森林防火圖像監(jiān)控系統(tǒng)的組成

        森林防火圖像監(jiān)控系統(tǒng)一般來(lái)說(shuō)有三大部分組成，它們分別是前端圖像和信息采集部分、傳輸部分、監(jiān)控(指揮)中心部分。其基本的結(jié)構(gòu)示意圖如下：

　　圖像和信息采集部分

　　森林防火監(jiān)控圖像和信息采集部分由位于前端的攝像機(jī)、鏡頭、云臺(tái)和護(hù)罩、解碼器、穩(wěn)壓電源、圖象編碼設(shè)備(或光端機(jī))和其他擴(kuò)展設(shè)備組成。由于該部分處于高山森林深處，環(huán)境狀況比較惡劣，所以在設(shè)備選擇和施工中比普通的圖像監(jiān)控要求嚴(yán)格。

　　攝像機(jī)

　　攝像機(jī)是系統(tǒng)的眼睛，攝像機(jī)的選用直接關(guān)系到采集圖像的效果。圖像采集過(guò)程中云臺(tái)旋轉(zhuǎn)形成的光照變化、山地情況復(fù)雜、背光以及兼顧夜間成像的需要，考慮到紅外熱像儀成像質(zhì)量差、壽命短造價(jià)高等特點(diǎn)，宜采用低照度寬動(dòng)態(tài)的彩色CCD攝像機(jī)。

　　鏡頭

　　由于森林面積廣大，監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)量有限，通常要求一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)要有3-5公里甚至更遠(yuǎn)范圍監(jiān)控半徑，需要采用一定倍數(shù)的變焦鏡頭。根據(jù)我們?cè)谏址阑鸨O(jiān)控系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)，大焦距的變焦鏡頭由于安裝鐵塔的抖動(dòng)，在大變倍情況下聚焦成像較為困難，而且長(zhǎng)焦距鏡頭通光量差，不利于低照度下的成像，同時(shí)由于長(zhǎng)焦距鏡頭價(jià)格昂貴，性價(jià)比低，不建議采用焦距超過(guò)300mm的鏡頭，如果對(duì)鏡頭焦距確有要求一般以200mm為宜。

　　云臺(tái)和護(hù)罩

　　由于森林監(jiān)控點(diǎn)的位置比較偏遠(yuǎn)，所以云臺(tái)的選取主要考慮其可靠，耐用，穩(wěn)定性?？紤]到高山氣候條件惡劣，風(fēng)大，所以抗風(fēng)能力上，云臺(tái)的負(fù)載要有足夠的余量。為了操控的靈活性，建議選取帶有預(yù)置位的云臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)林區(qū)火災(zāi)事故多發(fā)地區(qū)和重點(diǎn)地區(qū)的監(jiān)視監(jiān)控。在有GIS系統(tǒng)的防火監(jiān)控系統(tǒng)中，還要求云臺(tái)具有角度指示功能。防護(hù)罩要容得下長(zhǎng)焦距鏡頭和攝像機(jī)，而且要由雨刷和恒溫裝置。

　　解碼器

　　解碼器的選擇，以符合云臺(tái)和攝像機(jī)的控制要求為主，控制接口以422或485為主，不建議選擇232控制接口類型。由于環(huán)境惡劣，不管有沒(méi)有設(shè)備機(jī)箱機(jī)房，解碼器的配備最好是室外型的，以保證設(shè)備的低故障率。

　　電源系統(tǒng)

　　考慮到系統(tǒng)的可靠和穩(wěn)定，前端電源應(yīng)該盡量采用市電供電，選擇具體的監(jiān)控點(diǎn)時(shí)，除了監(jiān)視范圍的需要以外，還要考慮盡量選擇在有電源或附近地區(qū)有電源的山頭上。一般不建議采用太陽(yáng)能供電或太陽(yáng)能和風(fēng)力聯(lián)合供電的模式。

　　由于市電波動(dòng)大，干擾多，為了有效的保證前端監(jiān)控設(shè)備的穩(wěn)定及安全，系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)前端要求配備了穩(wěn)壓電源?？紤]到監(jiān)控點(diǎn)的氣候條件和抗雷擊能力的需要，傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電源無(wú)法勝任，選擇參數(shù)穩(wěn)壓電源。\r\n參數(shù)穩(wěn)壓電源采用了磁飽和恒壓原理，雙向抗干擾能力是目前各類穩(wěn)壓器中之最強(qiáng)者，能有效地濾除電網(wǎng)和負(fù)載所產(chǎn)生的各種頻率的正負(fù)脈沖和浪涌電壓的沖擊，具有特別強(qiáng)的過(guò)載能力，并且負(fù)載短路或內(nèi)部元件損壞時(shí)具有自動(dòng)保護(hù)特性，并且具有較強(qiáng)的抗雷擊能力。機(jī)內(nèi)無(wú)有源器件，故障率很低、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行可靠，可視為半永久性設(shè)備，特別適合象林業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)電源提供多為農(nóng)電，電壓波動(dòng)比較大的場(chǎng)合。

　　編碼設(shè)備

　　攝像機(jī)輸出的是模擬信號(hào)，為了方便傳輸和中心數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的需求，需要把模擬的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息碼流，這就需要模/數(shù)轉(zhuǎn)換的視頻編碼器。兼顧傳輸帶寬和圖像清晰度的要求，并考慮到信息在中心處理、存儲(chǔ)、傳輸和操作，森林防火監(jiān)控中圖像壓縮技術(shù)多以MPEG4的處理方式為主。同時(shí)，基于MPEG4視頻編碼設(shè)備具有豐富的報(bào)警、控制、音視頻接口，可以方便的接入前端其他輔助設(shè)備的信號(hào)。

　　其他輔助設(shè)施

　　森林監(jiān)控系統(tǒng)的前端大部分設(shè)置在荒郊野外且無(wú)人職守，為了設(shè)備安全，要求在前端的監(jiān)視點(diǎn)設(shè)置報(bào)警探頭和喊話裝置。為實(shí)時(shí)了解森林地區(qū)的氣象條件，在前端監(jiān)控點(diǎn)也會(huì)安裝氣象采集裝置，采集當(dāng)?shù)厣值臏囟取穸?、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象信息。

[nextpage]　　傳輸部分

　　圖像傳輸不外乎兩種方式，光纖和微波。光纖作為傳輸載體，具有傳輸容量大，傳輸信號(hào)穩(wěn)定，不容易被雷擊等優(yōu)點(diǎn)，但是由于是有線傳輸，在森林防火的施工中鋪設(shè)光纜，施工難度大、施工周期長(zhǎng)且容易遭到破壞，一般用在傳輸距離較近的監(jiān)控點(diǎn)。\r\n微波具有施工方便，安裝靈活，造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。尤其在森林監(jiān)控中，大多數(shù)監(jiān)控點(diǎn)位于山頂，克服了微波視距傳輸受地球曲率的影響的缺點(diǎn)，在遠(yuǎn)距離的森林防火監(jiān)控中被廣泛的使用。\r\n傳統(tǒng)的模擬微波由于占用頻譜寬，易于受到干擾，且傳輸?shù)哪M圖像不利于后續(xù)的監(jiān)控中心操作與處理，在森林防火中的應(yīng)用很少。\r\n數(shù)字?jǐn)U頻微波傳輸容量大，傳輸性能穩(wěn)定，不易受到干擾，數(shù)字化線路的傳輸適合現(xiàn)代安防技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化的發(fā)展趨勢(shì)，尤其是2.4G和5.8G開放波段的數(shù)字?jǐn)U頻微波設(shè)備，頻率無(wú)需申請(qǐng)即可使用。所以在森林防火監(jiān)控系統(tǒng)中，遠(yuǎn)距離的監(jiān)控點(diǎn)的傳輸方式以開放波段的數(shù)字?jǐn)U頻微波為主。

　　控制指揮中心部分\r\n監(jiān)控中心作為林業(yè)護(hù)林防火的控制和指揮調(diào)度中心，它的性能設(shè)計(jì)優(yōu)良不僅關(guān)系到系統(tǒng)各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，而且直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。它的建設(shè)不僅要滿足目前的系統(tǒng)需求，而且還要有一定的前瞻性，要充分考慮日后系統(tǒng)擴(kuò)容以及和上級(jí)部門的聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動(dòng)。

　　監(jiān)控中心的建設(shè)是以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，各個(gè)服務(wù)器個(gè)和管理計(jì)算機(jī)以及解碼器都是通過(guò)中心的核心交換機(jī)連接在一起。基于IP方式的連接可以方便的進(jìn)行擴(kuò)容和聯(lián)網(wǎng)，并且適合大的數(shù)據(jù)流傳輸和高速處理。其結(jié)構(gòu)示意圖如下：

　　前端信息碼流通過(guò)傳輸線路連接到中心的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，交換機(jī)將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給視頻控制服務(wù)器，視頻控制軟件平臺(tái)可以對(duì)視頻流媒體進(jìn)行解壓顯示，并且可以通過(guò)軟件本身的功能對(duì)前端云臺(tái)進(jìn)行控制。當(dāng)前端有報(bào)警信息時(shí)，也由控制服務(wù)其來(lái)處理。

　　當(dāng)有觸發(fā)條件觸發(fā)錄像，或人們手動(dòng)選擇錄像時(shí)，視頻控制服務(wù)器就會(huì)把對(duì)應(yīng)的錄像視頻流保存到錄像服務(wù)器的硬盤中。今后可以方便的對(duì)存儲(chǔ)的圖像信息進(jìn)行回放、刪除、拷貝、存檔等處理。\r\n視頻控制服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把視頻碼流和對(duì)應(yīng)的角度信息發(fā)給林火報(bào)警服務(wù)器，林火報(bào)警軟件就會(huì)高速的分析視頻信息，判斷是否有著火點(diǎn)，一旦軟件確定有火情，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，提醒相關(guān)人員，同時(shí)通過(guò)視頻控制服務(wù)器向發(fā)現(xiàn)火情的云臺(tái)發(fā)出停止動(dòng)作的指令，當(dāng)值班人員確定火情后，報(bào)警信息服務(wù)器就會(huì)把相應(yīng)的火點(diǎn)方位信息發(fā)給GIS服務(wù)器。

　　GIS服務(wù)器接收到林火報(bào)警服務(wù)器發(fā)給的角度信息后，就會(huì)在電子地圖上以醒目的符號(hào)或標(biāo)識(shí)標(biāo)注著火點(diǎn)的位置，同時(shí)提供出從附近的護(hù)林點(diǎn)到起火點(diǎn)的最佳路線，為救火滅火贏得時(shí)間。

　　視頻控制服務(wù)器可以將前端的視頻碼流轉(zhuǎn)發(fā)到連接在網(wǎng)絡(luò)中的視頻解碼器，解碼器將這些碼流還原成模擬的視頻信號(hào)，然后輸入到視頻矩陣或者直接顯示到電視墻和監(jiān)視器上。矩陣的控制信息也可以通過(guò)一定的方式，連接到視頻控制服務(wù)器，或者通過(guò)視頻解碼器直接發(fā)給監(jiān)控點(diǎn)的控制解碼器，這樣通過(guò)控制鍵盤就可以對(duì)遠(yuǎn)端的視頻監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)、變焦等等一系列的控制，控制方式更加簡(jiǎn)單靈活。

　　前端的氣象站，采集的氣象信息通過(guò)傳輸線路和中心的網(wǎng)絡(luò)直接傳給氣象信息服務(wù)器，服務(wù)可以直接顯示出當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等氣象信息，同時(shí)還根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則，計(jì)算出森林火險(xiǎn)氣象等級(jí)，為森林火災(zāi)做出預(yù)警。

　　由于中心的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，可以通過(guò)增加前端監(jiān)控點(diǎn)和相應(yīng)的圖像解碼器完成系統(tǒng)的擴(kuò)容，而中心部分幾乎不需要做什么變動(dòng)。同時(shí)，視頻服務(wù)器的存在，可以在和上級(jí)部門聯(lián)網(wǎng)時(shí)，直接轉(zhuǎn)發(fā)視頻碼流，避免了傳統(tǒng)的模擬圖像聯(lián)網(wǎng)的二次壓縮問(wèn)題。上級(jí)的控制也可以通過(guò)對(duì)中心的視頻服務(wù)器來(lái)完成。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大大方便了系統(tǒng)的擴(kuò)展和聯(lián)網(wǎng)。

[nextpage]　　系統(tǒng)的接地和防雷

　　接地和防雷是現(xiàn)今森林防火安防工程中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，尤其是前端圖像采集和傳輸系統(tǒng)部分位于高山野外，這些環(huán)節(jié)的防雷避雷是森林防火安防工程中的一個(gè)重要的難點(diǎn)問(wèn)題，它的解決好壞直接關(guān)系到前端圖像采集的穩(wěn)定和可靠，也關(guān)系到整個(gè)防火監(jiān)控工程的成敗，這里我們把它作為一個(gè)獨(dú)立的部分加以介紹。

　　一個(gè)完整的防雷系統(tǒng)包括直接雷擊的防護(hù)、感應(yīng)雷擊的防護(hù)、屏蔽、等地位、均壓處理、接地等幾個(gè)方面，缺少任何一方面都是不完整的、有缺陷的和有潛在危險(xiǎn)的。

　　1.前端圖像采集部分設(shè)備的防雷。前端設(shè)備有室外和室內(nèi)安裝兩種情況，安裝在室內(nèi)的設(shè)備一般不會(huì)遭受直擊雷擊，但需考慮防止雷電過(guò)電壓對(duì)設(shè)備的侵害，而室外的設(shè)備則同時(shí)需考慮防止直擊雷擊。

　　前端設(shè)備應(yīng)置于接閃器(避雷針或其它接閃導(dǎo)體)的有效保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)云臺(tái)獨(dú)立架設(shè)時(shí)，避雷針最好距設(shè)備3-4米的距離。如有困難，避雷針也可以架設(shè)在云臺(tái)的支撐桿上，引下線可直接利用金屬桿本身或選用Φ 8的鍍鋅圓鋼。為防止電磁感應(yīng)，沿桿引上設(shè)備的電源線和信號(hào)線應(yīng)穿金屬管屏蔽。為防止雷電波沿線路侵入前端設(shè)備，應(yīng)在設(shè)備前的每條線路上加裝合適的避雷器，如電源線、視頻線、信號(hào)線和云臺(tái)控制線。攝像機(jī)的電源一般使用AC220V或DC12V。攝像機(jī)由直流變壓器供電的，單相電源避雷器應(yīng)串聯(lián)或并聯(lián)在直流變壓器前端，如直流電源傳輸距離大于15米，則攝像機(jī)端還應(yīng)串接低壓直流避雷器。信號(hào)線傳輸距離長(zhǎng)，耐壓水平低，極易感應(yīng)雷電流而損壞設(shè)備，為了將雷電流從信號(hào)傳輸線傳導(dǎo)入地，信號(hào)過(guò)電壓保護(hù)器須快速響應(yīng)，在設(shè)計(jì)信號(hào)傳輸線的保護(hù)時(shí)必須考慮信號(hào)的傳輸速率、信號(hào)電平，啟動(dòng)電壓以及雷電通量等參數(shù)。室外的前端設(shè)備應(yīng)有良好的接地，接地電阻小于4歐姆，高土壤電阻率地區(qū)可適當(dāng)放寬。

　　2.傳輸光纜和電源線路的防雷。電源線路一般分架空傳輸和地埋敷設(shè)兩種方式，從防雷角看，地埋敷設(shè)方式防雷效果較佳。架空線最容易遭受雷擊，并且破壞性大，波及范圍廣，為避免首尾端設(shè)備損壞，架空線傳輸時(shí)應(yīng)在每一電桿上做接地處理，架空線纜的吊線和架空線纜線路中的金屬管道均應(yīng)接地。

　　傳輸線埋地敷設(shè)并不能阻止雷擊設(shè)備的發(fā)生，大量的事實(shí)顯示，雷擊造成埋地線纜故障，大約占總故障的30%左右，即使雷擊比較遠(yuǎn)的地方，也仍然會(huì)有部分雷電流流入電纜。所以采用帶屏蔽層的線纜或線纜穿鋼管埋地敷設(shè)，保持鋼管的電氣連通，對(duì)防護(hù)電磁干擾和電磁感應(yīng)非常有效，這主要是由于金屬管的屏蔽作用和雷電流的集膚效應(yīng)。如電纜全程穿金屬管有困難時(shí)，可在電纜進(jìn)入終端和前端設(shè)備前穿金屬管埋地引入，但埋地長(zhǎng)度不得小于15米，在入戶端將電纜金屬外皮、鋼管同防雷接地裝置可靠相連。

　　各監(jiān)控點(diǎn)到中心機(jī)房如果采用光纖傳輸，光纖本身是不傳遞雷電的,但是在光纖接入終端設(shè)備以前，光纜的金屬加強(qiáng)筋應(yīng)做好接地處理。

        3.監(jiān)控中心設(shè)備的防雷。監(jiān)控室的防雷應(yīng)從直擊雷防護(hù)、雷電波侵入、等電位連接和電涌保護(hù)多方面進(jìn)行。監(jiān)控室所在建筑物應(yīng)有防直擊雷的避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)。其防雷措施應(yīng)符合有關(guān)雷擊保護(hù)的規(guī)定。

        進(jìn)入監(jiān)控室的各種金屬管線應(yīng)接到防感應(yīng)雷的接地裝置上。架空電纜線直接引入時(shí)，在入戶處應(yīng)加裝避雷器，并將線纜金屬護(hù)層及自承鋼索接地。

　　監(jiān)控室內(nèi)應(yīng)設(shè)置一等電位連接母板，該等電位連接母線應(yīng)與建筑物防雷接地、PE線、設(shè)備保護(hù)地、防靜電地等連接到一起防止危險(xiǎn)的電位差。各種電涌保護(hù)器的接地線應(yīng)以最直和最短的距離與等電位連接母排進(jìn)行電氣連接。

　　由于大多數(shù)雷擊高電位是從電源線侵入的，為保證設(shè)備安全，一般電源上應(yīng)設(shè)置三級(jí)避雷保護(hù)。在視頻傳輸線、信號(hào)控制線，入侵報(bào)警信號(hào)線進(jìn)入前端設(shè)備之前或進(jìn)入中心控制臺(tái)前應(yīng)加裝相應(yīng)的避雷保護(hù)器。

　　良好的接地是防雷中至關(guān)重要的一環(huán)，接地電阻值越小過(guò)電壓值越低。監(jiān)控中心采用專用接地裝置時(shí)，其接地電阻不得大于4Ω。采用綜合接地網(wǎng)時(shí)，其接地電阻要小于1Ω。

[nextpage]　　系統(tǒng)功能

　　1、實(shí)現(xiàn)了對(duì)森林狀況實(shí)時(shí)的大面積的圖像監(jiān)控。前端的大變倍攝像機(jī)和自動(dòng)巡航功能云臺(tái)的使用，可以實(shí)時(shí)的將前端森林狀況傳回到監(jiān)控指揮中心，同時(shí)中心人員可以遙控前端攝像機(jī)云臺(tái)動(dòng)作，對(duì)局部地區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)審視，對(duì)出現(xiàn)的森林樹木盜砍盜伐、森林病蟲害等問(wèn)題和可能的火災(zāi)隱患及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

　　2、可以方便的保存前端森林圖像及其他相關(guān)信息?？刂浦笓]中心的錄像服務(wù)器可以方便的保存森林圖像信息，尤其是在森林火災(zāi)發(fā)生的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)圖像信息的保存，可以作為重要的資料文檔記錄，方便日后的查詢，對(duì)日后的森林火災(zāi)的分析、撲救也有積極的指導(dǎo)意義。相關(guān)服務(wù)器和設(shè)備同時(shí)也可以對(duì)其他的相關(guān)森林信息進(jìn)行保存分析。

　　3、林火的自動(dòng)報(bào)警。安裝在監(jiān)控指揮中心的林火自動(dòng)報(bào)警軟件可以自動(dòng)高速的處理前端回傳的森林圖像信息，對(duì)畫面中出現(xiàn)的煙、火等火災(zāi)信息發(fā)出聲、光、電等報(bào)警信息，提醒中心值班人員。該軟件在森林防火安防系統(tǒng)中的應(yīng)用大大降低了中心人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，把中心工作人員從枯燥的圖像監(jiān)控中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了林火報(bào)警的智能化和自動(dòng)化。

　　4、林火的自動(dòng)定位功能。GIS地理信息決策系統(tǒng)的應(yīng)用可以在火災(zāi)發(fā)生的時(shí)候，快速的定位火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)，為防火滅火人員提供最佳的一條或幾條滅火路徑，同時(shí)這些信息通過(guò)中心的顯示系統(tǒng)在電子地圖上顯示出來(lái)，為森林火災(zāi)的撲火滅火贏得寶貴的時(shí)間。

　　5、森林火災(zāi)預(yù)警功能。安裝在信息采集端的氣象信息采集系統(tǒng)，可以更加真實(shí)的提供當(dāng)前森林的氣象信息狀況，相應(yīng)的氣象服務(wù)器可以通過(guò)分析這些信息得出更加可靠森林的火災(zāi)指數(shù)和火災(zāi)等級(jí)。

　　6、前端信息采集部分的防盜報(bào)警功能。系統(tǒng)的前端大部分設(shè)置在荒郊野外且無(wú)人職守，為了防止盜竊和破壞，有時(shí)會(huì)要求前端的監(jiān)視點(diǎn)設(shè)置雙鑒報(bào)警探頭，一旦有人靠近設(shè)備，設(shè)備將以聲光方式自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)報(bào)警信息直接傳回監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接到報(bào)警以后，還可以通過(guò)喊話裝置利用前端的高音喇叭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行喊話。

　　7、擴(kuò)展功能。中心采用了數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)，可以方便的進(jìn)行系統(tǒng)容量擴(kuò)大、系統(tǒng)功能的升級(jí)和上級(jí)森林防火功能的聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)由于中心的完善的基礎(chǔ)設(shè)施，完全可以作為電視會(huì)議和其他多功能的會(huì)議中心，使監(jiān)控指揮中心成為一個(gè)綜合性的多功能的中心。

　　發(fā)展方向

　　帶有林火報(bào)警和GIS功能的安防系統(tǒng)是森林防火中的兩大要求和發(fā)展方向， 隨著以信息技術(shù)和電子技術(shù)為核心的安防技術(shù)的不斷發(fā)展，兩大功能在安防系統(tǒng)中的融合與完善，安防系統(tǒng)必將在森林防火系統(tǒng)中發(fā)揮更加積極的作用。