瞭望塔距离超出20KM范围，可通过无人机指点飞行的方式进行卫星火点实时画面查看。

2.4.6 无人机林区巡航、火点侦察

无人机系统根据航路规划或地面指令，控制无人机按照预设的航路飞行，同时搭载红外热成像摄像机，利用红外热成像设备实施探测林区目标环境的温度，通过嵌入式DSP温度分析火点探测自动报警模块，自动探测环境热源，自动报警装置跟随云台扫描过程中检测视场内着火点。当检测出有超出设定的热点阈值时发出报警信号，同时调用云台进入火电定位扫描模式对可疑火点进行重新判断，确认为着火点后立即发出报警信号。

2.4.7 护林员移动端应用

移动客户端在原手机客户端的基础之上添加了火情消息、路径规划、路径导航三个功能。

2.4.7.1 火情消息

移动客户端接收系统上报的火情消息。

l 按用户接收到火情消息，非上报用户无法接收到消息；

l 支持查看火情的实时视频；

l 支持查看火情的录像回放；

l 支持查看火情图片；

　　　　l 支持火情定位；

　　　　　　　　　　　　                                  　　　　　　　　　 　　火情消息

2.4.7.2 路径规划

显示用户当前位置到火点位置的最短路径。

l 支持显示火点位置的经纬度；

l 支持显示当前位置距离火点位置的直线距离。

　　　　　　　　　　　　                                                                     路线规划

2.4.7.3   路径导航

APP支持地图导航，可以将用户以最短路径导航到火情位置处。

l 支持驾车导航；

l 支持步行导航；

　　　　l 支持偏航纠正。

                                           　   路径导航

2.4.8   防破坏、盗窃功能

考虑系统能长期稳定运行，在红外热成像仪周围部署防破坏报警系统，如有警情发生，可在指挥中心以声音告警、弹出画面等形式通知监控人员注意。同时在沿线部署200万高清日夜监控球机，通过录像、抓拍等形式实现防盗功能。

2.4.9   报警信息统计

系统支持报警统计功能，提供对平台报警数据的统计分析，分析的结果通过图表方式展示。支持报警统计报表时间粒度：年、月、周、日，统计对象：按报警事件、报警级别。系统支持报警信息统一展示，提供专用报警中心，集成展示实时报警、历史报警数据，包括报警相关的视频、录像、图片信息。

2.4.10   视频联动控制

当前端Smart IPC探测到入侵目标时，自动报警并控制进行联动车牌或人脸识别，也可通过值班人员手动打开和调节控制相应区域布防的视频摄像头，完成对入侵目标的识别、判断和跟踪。前端监控设备送回图像、方位、俯仰、热点判断信息，协同处理系统在GIS三维地图上定位，自动增加一个热点。针对林火监测监控特别开发了和视频联动定位软件，实现沙盘画面和监控画面同步，发现热点准确获取坐标，通过沙盘反控摄像机镜头等功能。

2.4.11   视频质量诊断

视频质量诊断系统能够对前端设备的图像质量进行智能分析，并对视频图像的清晰度（图像模糊）、噪声干扰（雪花点、条纹、滚屏）、亮度异常（过量、过暗）、偏色、画面冻结、视频丢失、云台失控等常见摄像机故障进行检测。

2.4.12   设备防雷击

系统前端设备除了电源部分采取了必要的防浪涌保护接地等措施外，对云台等设备本身也采取了部分防雷击保护措施，云台护罩内对所有的信号输入线路（例如：视频线路、控制线路、网络线路、低压控制线路）全部进行了电磁屏蔽和防浪涌保护措施。

2.4.13   前端防结雾

一些时节容易发生多云多雾现象，特别是秋冬时节有恰好属于防火期，属于森林火险高发时期。为了在这段时间保证图像监控系统运行的完好和图像的清晰，所以前端设备的防凝雾功能就显得越发重要了。

针对上述现象，我们对前端设备采用密封加隔离的防护措施，防护等级可达到IP67，内部集成加热模块和风扇，防护罩内部设备不会发生结雾和凝水现象。

2.4.14   透雾监控功能

林区可能存在多雾天气，结合安防监控领域的视频图像透雾的特殊要求，开发了一种实时视频透雾技术。该技术基于大气光学原理，区分图像不同区域景深与雾浓度进行滤波处理，获得准确、自然的透雾图像。

2.4.15   报警阈值梯度设置

针对森林防火应用过程中，红外图像的热值会随着传输距离的加大而衰减，为了满足在0~5Km监控范围内对可疑的火点都进行准确探测，我们在云台内部设置个8个梯度功能，这样火点探测服务器在监控过程中会根据云台的当前梯度，设置适宜的报警热点阀值，而且每个梯度之间的角度可以自定义，这样就做到可以针对任何地理环境，都可以确保了火点自动报警的准确性。

详见下图所示：

                                            报警阈值梯度示意图

第三章 系统特点

3.1   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，能监测5公里处2米*2米木质火源，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。

3.2   基于DEM的全三维地理信息系统建模

软件平台自带离线的GIS地理信息系统和DEM的全三维地理信息系统高程库实现了监控基站站点周边全区域的三维建模，操作人员可以自由编译路径、地名与周边设施等。

3.3   基于DEM三维建模实现的单站点精确火情定位

通常火情或事件的标志和地理信息定位需要由2个站点配合才能完成(类似人类的双眼定位原理)，但我们的系统可由单个监控基站站点通过DEM的全三维地理信息系统的高程库完成三维模型实现单个监控基站站点精确定位，火情精确定位有助于森林防火人员的预防、控制、决策与扑救工作。

3.4   火情标志和自动定位

在出现火情预警之后，操作人员可以及时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情况，自动调整前端监控基站的摄像机云台水平/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。

3.5   智能屏蔽功能

支持遮挡报警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和遮挡，最大程度上减少人为误报和系统识别的误报现象，如建筑物/光伏，太阳能板等。