XX市智慧林业防火管理系统

XX市森林防火管理子系统建设XX市森林防火管理子系统建设方案委托单位：编制单位：编写时间：20XX年4月

项目建设规模本次建设天网地网人网立体防空体系，包括:天网（卫星遥感服务、无人机巡航，3KM高清透雾摄像机红外热成像摄像机重型数字云台监控XXX套，5KM高清透雾摄像机红外热成像摄像机重型数字云台XXX套），地网（物联网红外防火探测器XXXX个，智能语音播报视频监控卡口XX套，小气候环境检测器XX套），人网（林管通APP+微信公众号），和1套生态保护云平台系统。项目建设内容为贯彻落实“预防为主、积极消灭”的森林防火工作方针，切实做好各类森林防火应急预案处置工作，确保在处置一般、重、特大森林火灾时反应及时、准备充分、决策科学、措施有力，最大限度地降低森林火灾造成的损失。实现XXX市森林火灾全区域全天候覆盖、高灵敏度探测，研究提出全数字化远程防火监测系统，融入大数据平台，实现对火情、火灾的实时监控和及时发布防火预警等级。本建设方案遵循“科学合理、试点先行、全面推广”的基本原则，提出以下建设发展思路：（1）天网监测预警：采用卫星遥感技术和无人机巡航监控。针对林区大面积管控问题，在若干个至高点借助现有移动通信铁塔（或自建铁塔）建设高清长焦视频监控点和无人机巡航监控配合卫星遥感技术，形成天网监测预警系统，替代人工瞭望，实施大范围森林烟火现象的监测与预警。（2）地网监测预警：针对林区高火险区域管控问题，在人行道、车行道、观光区、露营区等高火险重点区域，以及巡护人员少去或不去巡护的区域，安装部署红外火灾探测器，形成地网监测预警系统，替代人工巡护，实施林下早期火险灾现象的精准、及时定位预警，并与天网监测预警系统自动联动。（3）智能卡口防火宣传系统：在林区各出入口安装4G智能语音卡口，可实现人员进入林区及出林区不同语音自动红外人体感应播报并录像，加强防火宣传力度及威慑力。（4）人网巡护预警：针对非高火险区域管控问题，巡护人员智能手机下载安装“林管通”APP软件结合微信公众号，在人工巡查和游客旅游过程中，可随时将发现的各类问题通过拍照、录像、语音、文字等方式，上报传输到上级管理者手机或指挥中心，形成网络化人工监测预警系统，实现各类安全隐患网络化巡查、报送与协同；通过宣传让社会公众关注微信公众号，若发现有火灾隐患、病虫灾害、滥砍盗伐，乱捕滥猎、侵占林地等林业灾害和违法违规现象时，可通过打开微信公众号进行所处位置自动定位、拍照上传、联动平台报警、短信通知、电子地图呈现等监管应用，以便监管部门能够及时、准确的定位事件位置和即时处置。。（5）智慧生态云服务预警：1、资源统一管理：基于3DGIS引擎技术、叠加国内外三维高清卫星影像地图，可视化全局呈现景区资源、设备、设施、路网、人员、车辆等空间地理分布数据，实时接入和动态展示人、车轨迹和位置信息，提供分级化基础图层、资源图层、专题图层综合展示和资源管理。2、卡口防火视频监控：集成各站点卡口视频图像信号，支持烟火识别的联动报警，有效降低人工观察视频强度，提供云端化、分级化、共享化的视频监控服务。3、防火指挥调度：结合基础地理空间数据库、景区防火专题数据库为应用支撑，实现三维场景下的“灾前、灾中、灾后”全过程、全方位、一体化动态管控和决策辅助支撑，提供火情趋势标绘、资源分析、最优路径分析、火势蔓延模拟、火情动态报告，为景区火灾指挥调度协助扑救提供实时智能的“电子沙盘”。森林防火系统发展概述森林防火经历了漫长的发展期。目前世界各国森林火灾发生情况不同，所采取的森林防火技术也不一样。1.4.1国外森林防火分析在世界范围内，平均每年发生火灾几十万起，过火面积高达百万公顷，带来的损失约占全球各类灾害总和的1%。许多国家就已经意识到森林防火的重要性，走在最前端的是澳大利亚、美国等国，他们研发化森林火灾预测预报系统并投入使用。北欧森林防火模式：北欧是世界上森林火灾最少的地区，森林以人工林为主，经营年代长，营业水平高。北欧的森林防火工作主要通过生物防火和地面修建各种有效的防火措施完成。北美森林防火模式：北美的森林有两大特点：一是针叶原始林面积大；而是雷击火多。北美工业发达，在森林防火和灭火措施上主要采取空中优势，进行航空巡护和航空灭火，并配备各种先进的仪器设备。主要体现在：利用卫星、红外监测、和远程雷达监测等技术监测林火发生和发展。澳大利亚森林防火模式：澳洲地处热带和亚热带地区，属季雨林气候，在干旱季节气温高、湿度低、风大，森林植被以桉树为主，桉树含油脂多，特别易燃，一旦发生火灾，极易形成大火、很难扑救，森林损失十分严重。经过澳大利亚多年研究，找到一种以火灭火的方案，即采取计划火烧措施来防治森林火灾，通过计划火烧烧掉林地上积累的可燃物，降低森林的燃烧性。这样，即使发生火灾，火灾强度低，蔓延慢，也容易扑救。目前澳大利亚计划火烧的面积已超过火灾面积好几倍。但与世界各国相比，森林火灾还是最严重的国家之一。1.4.2国内森林防火分析目前，我国在森林防火技术累计了较为丰富的经验，主要依靠地面巡护、瞭望台监测、航空巡护、卫星遥感方式进行林火监控，但需大量依靠人工，难以做到实时火险报警。现阶段国内防火主要由以下部分构成：1.4.2.1采用地面巡护地面巡护，主要任务是向群众宣传，控制人为火源，深入瞭望台观测的死角进行巡逻。对来往人员及车辆，野外生产和生活用火进行检查和监督。存在的不足是巡护面积小、视野狭窄、确定着火位置时，常因地形地势崎岖、森林茂密而出现较大误差；在交通不便、人烟稀少的偏远山区，无法进行地面巡护，需用各种交通工具费用及人员工资费用，只能用视频监测方法来弥补。1.4.2.2采用瞭望台监测瞭望台监测，是通过瞭望台来观测林火的发生，确定火灾发生的地点，报告火情，它的优点是覆盖面较大、效果较好。存在的不足：是无生活条件的偏远林区不能设瞭望台；它的观察效果受地形地势的限制，覆盖面小，有死角和空白观察不到，对烟雾浓重的较大面积的火场、余火及地下火无法观察；雷电天气无法上塔观察；瞭望是一种依靠了望员的经验来观测的方法，准确率低，误差大。另外瞭望员人身安全受雷电、野生动物、森林脑炎等的威胁。1.4.2.3采用航空巡护航空巡护，是利用巡护飞机进行林火的探测。它的优点是巡护视野宽、机动性大、速度快同时对火场周围及火势发展能做到全面观察，可及时采取有效措施。但也存在着不足：夜间、大风天气、阴天能见度较低时难以起飞，同时巡视受航线、时间的限制，而且观察范围小，只能一天一次对某一林区进行观察，如错过观察时机，当日的森林火灾也观察不到，容易酿成大灾，固定飞行成本高，租用飞机费用昂贵，飞行费用严重不足，这就需要用定点视频监测来弥补其不足。1.4.2.4采用卫星遥感卫星遥感，利用极轨气象卫星、陆地资源卫星、地球静止卫星、低轨卫星探测林火。能够发现热点，监测火场蔓延的情况、及时提供火场信息，用遥感手段制作森林火险预报，用卫星数字资料估算过火面积。它探测范围广、搜集数据快、能得到连续性资料，反映火的动态变化，而且收集资料不受地形条件的影响，影像真切。存在的不足：准确率低，需要地面花费大量的人力、物力、财力进行核实，尤其是交通不便的地方，火情核实十分重要。在接到热点监测报告2小时内应反馈核查情况和结果。卫星遥感监控森林防火的其不足是：热点达到3个像素时，火已基本成灾。从卫星过境到核查通知扑火队伍时间过长，起不到“打早、打小、打了”的作用。因此，既需要综合运用多种技防手段，也还需要依靠人加强巡管宣传，只有建立人网（人工巡护、微信公众号）、地网（红外监测、视频监控、环境探测）、天网监测（卫星遥感、无人机巡航、高空云台视频监控）合一的立体管控体系，才能有效实施森林火险严防严控。1.4.3本次森林防火系统分析本系统结合XX市地理现状，综合国内外森林防火技术，采用“国内先进、国际领先”型设备，设立森林防火的“天网、地网、人网”立体防控。天网由遥感卫星、3-5KM高清透雾摄像机红外热成像摄像机重型数字云台、无人机巡航组成；地网由智能卡口、基于无线自组网光能供电的红外火灾探测器、基于NB-IOT通信的环境探测器组成；人网由基于移动手机上的林管通APP、公众微信号组成。本系统具有“宣讲、互联网+巡护、预测、报警、调度、评估”的功能。宣讲：据统计，人为放火和跑火是森林火灾发生的主要因素之一；因此，本次结合智能卡口、公众微信号对进入景区人群进行森林火灾宣讲，也可通过智能卡口对进入林区或重点区域人群进行实时监管。互联网+巡护：长久以来，传统人工巡护一直是森林防火的核心之处，但传统人工巡护的工作效率一直处于较低状态；本次提供新的互联网+巡护方式可为风景管理部门提供简便、高校、先进的科技管理手段和创新管理模式。预测：基于环境探测器采集的基础数据结合云平台大数据、人工智能进行分析，得出相对准确的预测结果。报警：本次通过红外火灾探测器探测和拍照与高空红外监控云平台二次确认之间的的联动，可实现对火灾的及时、精确报警，真正实现将火灾消除在萌芽状态。调度：当发生火情时，可结合基础地理空间数据库，实现三维场景下的全过程、全方位、一体化动态管理和决策辅助支撑。评估：针对火灾发生后进行损失评估及档案整理，可对林业资源、动物资源等其他资源进行灾后评估。依据标准1、《森林防火条例》（国务院令第541号）；2、《中共中央国务院关于加快林业发展的决定》（中发[2003]9号）；3、《国务院办公厅关于进一步加强森林防火工作的通知》（国办发[2004]33号）；4、《全国森林防火发展规划（2016-2025）》；5、《森林防火工程技术标准》LY/J127-91；6、《全国森林火险天气等级》LY/T1172-95；7、《森林火险气象预警》GB/T31164-2014；8、《森林重点火险区综合治理工程项目建设标准（试行）》；9、《森林消防队伍建设和管理规范》（国森防办[2007]11号）；10、《关于推进中国林业物联网发展的指导意见》（2016）；11、《信息安全技术数据库管理系统安全评估准则》GB/T20009》（2015）；12、《信息安全技术信息系统通用安全技术要求》GB/T20271；13、《信息安全技术数据库管理系统安全技术要求》GB/T20273；14、《全国森林火险区划等级》LY/T1063；15、《中国电气安装工程施工及验收规范》GBJ232-82；16、《安全防范工程程序与要求》GA/T75-94；17、《电气指标标准》EIA-422/EIA-485；18、《无线局域网标准》IEEE802.11；19、《林业数字矢量基础地理数据标准》DF01-1311；20、《林业政策法规数据标准》DF01-1410；21、《林业文献资料数据标准》DF01-1430；22、《视频视频监控系统工程设计规范》GB50395-2007；23、《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010；24、《基础地理信息数据库基本规定》CH/T9005；25、《移动互联网联网应用安全防护要求》YD/T2694；26、《移动互联网联网应用安全防护检测要求》YD/T2695；27、《数字林业标准与规范第1部分：森林资源非空间数据标准》LY/T1662.1；28、《数字林业标准与规范第2部分：林业数字矢量地理数据标》LY/T1662.2；29、《数字林业标准与规范第3部分：卫星遥感影像数据标准》LY/T1662.3；30、《数字林业标准与规范第4部分：林业社会经济数据标准》LY/T1662.4；31、《数字林业标准与规范第7部分：数据库建库标准》LY/T1662.7；32、《数字林业标准与规范第8部分：数据库软件规范》LY/T1662.8；33、《数字林业标准与规范第9部分：数据库管理规范》LY/T1662.9；34、《数字林业标准与规范第10部分：元数据标准》LY/T1662.10。第二章需求分析和系统建设的必要性需求分析2.1.1全方位智能监测需求系统需要结合天上、地面、人工全方位结合，通过人工智能，自动识别“林上火”和“林下火”；林上火需获得地面可见光、热红外（双光耦合）的视频中火灾发生信号数据，依据智能云台观测方位、俯仰角或固定视频摄像机的位置快速自动解算火点的坐标，并能实现地理信息随视频观测图像移动的同步飞行漫游，实现火点、烟雾的监测提取和定位等功能。林下火需依靠无线传感热红外技术，实现自动定位、自动报警、自动拍照捕捉功能，真正实现火灾“打早、打小、打了”。形成全方位巡护系统。2.1.2森林防火决策支持需求（1）森林火灾发生风险预报准实时化类似于天气预报，森林火灾发生风险预报的时效性越高，越利于调整林火智能监测的频率与强度、越利于应急防控力量的调度。特别是随着全球气候变化，九寨沟地区降水波动增大、大风天数有所增加，加大了部分季节的火灾风险，有必要加强预报子系统部署。这部分主要包括：森林火险天气等级计算，森林火险等级计算，林火发生预报计算。（2）森林火灾扑救应急指挥数字化在林火智能监测、火灾风险区划的基础上，一旦遭遇火情，应能够快速启用无人机观测系统、林火卫星数据通道，第一时间提取火场面积、火线位置、火烧程度、火线推进方向与速度，并能在GIS系统中动态显示，形成宏观控制力。主要目标包括：火场三维场景显示、火场扑救队伍定位跟踪、林火行为模拟、森林火灾应急扑救辅助决策等。（3）森林火灾事后灾损评估规范化事后灾损快速评估是防止职能缺失、向上级部门及社会公众做出交代的重要依托。应能采用遥感手段或导航跟踪终端，落实过火范围，根据森林火灾发生的范围和程度、森林资源分布等，依据森林火灾损失评估技术规范(LY/T2085-2013)进行森林火灾损失评估。系统建设必要性近年来，国内景区火灾频发，造成自然资源和文物建筑破坏与人命伤害，特别是节假日期间火险形势更加严峻，历史火灾教训启示：人为因素是最大的火灾隐患！只有加强人为因素的有效管控，才能很好的管控景区火灾风险。人工管控是传统的管理模式，火灾事故突发性、偶发性、灾害性强，人工管控防不胜防，只有增强技术防范手段，综合实施人防与技防，才能变被动管控为主动管控！当前，九寨沟XX林业消防主要面临三大突出问题：1、人为火险高：近年来，旅游产业的快速发展，游客流量迅速上升，给林区防火工作带来难度。由于现有进出口卡点设置数量太少，又没有加强卡点广播宣传，严格控制游客携带火种，防火宣传和火种控制力度不够；视频监控总体数量较少，游客在观光区、露营区、游览步道等存在吸烟、用火等情况，火灾隐患十分突出，可以说是防不胜防。2、巡护压力大：由于林区目前只有少量的视频监控未实现全面覆盖，除此之外基本没有火险灾监测预警的科技设施，主要依靠人工巡查宣传及管控。由于面积较广、道路较多、游客分布较散，人工巡查难于做到严防死守，更不可能24小时值守，只能在发生较大的林烟火现象时才能发现火险灾现象。若存在天干物燥、风力较大等气候条件，极容易造成重大景区火灾。3、人工管控难：由于现代化科技手段不足，火灾防控、应急响应、处置指挥都主要采取电话呼叫的方式进行。但应急处置组织指挥较为困难，总体防火管控、应急响应和处置指挥都相对被动，完全依靠人工方式开展工作，总体效率较低，且人工投入较大。第三章系统设计3.1设计原则充分考虑系统的先进性，结合建设区域地形地貌力求选用性能先进的设备及技术；充分考虑系统的可靠性，以适应恶劣的环境和气候条件；充分考虑系统的兼容性、通用性和开放性，采用模块化设计，使系统各部分有机融合，又相对独立，为日后升级和更新留有余地；如今系统设计崇尚模块化的集成系统设计思想，要求各子系统功能的最大化，而且要求多个子系统集成后具备单个子系统所不具备的高度集成化增值功能。特别是本项目涉及到地理信息技术、图像处理技术、热成像、红外物联网探测技术等多个技术的系统模块整合，项目实施要根据各系统间不同功能及集成关联程度，将系统各个模块进行整合，各个功能模块协同发挥作用，并基于统一平台上进行管理和操作。架构合理：就是采用先进的技术，合理构架系统，使整个系统安全平稳的运行，并具备未来良好的扩展条件。稳定性：只有稳定运行的系统，才能确保整个监控系统平稳运行，系统的技术先进性是系统高性能的保证和基础，同时可有效的减少使用人员和系统维护人员的麻烦。安全性：对系统操作人员进行权限管理，确保防止无关人员对系统的访问，确保系统的安全性。扩展性：系统在设计时充分考虑到以后系统扩容的要求，在传输和控制设备端都留有一定的扩展容量，可随时增加摄像机等前端监控设备。低成本维护量：力争有良好的性能价格比，所采用的产品应是简单、易操作、易维护、高可靠度的。3.2设计亮点组建天网（卫星遥感、无人机巡航），地网（高空视频、红外传感、视频卡口、环境探测），人网（移动单兵系统+微信公众号）立体火灾防空体系灾前：早发现、早预警、早扑灭该系统通过环境探测器采集的实时数据和系统分析模型的建立，对不同地理信息进行火险等级预警及火险预报；无线红外探测器+高空红外监控云平台可对火灾在萌芽状态时进行精确定位，实现精确打击，让火灾消除在萌芽状态。灾中：防火指挥调度结合基础地理空间数据库、XX林业防火专题数据库为应用支撑，实现三维场景下的全过程、全方位、一体化动态管理和决策辅助支撑，提供火情趋势标绘、资源分析、最优路径分析、火势蔓延模拟、火情动态报告，为风景区火灾指挥调度协助扑救提供实时智能的“电子沙盘”。灾后：灾损评估针对火灾发生后进行损失评估及档案整理，灾情损失评估对象包括：根据林相图计算出森林资源损失；计算过火范围内有哪些保护对象，根据保护对象的估计价值计算保护对象的损失。互联网+巡护可提高风景区巡护人员、灾害事件、设施管理的工作效率，实现人工巡护的全员管理、全过程控制和全方位预防，将传统人工巡护模式提升到“互联网+巡护”时代，为风景区资源管理部门提供简便、高校、先进的科技管理手段和创新管理模式。3.3技术原理3.3.1森林防火探测原理自然界中，一切高于绝对零度的物质每时每刻源源不断地向外辐射与自身性质、温度相关的电磁波能量，我们称这一现象为热辐射现象。不同温度下，物体所发出热辐射的波长不一样。热成像摄像机：通过测量目标与背景或目标各部分之间的辐射差异，将物体辐射的功率信号转换成电信号，经过放大处理形成视频图像。通俗的讲热成像摄像机的作用，将物体发出的不可见红外能量转变为人眼可识别的热图像。由于不需要借助可见光，通过被动接收物体热量而形成图像，因此又称被动红外成像。与传统摄像机类似，热成像摄像机硬件主要由光学镜头、红外探测器、信号处理系统、电组件、防护罩等构成。组成图如下：物联网红外探测器：火焰燃烧会产生红外波段的热辐射、可见光波段的光辐射和紫外波段辐射。火焰温度越高，辐射的红外线就越多。不同材质燃烧的火焰其辐射相对能力在各波段的分布各有不同，但对于含碳物质，其火焰会在中红外波段会有极高的能量分布，燃烧的二氧化碳能够有效的吸收该波段的红外辐射。碳氢化合物火焰的光谱如下图：碳氢化合物辐射光谱图另外太阳光经过大气层时，由于太阳光中附近的能量被大气层中的CO2所吸收而衰减的很大，大气中该光谱的红外线强度比较弱。太阳辐射红外光谱分布图如下图所示。因此CO2光谱附近是用于红外火焰探测的重要波段。太阳辐射红外光谱图选用CO2波长的红外传感器，可以检测出含碳物质燃烧的红外特征。添选其他波长的热释电红外传感器，采用多参数分析和数学计算技术，主要利用火焰的光信号的闪烁分析和红外光窄频阈值信号分析，可以准确的判断火焰燃烧，并有效的减少误报概率。该类型产品由传感器、视频采集器、天线、太阳能板等构成。组成图如下：3.2.2森林火险估算原理林火预报涉及的因子繁多，其中有些是稳定因子(即不变因子)，如气候区、地形地势、森林特征等；有些是不稳定因子(即可变因子)，如可燃物含水量、气象因子、火源等；在预测预报研究中应该选择哪些因子，不应该选择哪些因子，这对于精确、简便地进行林火预测预报具有决定性作用。目前在林火预报研究中常采用的主导因子是可燃物的含水量、降水量或干旱日数、相对湿度、温度和风五个因素。从我国南方林区来说，主要采用气温日较差、相对湿度、降水、连旱天数等主要气象因子。火险指标采用如下数学模型计算：式中F—火险指标；T—空气温度(℃)；H——空气相对湿度(%)。式中θ—坡度(°)。火焰长度H(m)为：式中S——飞火距璃(km)；W—可燃物负荷量(t／ha)。干旱因子：D=0.191(I＋1.04)·(N＋1)15/(3.52(N+1)15+β 式中D—干旱因子(无量纲)；I—干旱指标(mm)；N—雨后天数；P—降雨量。火险指标F取值0－100。通常F值越大，越危险。3.2.3森林火险蔓延原理一般来说，影响山火初始蔓延速度R的因素有五：1.可燃物本身的化学性质；2.着火时的可燃物干湿程度（即含水量之多寡少）；3.风速；4.可燃物的配置格局；5.地面平均坡度。美国Rothermel模型是基于能量守恒定律的物理机理模型,以均匀可燃物为基础,根据林火的热传导方程推导出林火蔓延速率.具体方程为：式中:R为林火蔓延速度(m/min)；Ir为火焰区反应强度[kJ/（min*㎡）；为林火蔓延率（无因次量）；为风速修正系数；为坡度修正系数；为可燃物的密度(kg/m³)；为有效热系数（无因次量）；为点燃单位质量的可燃物所需的热量（kJ/kg）。3.4数据参量及格式标准3.4.1基础地理空间数据主要包括地形图、DEM、行政区划图、自然保护区范围图，其中地形图是开展林火监测系统设计的基本数据，也是森林防火系统数据库中的所有空间数据参考的数学基础。地形图包括覆盖全区的1：5万地形图、局部区域1：1万或更大比例尺地形图。地形图数据的获取有两种方式：直接购买DLG数据，其中包含有等高线、高程点、河流（水系）、居民点、图廓、等地理要素及地图投影信息；购买纸质地形图后进行处理。地形数据处理过程：a.地形图扫描，将纸质地形图扫描为300dpi的图片，以图幅号命名存储。扫描过程中注意地形图摆放平整，尽量避免变形。b.地形图配准，运用georeference模块对地形图数据的四个角点配准，根据纸质地形图系统对配准后地形图定义投影。在arcgis软件中更改坐标显示方式检查地形图配准结果。DEM：利用地形数据生成DEM，或者购买测绘部门生产的DEM数据。行政区划图：采用最新的行政区划图，包括市县乡村级行政界线、各行政驻地信息。此外，九寨沟自然保护区范围图也是开展本想设计的重要地理范围约束图件。3.4.2遥感影像数据遥感影像有原始数据和校正配准后具有地理坐标的影像数据，有中高分辨率的和高分辨率的，且为栅格数据，数据量大，为提高存储、调用、显示效率，采用分块、建立影像金字塔的方式处理数据。影像分块示意图分块处理：在空间数据库采用分片策略来存储遥感影像栅格数据，即把非常大的栅格阵列分解成若干数据片，然后将这些数据片作为独立的元组分别存储到表中。影像分块存储如图4-6所示。块以BLOB类型存储，块的大小决定表的记录数，会影响系统的性能。以800×600的图像显示窗口为例，分析不同的图像分块对影像调度的效率的影响。从该表可以看出，当分块为256×256时，平均调度时间最短，效果最好。所以该数据库对遥感图像数据分块采用256×256的像素大小，然后再进行存储。表1分块策略调度效率统计分块大小每块大小/kb最大块数最小块数平均调度时间/s64*6441541300.21128*1281648350.18256*2566420120.13512*512256940.151024*10241024410.22建立影像金字塔：遥感影像建立分级金字塔后，地图可以根据显示的比例尺，加载相应级别的金字塔数据，提高数据的传输显示效率。采用ArcGIS中的BuildPyramids工具对数据库影像建立金字塔，利用双线性内插法作为建立金字塔的重采样算法，既可以保证影像输出的速度、又保证了影像的平滑性。金字塔压缩格式选择LZ77格式无损压缩。金字塔级数根据数据量大小设定，数据量越大，设定的级数越大，访问速度越快。影像金字塔结构示意热成像第四章建设方案架构设计4.1.1总体架构本次系统建设包含后台平台建设和前端传感器等设备建设，其中后台平台建设包含森林防火综合管理系统、应急指挥系统、辅助决策系统、智能云服务器、磁盘阵列、操作终端；前端传感器建设包含天网监测预警系统、地网监测预警系统、人网巡护预警系统、智慧生态云服务预警系统。天网监测预警系统包括重型数字云台、高清透雾摄像机、红外热成像摄像机、野外防护罩及其他辅助设施。地网监测预警系统由林火红外传感监测预警子系统、森林防火智能视频卡口子系统组成。人网巡护预警系统主要包括巡护管理APP林管通。整体系统的架构如下图：图4.1系统架构图卫星遥感：利用卫星进行探测林火，能够发现热点，可监测火场蔓延的情况、及时提供火场信息，用遥感手段制作森林火险预报，用卫星数字资料估算过火面积。双光谱视频监控：主要由热成像双目高清云台摄像机实现，对林区进行全天候监测，监测林区火情隐患，当有隐患发生时，通过前端摄像机进行火情识别，火点定位，气象信息采集并上传中心进行报警；也可对野生动物进行观测在白天时，可以采用可见光进行远距离的视频观测，在夜晚时，则可以采用热成像方式，进行动物观测。无人飞机定线巡航：主要由可快速拆卸和安装式无人机挂载可见光云台摄像机和热成像云台构成。无人机对林区巡查覆盖广，进度快效率高；热感技术可有效预防森林火灾、实时监测火灾形势；也可对自然灾害巡查预警，做到及时有效监测和防控；在灾害救援方面，无人机作业效率远远高于人力，能够第一时间飞入灾区获得第一手信息资料，第一时间测算受灾面积，第一时间将信息反馈回指挥系统等等。红外火灾无线探测器：物联网红外防火监测系统，作为视频监测系统的补充，用于视频监测无法覆盖的区域，实现重点林区无死角、全覆盖。该系统具备火灾自动报警和自动拍照功能；当探测到火灾时，会自动识别上报，并拍照上传至管理平台；该系统基于运营商NB-IOT网络进行无线传输，可随意组网，监控重点区域，不受地域限制。小气候环境探测器：可探测实时环境数据，为景区环境分析、气象预报、火险预测提供依据。无人值守智能卡口：通过在林区出入口位置布设监控语音一体机，对进出林林区人员进行存储录像，同时自动触发语音防火宣传，替代人工值守，达到宣传、震慑、取证的目的。巡护管理APP：针对XX林业资源的“三防”监督管理，致力于提高XX林业巡护人员、灾害事件、设施管理的工作效率，实现人工巡护的全员管理、全过程控制和全方位预防，将传统人工巡护模式提升到“互联网+巡护”时代，为XX林业管理部门提供简便、高效、先进的科技管理手段和创新管理模式。生态微信公众号：通过让社会关注生态微信公众号，可实现生态资源全民保护。4.1.2网络架构（1）可依据安全要求，外网可使用PCM安全线路，内部网不与Internet连接。（2）通过VPN网络向总站等多级、多个森林防火监控中心转发森林防火监测数据，保证数据传输的安全性、可靠性。（3）结合4G\5G无线网，极大的拓展了森林防火监测范围和实现了移动办公。（4）数据采集器可选用RS232、RS485（1.2km）、无线数传（5km）方式通信，降低通信费用。（5）利用大数据中心设备的可靠性，监测数据集中存储，保证了数据的安全性，又可以实现全天候监控。（6）可通过移动设备（手机、笔记本电脑）使用短信或者无线上网方式，进行移动监测。系统接口设计系统在接口设计方面主要考虑数据提取与汇交、数据同步、用户认证以及对外数据交换。本系统采用WebService接口技术，WebService可以将运行在Intranet/Internet分布式服务器上的应用集成在一起，使地理上分布在不同区域的计算机和设备协同工作，为用户提供各种各样的服务。利用WebService接口能够迅速的通过互联网向用户提供服务，在广泛的范围内寻找可能的合作伙伴。随着WebService技术的发展和运用，信息处理活动的重点将从目前的开发和使用应用程序过渡到开发和使用WebService，WebService将取代应用程序成为Web上的基本开发和应用实体。作为下一代Web的主流技术，WebService为真正融入Internet奠定了坚实的基础。系统提供与大数据平台的系统标准接口。整合各类数据，实现数据共享分析与资源整合。业务逻辑4.2.1数据采集森林防火系统采用的数据主要分为“灾前、灾中、灾后”三部分构成。因此，数据采集也主要围绕这3个方面进行。其中灾前预测主要由环境探测器探测的实时环境因素结合数据模型算法，实现火灾的精准预测；灾前探测是指在火险处于萌芽状态时结合红外火险探测器采集的数据与高空红外双光谱平台联动采集的数据进行结合，通过后台分析，达到精准识别火情，能够快速、有效的组织队伍进行扑救。火灾发生过程中可利用环境探测器采集的实时数据对火灾蔓延进行预测，可利用无人机对火灾现场实行精准监控及信息采集，达到精准指挥的效果。灾后可使用无人机对灾后现场进行视屏采集评估，可利用环境探测器探测实时数据进行灾后火灾复发性进行评估。4.2.2采集点部署原则本次XX市森林防火采用部署高空红外监控云平台+无线红外防火探测器+智能语音播报卡口+小气候环境探测器的模式进行建设，因此现场点位的部署显的尤为重要；本次前端部署需遵从以下原则：（1）高空红外监控云平台：升级现有监控点；新建点位需用运营商存量的基站铁塔、电源和传输，采用监控半径3KM~5KM高清透雾摄像机红外热成像摄像机重型数字云台进行监控，数量为XX套，部署位置为各山头高点。（2）无线红外防火探测器：无线红外防火探测器部署在重点防范区域、人流量密集区域、人工防护死角区域；该设备可直接安装于树干上，光能供电微功耗无需外接电源，无线自组网传输信号。（3）智能语音播报卡口：语音播报卡口主要对所控区域进行视频监控、调查取证、语音对讲、语音播报；因此，本次安装应选择在人流量密集区域、进入林区路口、重要区域。太阳能供电，本地存储，立杆安装，也可借助路灯电源安装于路灯杆等杆体上。（5）小气候环境探测器：主要用于环境监测，需安装于高、中、低林区太阳能供电微功耗无需外接电源，借助NB-IOT网络传输信号。后端显示通过云平台在指挥中心大屏幕展示系统统一进行显示。4.2.3数据传输方式前端数据主要通过传感器、热成像监控、高清视频监控进行数据采集，数据采集和传输架构如下图所示：图4.2物联网感知设备构成示意图图4.3高空视频多级传输模式示意图图4.4XX市级森林防火指挥中心大屏示意图4.2.4数据处理流程当发生火灾时，前端探测器会通过NB-IOT网络将数据和照片传送回云平台，云平台通过联通高空云台进行视频监控，启动无人机视频监控查看；同时，通过云平台报警和短信通知护林员，进行人工二次确认，若确认火灾，则对资源进行调控、对现场进行指挥，对灾后进行分析；否之，则消除火警。具体流程处理流程如下图所示：图4.3数据处理流程图4.2.5数据分析模型4.2.5.1火险灾事件虚拟现实及应急决策支持火险灾事件虚拟现实及应急决策支持，主要研究虚拟现实技术及应急决策支持功能。虚拟现实，重点研究基于三维或二维GIS地理信息的气象火险等级区域着色仿真技术，以及传感网火灾等级动画仿真技术，呈现出实时的火灾蔓延动态情形。应急决策，主要基于虚拟现实及预案，研究决策指挥所需要的功能需求，并提供应急指挥的辅助功能，包括干预方案、发出指令等功能需求。图4.4火险灾事件虚拟现实及应急决策支持研究（1）依据《QX/T77-2007森林火险气象等级》标准，实时采集中国气象网发布的目标地区的气象预报数据，研究周火险等级预测方法，分5级预测等级，按策略要求进行预报，预报方式包括在GIS地图上呈现不同着色的火险等级和通过短信方式向防火管理单位相关人员手机发送预报信息。（2）依据2008年国务院审议发布的《森林防火条例》中第十四条规定，通过已经安装的传感网防火系统实时采集火灾监测及预警信息，通过计算蔓延面积、蔓延速度、蔓延方向等，研究火灾等级分类方法，分类出四级火灾：一般森林火灾：受害森林面积在1公顷以下的。较大森林火灾：受害森林面积在1公顷以上100公顷以下的。重大森林火灾：受害森林面积在100公顷以上1000公顷以下的。特别重大森林火灾：受害森林面积在1000公顷以上的。（3）依据火险和火灾分类，研究火险灾事件分类及编码规范，对火险灾事件进行编码分类记录；研究火险灾应急处置需求及标准化流程，自动分析预案中所需人员和物资，自动生成相匹配的标准化流程式应急方案。（4）依据火险和火灾事件等级，利用虚拟现实技术研究仿真方法，利用FLASH仿真技术在GIS地图上仿真呈现火险灾的地域位置、范围、等级，以及可利用人员、物资，以及提供决策支持应急方案。（5）依据人员及决策者配置信息，以及应急方案流程要求，呼叫网关自动根据流程对相关处置人员及决策者的手机发送短信，协调应急流程的处置过程，控制流程执行及对物资的调配；同时辅以人工操作，执行处置流程或改变处置流程。图4.5项目研究总体方案4.2.5.2、森林气象火险等级预测及预报研究气象火险等级预测及预报，主要研究解决预测及预报两方面的问题。预测问题主要依据《QX/T77-2007森林火险气象等级》标准，但同时要考虑实际需求，即重点研究周火险气象预测。考虑到气象预报数据是7天连续递推发布的，且越近的预报数据越准确，要研究7天平滑递推预测算法，以保证每天预测出未来7天的火险等级。同时，要根据历史记录数据分析连续干旱、连续气温等时长信息，对火险等级进行加权计算，即连续干旱、高温时间越长，火险程度越高，对预测结论进行加权评估，最后根据标准分五级预测。气象火险预报，主要研究WEB图文预报方式及内容、GIS预报方式及内容、手机短信预报方式及内容。WEB方式主要是在信息服务平台中呈现给管理者，也可提供其他网站转载公布；GIS预报方式主要是在信息服务平台中直接呈现给管理者掌握宏观的火险分布及历史变化情况（比如连续30日、60日、120日火险走势图）手机短信预报方式主要是对高等级火险的预报，以提示管理者加强相关的防范措施。图4.6气象火险等级预测及预报研究4.2.5.3火险灾事件分类及预案匹配研究火险灾事件分类及预案匹配，主要研究事件分类编码及预案匹配算法。事件分类编码要依据事件大类、事件小类、发生区域、发生时间等因素进行编码，以便跟踪管理和历史回放信息。预案匹配，主要研究各类事件应急处置的一般环节及流程顺序，将各个处置分环节配置，重点研究匹配算法依据事件类别、季节气候、林区特点、地理环境、人员队伍、物资储备等边界条件，自动匹配生成应急方案的组成环节及流程顺序，并自动启动应急方案的前阶段流程，等待决策后干预流程及实际变化情况执行。图4.7火险灾事件分类及预案匹配研究4.2.6预警及应急管理当发生森林火灾时，系统平台将自动将森林火灾发生地点发送至预先设置手机，同时在平台进行火灾报警；当前端探测设备发生被盗或者倾斜时，系统平台会自动将设备被盗或倾斜地点发送至预先设置手机，同时在平台进行防盗报警。也可在发生森林火灾或者安全隐患时通过语音智能卡口与现场人员实行实时对讲，可多种方式提升预警预案。当森林火灾发生时，可根据系统应急管理平台实现对物资调度、人员管理、森林防火应急管理平台可协助指挥者对火灾的蔓延趋势、蔓延速度进行有限预判，能够最大限度减少森林火灾带来的后果。系统功能“智慧生态.云服务平台”主要面向林业、景区、园林、水务、城市等各个行业领域，提供森林资源监管、林火红外监测报警、防火信息管理、防火指挥调度、智能视频监控、森林巡护管理等综合业务信息化管理平台。4.3.1森林资源监管子系统基于3DGIS引擎结合二维/三维高清卫星地图、谷歌卫星地图、天地图为支撑并叠加各类森林资源，构建“森林资源监管子系统”，分别面向全国各省市、区县、乡镇、村社多级行政单位提供可视化、分级化、协同化的基础资源、森林资源、设施设备、物资人员空间地理分布数据，实时接入和动态展示人、车轨迹和实时位置信息，提供分级化的各类基础图层、资源图层、专题图层的综合展示和资源监管。图4.8森林资源监管4.3.2林火红外监测子系统整合接入红外火灾探测器、环境探测器等野外前端物联网设备及通信数据，构建“林火红外监测报警子系统”，面向全国各省市、区县、乡镇级单化、分级化、智能化的早期林火红外火灾监测报警、生态环境信息展现、物联网设备监管和业务综合应用。图4.9林火红外监测报警4.3.3防火信息管理子系统支持以多级行政区划管理、角色权限管理、部门岗位的机构分级管理、值班调度管理，构建“防火信息管理子系统”,结合二维/三维电子地图可管理部署管辖范围区的防火设施、危险源、瞭望塔、水库水池、物资仓库、物资设备、车辆人员、防火队伍、防火管护点等防火综合业务信息部署、呈现、检索和查询管理。图4.10防火信息管理4.3.4防火指挥调度子系统结合基础地理空间数据库和防火指挥专题业务数据库为应用支撑，构建“防火指挥调度子系统”，实现三维场景下的“灾前、灾中、灾后”全过程、全方位一体化动态管控和智能化“电子沙盘”模拟防火指挥的“排兵布阵”，面向全国各省市、区县及乡镇级单位用户提供火情趋势标绘、资源检索分析、气象信息接入、扑火最优路径分析、火势蔓延模拟、火情动态报告，为或爱指挥调度提供可视化、智能化、智慧化的决策辅助支持。图4.11防火指挥调度4.3.5智能视频监控子系统基于视频通讯标准协议，可整合接入厂商（部分设备需定制接入）集成高清云台视频、站点卡口视频等，构建“智能化视频监控子系统”，面向省市、区县、乡镇级单位提供可视化、分级化、共享化的视频监测、控制、联动、报警等视频监控业务服务。图4.12智能视频监控4.3.6森林巡护监管子系统主要针对森林资源“三防”监督管理，提高森林巡护人员实时监管、灾害事件及时上报、应急事件处置管理的工作效率，接入应用“林管通”APP手机端软件系统，构建“森林巡护监管子系统”，面向省市、区县、乡镇级单位提供网格化、立体化、可视化的森林巡护监管和业务大数据，为林业管理部门提供“互联网+巡护”高效管理手段。该系统功能可以并入移动单兵系统一并实施。图4.13森林巡护监管实施建议智能森林防火可依据以下系统搭配使用，组成完善的天网、地网、人系统。5.1监控中心建设监控中心的设计主要包括显示子系统、视频归档子系统、流媒体分发子系统、集中存储子系统、服务器设备等。其系统构架示意如图所示： 5.2高空红外监控云平台系统视频（热成像）监控工程，属天网监测预警系统工程，主要由重型数字云台、高清透雾摄像机、红外热成像摄像机、野外防护罩及其他辅助设施等组成，通过传输网络将视频图像传输至后台，再由平台软件进行出林烟火识别和红外热源识别，监测预警出林烟火现象。具有图像直观特点。但是，由于目前国内外的视觉智能技术还存在一定的漏报和误报现象，主要替代人工瞭望进行大范围观察。如下图所示，在林区若干个至高点安装部署高清长焦摄像机和热成像摄像机，可对方圆3-5Km范围内林区进行出林火情监测预警，以及进行人工瞭望观察。图5.1高清视频（热成像）视频组成的天网监测技术方案效果图前端设备主要包括：重型数字云台、高清透雾摄像机、红外热成像摄像机、野外防护罩、设备防盗报警、供电稳压、网络传输、基站控制、防雷接地等设备。其中，摄像机可选择3-5Km范围。建设位置考虑环境保护因素，本次高空云台建设应优先选择运营商铁塔，在运营商铁塔无法满足需求地点，应最大限度减少对环境破坏。采集数据数字云台可通过红外热成像摄像头采集物体发出的红外光谱；可通过高清摄像头采集可见光下高清影像；可通过防盗摄像机检测采集视频监控信息。网络传输高清视频监控图像质量为1080P，需要至少4Mbps网络带宽，考虑设备防盗报警及远程操作控制，最佳需要5Mbps网络带宽。目前，工程建设主要采用微波传输和光纤两种方式：1）微波传输：若监控点不是安装在通信运营商基站铁塔上或附近，单独铺设光纤传输成本较高，施工困难，主要采用微波传输技术将视频图像传输至具有光纤通信条件的处所，再租用运营商光纤网络传输到平台。但存在设备增多、雷击风险增加、维护工作增加、传输质量不稳定等不足。2)光纤传输：若监控点是安装在通信运营商基站铁塔上或附近，则可直接向通信运营商租用光纤线路进行传输，可节约微波传输设备、防雷模块及运维管理，具有传输稳定、系统简洁、投资减少、维护方便、减少雷击等优点。供电系统在景区有市电铁塔应采取220V交流电供电，在无市电区域应采用风、光互补系统进行供电。监测预警平台软件通过传输网络可获得高清视频图像和红外热成像图像，可采用视觉智能技术对出林烟火现象识别，可采用视觉智能技术对高温热源进行识别，从而实现高空天网监测预警。平常时期，可用于其他安全管控目的。设备参数子系统名称设备名称组成数据参量热成像系统重型数字云台高清透雾摄像机红外热成像摄像机野外护罩（1）热成像镜头噪声等效温差(NETD)在20mk及以下；探测器探测类型:非制冷模式；探测器分辨率：不低于640×512；热成像通道帧率；≥25fps光谱响应范围：约8~14μm；热成像镜头：75mm;热成像镜头支持自动聚焦功能；支持自动增益控制,数字图像细节增强技术，3D降噪；伪彩：支持15种伪彩；支持火点检测功能；支持温度异常报警功能，在探测温度区域中有超过预设温度时，可发出报警信号；（2）高清透雾镜头最大焦距不得小于330mm，有效像素达到200百万高清及以上；可见光支持49倍光学变焦；可见光最低照度彩色≤0.001lux，黑白≤0.0001lux；（3）超低照度网络高清摄像机支持区域遮盖功能，可在监视画面上设置不低于24个遮盖区域；支持双码流设置输出；支持区域曝光、区域聚焦功能；宽动态范围不小于95dB；支持自动聚焦、电子防抖、强光抑制、透雾功能、移动侦测；支持多码流技术，可同时输出4路码流；支持ROI感兴趣区域增强编码，主码流和子码流可分别设置8块感兴趣区域。（4）云台可通过IE浏览器设置点、线、区域测温、可设置不低于10个点、10个区域和1条线测温；旋转角度范围：水平360度，俯仰+40度~-90度；云台水平键控速度不小于180°/s；垂直键控速度：不小于50°/s；支持预置位个数不低于500个；支持巡航功能，可完成32条巡航路径，每条支持预置点128个；支持500米激光补光功能；可根据倍率及距离调节激光亮度和角度，使图像达到理想的状态；设备支持断电记忆功能；支持断网续传功能；支持数字图像3D降噪功能；（5）护罩电源电压在AC220V±30%范围内变化时，能正常工作；外壳防护等级：IP67；雷击浪涌：符合GB/T17626.5-2008中规定；静电放电抗扰度应符合GB/T17626.2-2006标准，设备处于空气放电15kv，接触放电9kv下能自行恢复；5.3物联网红外防火监测系统红外火灾探测器（1）系统概述物联网红外防火监测系统，作为热成像监测系统的补充，用于视频监测无法覆盖的区域，实现重点林区无死角、全覆盖。该系统是一种综合运用红外传感、人工智能、无线通信、视频拍照、野外供能等国际先进技术打造的无线传感网络系统，主要由红外传感网、视频拍照模块、无线环境探测器、IOT网络、云服务平台软件四部分组成。（2）点位布署规划红外火灾探测器部署需结合现场实际地理情况布署，本次在重点防控区域、人流量密集区域新增红外防火探测器。（3）系统组成整个系统是一个火险监测与预警传感网，由“红外火灾探测器”、物联网网关、物联网管理平台三部分组成，其中：传感网络：红外火灾探测器安装部署在林区内的人行道旁树木上，离地4-5m高处，每间隔50-100m距离安装部署，形成火险灾监测传感器网络。（4）系统功能1)红外火险灾监测红外火灾探测器，利用特定红外光谱探测传感器，可感知植物纤维燃烧时所释放的特定红外光谱及其闪烁特征；通过人工智能模式识别，可在100m范围内，探测到不超过2平方米面积火焰（更远距离需要更大火焰面积），并在10秒内发出预警。2)人为盗取行为感知红外火灾探测器，内置几何位置传感器，一旦安装固定并开启防盗取功能，则可感知探测器被摘取、跌落或移动等行为，通过传感网络发出人为盗取探测器预警，可主动掌握探测器被摘取、跌落或移动等现象。3)光能供电红外火灾探测器，内置高能锂离子电池，最大生命周期10年；外置太阳能电池供电探测器为微功耗设计，工作电流为uA级，常年由太阳能供电工作，当太阳能不足时由内置高能锂离子电池后备供电。若内置电池供电不足，探测器将发出预警信息。4)传输方式红外火灾探测器，通过最新的NBIOT物联网进行数据传输。5)系统特点本系统综合运用红外传感、传感器网络、物联网、云计算等技术，针对林区高火险区域进行精细化火险灾监测与预警，主要有以下特点：A.精细测控林区周界是高火险区域，系统采用红外传感网技术，全覆盖林区周界区域，可天全候监测林下火险灾现象，使早期火患能够被精准发现，及时预警，与视频监控进行有效互补。B.早期预警红外传感网可在10秒内感知火险灾现象，可识别初燃林火，并且可自动拍照，及时发出预警信息，可防止或避免火险演变为火灾，真正实现“早发现、早预警、早扑救”的根本目的。设备参数物联网红外防火监测系统红外火灾探测器探测技术：红外光谱+火灾识别算法；光学滤光：稀土玻璃窗口，红外光的透光率达92%以上；红外通道：3.9-4.0um波长；探测视场：≤110°；探测距离：≤100m；探测面积：≤15亩；响应速度：≤15秒；传输方式：NB-IOT长效供电：1.2W、6V单晶硅光能电池；后备供电：3.6V高能锂电池；防盗传感器：夹角变化≥-10°盗取或掉落报警；光照传感器：0~65618lux防护等级：IP67外壳材质：压铸铝合金ADC12拍照取证像素：30万像素5.4卡口监控及语音播报系统（1）系统概述卡口建设对进入林区的人员进行录像监控，利用视频识别技术，自动发现进出人员，同时触发内置的语音播报系统对进出林区的人员进行防火宣传播报，有效替代人工值守宣传，达到宣传、震慑、事后取证的目的。（2）点位建设本次点位建设于进入林区出入口、人流量密集区域，达到检测、预警功能。（3）网络传输卡口监控系统的信号传输可采用4G无线传输和光纤传输，在无4G信号和不重要区域采用本地存储方式。（4）系统特点设备采用市电和太阳能供电、使用4G信号进行图像传输室外球式摄像机，无需架设网络，可有效降低施工成本和时间。支持P2P远