权威解读《森林防火视频监控系统技术规范》

      编者按
　　本文作者舒立福是中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所研究员、林火研究首席专家、国家森林防火总指挥部专家组专家、中国林学会森林防火专业委员会副主任。他主持过多项森林防火科研项目，出版专著5部，发表论文56篇，SCI收录7篇，EI收录5篇。
　　舒立福作为全国森林消防标准化技术委员会副主任， 参与了《森林防火视频监控系统技术规范》编制组的标准制定工作。本文是他对《森林防火视频监控系统技术规范》一些重要内容的解读和观点的拓深，提出了利用好、运用好“标准”及对行业发展前瞻性的思考，其真知灼见为广大读者深入理解“标准”内涵提供了新的视角。

　　《森林防火视频监控系统技术规范》（以下简称“标准”）经过全国森林消防标准化技术委员会和编制组及相关单位两年的不懈努力，于2016年1月18日由国家林业局发布，于2016年6月1日正式实施。该标准由国家森林防火指挥部办公室提出，全国森林消防标准化技术委员会（SAC/TC 523 ）归口。“标准”实施将对全国林业视频防火的信息化建设有着深远影响。
　　 制定背景
　　设备参差不齐行业规范待提升
　　目前市场上的森林防火视频监控系统软件功能多样，硬件设备参差不齐，无统一设计、生产及应用标准，影响了全国森林防火视频监控系统建设的统一性和业务适用性，给未来全国森林防火视频监控系统互联互通带来障碍，同时随着高清视频传输、图像识别处理等新技术的引入，可使森林防火视频监控系统性能得到有效提升。行业标准的制定将会加快科技成果的扩散，规范市场竞争秩序。
　 　产品发展
　　三个阶段逐步走向成熟
　　森林防火视频监控系统已是我国森林防火预防监测的重要手段之一，它的发展历经三个阶段逐步走向成熟。
　　第一阶段：使用传统城市安防视频监控产品，指挥中心采取人工视频查看方式。这种方式监控范围小、图像模糊，系统不能进行识别和定位，完全依赖人工查看，仅仅解决了“看”的问题。
　　第二阶段：在第一阶段基础上，视频监控系统对云台的性能进行了提升，配备了简单的烟火识别算法的功能，能够对火点进行初步定位。但系统仍存在着识别能力差、巡航时间长、火点定位误差大等问题，设备难以满足林区恶劣环境的防火要求，虽然能“用”但并不“好用”。
　　第三阶段：随着技术的发展，视频监控系统也同步进入了智能时代。新一代前端设备采用高精度球型转台及完备的智能烟火识别算法，缩短了设备巡航时间，提高了定位精度和识别能力，系统能够实现火情的“早期发现、准确报警、精准定位”。森林防火视频监控系统进入了“易用”和“好用”的阶段。
　　目前，森林防火视频监控产品品质不一，处于三个阶段的水准兼而有之。缘于此，《森林防火视频监控系统技术规范》实施，就此规范了行业技术标准，满足了森林防火“打早、打小、打了”的方向，对提升森林防火信息化水平具有重要意义；同时弥补了视频监控系统在森林防火应用中无技术标准的缺失，促进了森林防火视频监控系统建设工作的规范化和标准化。
　　 指标解读
　　五项指标直指防火要害
　　巡航周期——全监控区域巡航周期不大于30分钟
　　为尽早发现森林火情，给火灾扑救争取时间，研究认为：能够及时发现火情的最长时间不能超过30分钟。如果用于发现火情的时间过长，错过最佳扑救时机，会给森林资源造成更大的损失。从技术实现角度看，在森林防火应用中，以覆盖半径15公里为例，行业内部个别厂商的设备20分钟内即可完成有效识别。为此，“标准”巡航周期定义为30分钟较为适宜。
　　火情识别率——漏报率不大于1％。；万公顷日误报次数不大于3
　　森林防火视频监控系统主要功能是对烟、火准确而有效识别后进行报警。识别能力指标应满足：在对比度大于等于10%时，可见光最小识别烟、火能力的指标不大于10×10像素，红外热成像最小识别烟、火能力的指标不大于2×2像素。
　　目前智能识别技术的发展还未能做到“完美”，在火情识别时会存在漏报和误报现象，为兼顾现有技术水平，且能够满足森林防火业务需要，“标准”要求系统的漏报率不得高于1％。。系统误报需满足值班人员可接受程度，为每万公顷日误报次数不大于3。
　　定位精度——定位误差不大于100米
　　在森林火灾扑救过程中，尤其是火情发生在森林面积较大的区域，判断火点的准确位置，将会直接影响到指挥与扑救人员能否选择正确的扑火路径、合理调配周围扑火资源以及掌控最佳的扑火时间。原则上，对火点定位精度的要求是误差越小越好，但因定位精度受设备生产加工、工程安装、GIS误差等主要因素的限制，为此“标准”明确了定位精度优于100米的指标，这样既考虑到了实际应用效果，又照顾到了设备生产、实施难度及系统建设成本。
　　可见光和红外——系统应具有可见光烟火自动识别能力；系统应具有红外烟火自动识别能力
　　目前，森林防火视频监控系统多采用可见光与非制冷红外双镜头设备监控方式。这种融合较为科学，主要是由于两种方式各有各自的特点。可见光系统具有图像清晰、分辨率较高、成本低的特点，与人眼视觉基本一致。白天监测距离远，对烟雾较敏感，通过对烟的识别，可早期发现火情。但是在浓雾、夜晚，很难完成远距离对烟的识别。在高照度天气条件下，很难完成强光及火光的判别。非制冷红外热像仪对通视热源敏感，透雾能力优于可见光，夜间判断火能力较好。但是对烟的识别不敏感，监测距离较近，不论白天还是夜晚，都很难完成非通视条件下的火点监测。
　　为确保森林防火视频监控系统能全天候地完成森林防火监测与预警，系统宜配备可见光与红外热像仪的两种设备融合使用，这样可以实现对烟、火全天候地交叉确认识别。目前，有些设备厂商已做到了这一点，而且具备了识别算法前置、多光谱融合识别等能力。
　　前端监控设备防护安全——整体防护等级不小于IP66；镜头、摄像机保护仓防护等级不小于IP67
　　林区自然环境恶劣复杂，经常遭受着雨、雪、风沙等侵袭，要求前端监控设备整体防护等级必须达到IP66，方能完全防止灰尘、雨水等侵入设备，才不会影响设备的正常运行。镜头和相机是系统重要的视频采集设备构件，“标准”要求保护仓防护等级达到IP67，才能去除因温差变化造成的可见光视窗结露问题，同时可有效保护镜头和相机的工作环境，延长其使用寿命。
　　以上火情识别率、设备精度、巡航周期以及光学成像的几项指标最为关键、相互制约。在系统工作时，如果没有很好的设备精度和良好的光学成像系统相结合使用为基础，再好的识别算法也很难体现出识别能力，无法支撑系统早期、准确发现火情。如不具备多维度融合识别能力的算法，再好的硬件设备也无法确保巡航周期达到要求，无法精准定位火点。因此，生产企业和防火部门在系统设计和使用时要综合考虑这些关键因素。
　　 建设保障
　　确保投资效益和安全运营
　　由于我国森林面积广阔且大部分处于无人区，多数没有通信与供电系统。在森林防火视频监控系统建设过程中，传输、供电系统及工程基础建设的投资占比非常高，在充分保证监测覆盖范围的前提下，优先使用大半径的视频监控设备，将会减少建设投资成本及后期运营维护成本。同时使其能兼顾无线通信设备、无人机中继设备、小气象设备等设备的应用，提升监测站的运营安全性、智能化水平，以提高系统的整体使用效益。
　 　发展趋势
　　提升技术能力展现更好前景
　　由于《森林防火视频监控系统技术规范》首次颁布实施，为照顾更多的生产企业能够实现达标，“标准”兼顾了当前的现实水平。但可以预见，随着行业发展水平的提升，伴随着森林防火现代化推进步伐的不断加快，标准也会随形势不断提高。因此，这里特别介绍一些目前在国内行业发展较为先进的产品和技术，与大家分享。
　　球形转台：森林防火视频监控系统前端设备的工作环境与边防海防工作环境相类似。边防海防系统的监控技术要求，在领域超过3公里以上监控半径的应用时，要满足识别车辆与人等目标的定位精度及抗风能力要求，规定宜采用球型转台设备。因为，球形结构任意方向的风载系数基本均等，受各方向风力影响最小，在相同风力环境下比常见的云台式结构抗风能力更强。同时，球型转台采用高精度伺服控制系统，相较于云台其转速更快，定位精度更高。因此，建议森林防火视频监控前端设备可参考军工产品设计理念，提升技术整体应用能力。
　　算法前置：智能图像识别算法结合高精度球型转台是保障火情准确识别、精准定位的关键。前端设备采用嵌入式识别算法，系统在识别算法运行的过程中，因为图像无需经过压缩和传输，质量无损，可极大提升识别能力。在带宽有限或网络传输中断的情况下，仍能在本地正常运行并监测火情，同时将火情报警信息存储于前端。另外，设备采用嵌入式硬件设计，简化了火情识别的硬件系统，使结构更加紧密、稳定性更高。由于前端嵌入式算法设计对生产厂商的研发技术能力要求非常高，目前行业内只有极少数厂商完成了此项技能的突破。纵观技术发展，算法前置是解决烟火识别准确度的关键，也是森林防火视频监控智能化演进的必经之路。
　　标准化设计：目前，全国的森林防火视频监控建设多以基层为中心，并未实现由县到市、市到省等多级系统联网。前端硬件的标准化、开放性和兼容性设计是实现视频监控系统联网的前提，也是实现森林防火统一指挥、统一调度的基础保障。
　　标准化是推进国家治理现代化的重要手段，《森林防火视频监控系统技术规范》等标准的实施，为我国森林防火工作走向现代化注入了“新风”，我们祝愿有更多林业领域的标准出台，以加快实现林业建设发展的现代化。