森林防火图像监控系统的组成

        森林防火图像监控系统一般来说有三大部分组成，它们分别是前端图像和信息采集部分、传输部分、监控(指挥)中心部分。其基本的结构示意图如下：

　　图像和信息采集部分

　　森林防火监控图像和信息采集部分由位于前端的摄像机、镜头、云台和护罩、解码器、稳压电源、图象编码设备(或光端机)和其他扩展设备组成。由于该部分处于高山森林深处，环境状况比较恶劣，所以在设备选择和施工中比普通的图像监控要求严格。

　　摄像机

　　摄像机是系统的眼睛，摄像机的选用直接关系到采集图像的效果。图像采集过程中云台旋转形成的光照变化、山地情况复杂、背光以及兼顾夜间成像的需要，考虑到红外热像仪成像质量差、寿命短造价高等特点，宜采用低照度宽动态的彩色CCD摄像机。

　　镜头

　　由于森林面积广大，监控点的数量有限，通常要求一个监控点要有3-5公里甚至更远范围监控半径，需要采用一定倍数的变焦镜头。根据我们在森林防火监控系统中的经验，大焦距的变焦镜头由于安装铁塔的抖动，在大变倍情况下聚焦成像较为困难，而且长焦距镜头通光量差，不利于低照度下的成像，同时由于长焦距镜头价格昂贵，性价比低，不建议采用焦距超过300mm的镜头，如果对镜头焦距确有要求一般以200mm为宜。

　　云台和护罩

　　由于森林监控点的位置比较偏远，所以云台的选取主要考虑其可靠，耐用，稳定性。考虑到高山气候条件恶劣，风大，所以抗风能力上，云台的负载要有足够的余量。为了操控的灵活性，建议选取带有预置位的云台，以实现对林区火灾事故多发地区和重点地区的监视监控。在有GIS系统的防火监控系统中，还要求云台具有角度指示功能。防护罩要容得下长焦距镜头和摄像机，而且要由雨刷和恒温装置。

　　解码器

　　解码器的选择，以符合云台和摄像机的控制要求为主，控制接口以422或485为主，不建议选择232控制接口类型。由于环境恶劣，不管有没有设备机箱机房，解码器的配备最好是室外型的，以保证设备的低故障率。

　　电源系统

　　考虑到系统的可靠和稳定，前端电源应该尽量采用市电供电，选择具体的监控点时，除了监视范围的需要以外，还要考虑尽量选择在有电源或附近地区有电源的山头上。一般不建议采用太阳能供电或太阳能和风力联合供电的模式。

　　由于市电波动大，干扰多，为了有效的保证前端监控设备的稳定及安全，系统监控点前端要求配备了稳压电源。考虑到监控点的气候条件和抗雷击能力的需要，传统的稳压电源无法胜任，选择参数稳压电源。\r\n参数稳压电源采用了磁饱和恒压原理，双向抗干扰能力是目前各类稳压器中之最强者，能有效地滤除电网和负载所产生的各种频率的正负脉冲和浪涌电压的冲击，具有特别强的过载能力，并且负载短路或内部元件损坏时具有自动保护特性，并且具有较强的抗雷击能力。机内无有源器件，故障率很低、寿命长、运行可靠，可视为半永久性设备，特别适合象林业监控系统电源提供多为农电，电压波动比较大的场合。

　　编码设备

　　摄像机输出的是模拟信号，为了方便传输和中心数字化网络化的需求，需要把模拟的图像信号转换成数字信息码流，这就需要模/数转换的视频编码器。兼顾传输带宽和图像清晰度的要求，并考虑到信息在中心处理、存储、传输和操作，森林防火监控中图像压缩技术多以MPEG4的处理方式为主。同时，基于MPEG4视频编码设备具有丰富的报警、控制、音视频接口，可以方便的接入前端其他辅助设备的信号。

　　其他辅助设施

　　森林监控系统的前端大部分设置在荒郊野外且无人职守，为了设备安全，要求在前端的监视点设置报警探头和喊话装置。为实时了解森林地区的气象条件，在前端监控点也会安装气象采集装置，采集当地森林的温度、湿度、气压、风向、风速等气象信息。

[nextpage]　　传输部分

　　图像传输不外乎两种方式，光纤和微波。光纤作为传输载体，具有传输容量大，传输信号稳定，不容易被雷击等优点，但是由于是有线传输，在森林防火的施工中铺设光缆，施工难度大、施工周期长且容易遭到破坏，一般用在传输距离较近的监控点。\r\n微波具有施工方便，安装灵活，造价低等优点。尤其在森林监控中，大多数监控点位于山顶，克服了微波视距传输受地球曲率的影响的缺点，在远距离的森林防火监控中被广泛的使用。\r\n传统的模拟微波由于占用频谱宽，易于受到干扰，且传输的模拟图像不利于后续的监控中心操作与处理，在森林防火中的应用很少。\r\n数字扩频微波传输容量大，传输性能稳定，不易受到干扰，数字化线路的传输适合现代安防技术网络化数字化的发展趋势，尤其是2.4G和5.8G开放波段的数字扩频微波设备，频率无需申请即可使用。所以在森林防火监控系统中，远距离的监控点的传输方式以开放波段的数字扩频微波为主。

　　控制指挥中心部分\r\n监控中心作为林业护林防火的控制和指挥调度中心，它的性能设计优良不仅关系到系统各个功能的实现，而且直接关系到整个系统的正常运行。它的建设不仅要满足目前的系统需求，而且还要有一定的前瞻性，要充分考虑日后系统扩容以及和上级部门的联网联动。

　　监控中心的建设是以数字化和网络化为基础，各个服务器个和管理计算机以及解码器都是通过中心的核心交换机连接在一起。基于IP方式的连接可以方便的进行扩容和联网，并且适合大的数据流传输和高速处理。其结构示意图如下：

　　前端信息码流通过传输线路连接到中心的网络交换机，交换机将这些信息转发给视频控制服务器，视频控制软件平台可以对视频流媒体进行解压显示，并且可以通过软件本身的功能对前端云台进行控制。当前端有报警信息时，也由控制服务其来处理。

　　当有触发条件触发录像，或人们手动选择录像时，视频控制服务器就会把对应的录像视频流保存到录像服务器的硬盘中。今后可以方便的对存储的图像信息进行回放、删除、拷贝、存档等处理。\r\n视频控制服务器通过网络把视频码流和对应的角度信息发给林火报警服务器，林火报警软件就会高速的分析视频信息，判断是否有着火点，一旦软件确定有火情，就会发出报警信息，提醒相关人员，同时通过视频控制服务器向发现火情的云台发出停止动作的指令，当值班人员确定火情后，报警信息服务器就会把相应的火点方位信息发给GIS服务器。

　　GIS服务器接收到林火报警服务器发给的角度信息后，就会在电子地图上以醒目的符号或标识标注着火点的位置，同时提供出从附近的护林点到起火点的最佳路线，为救火灭火赢得时间。

　　视频控制服务器可以将前端的视频码流转发到连接在网络中的视频解码器，解码器将这些码流还原成模拟的视频信号，然后输入到视频矩阵或者直接显示到电视墙和监视器上。矩阵的控制信息也可以通过一定的方式，连接到视频控制服务器，或者通过视频解码器直接发给监控点的控制解码器，这样通过控制键盘就可以对远端的视频监控点进行摄像机的旋转、变焦等等一系列的控制，控制方式更加简单灵活。

　　前端的气象站，采集的气象信息通过传输线路和中心的网络直接传给气象信息服务器，服务可以直接显示出当地的风速、风向、温度、湿度等气象信息，同时还根据相应的规则，计算出森林火险气象等级，为森林火灾做出预警。

　　由于中心的网络化设计，可以通过增加前端监控点和相应的图像解码器完成系统的扩容，而中心部分几乎不需要做什么变动。同时，视频服务器的存在，可以在和上级部门联网时，直接转发视频码流，避免了传统的模拟图像联网的二次压缩问题。上级的控制也可以通过对中心的视频服务器来完成。整个系统的设计大大方便了系统的扩展和联网。

[nextpage]　　系统的接地和防雷

　　接地和防雷是现今森林防火安防工程中的一个薄弱环节，尤其是前端图像采集和传输系统部分位于高山野外，这些环节的防雷避雷是森林防火安防工程中的一个重要的难点问题，它的解决好坏直接关系到前端图像采集的稳定和可靠，也关系到整个防火监控工程的成败，这里我们把它作为一个独立的部分加以介绍。

　　一个完整的防雷系统包括直接雷击的防护、感应雷击的防护、屏蔽、等地位、均压处理、接地等几个方面，缺少任何一方面都是不完整的、有缺陷的和有潜在危险的。

　　1.前端图像采集部分设备的防雷。前端设备有室外和室内安装两种情况，安装在室内的设备一般不会遭受直击雷击，但需考虑防止雷电过电压对设备的侵害，而室外的设备则同时需考虑防止直击雷击。

　　前端设备应置于接闪器(避雷针或其它接闪导体)的有效保护范围之内。当云台独立架设时，避雷针最好距设备3-4米的距离。如有困难，避雷针也可以架设在云台的支撑杆上，引下线可直接利用金属杆本身或选用Φ 8的镀锌圆钢。为防止电磁感应，沿杆引上设备的电源线和信号线应穿金属管屏蔽。为防止雷电波沿线路侵入前端设备，应在设备前的每条线路上加装合适的避雷器，如电源线、视频线、信号线和云台控制线。摄像机的电源一般使用AC220V或DC12V。摄像机由直流变压器供电的，单相电源避雷器应串联或并联在直流变压器前端，如直流电源传输距离大于15米，则摄像机端还应串接低压直流避雷器。信号线传输距离长，耐压水平低，极易感应雷电流而损坏设备，为了将雷电流从信号传输线传导入地，信号过电压保护器须快速响应，在设计信号传输线的保护时必须考虑信号的传输速率、信号电平，启动电压以及雷电通量等参数。室外的前端设备应有良好的接地，接地电阻小于4欧姆，高土壤电阻率地区可适当放宽。

　　2.传输光缆和电源线路的防雷。电源线路一般分架空传输和地埋敷设两种方式，从防雷角看，地埋敷设方式防雷效果较佳。架空线最容易遭受雷击，并且破坏性大，波及范围广，为避免首尾端设备损坏，架空线传输时应在每一电杆上做接地处理，架空线缆的吊线和架空线缆线路中的金属管道均应接地。

　　传输线埋地敷设并不能阻止雷击设备的发生，大量的事实显示，雷击造成埋地线缆故障，大约占总故障的30%左右，即使雷击比较远的地方，也仍然会有部分雷电流流入电缆。所以采用带屏蔽层的线缆或线缆穿钢管埋地敷设，保持钢管的电气连通，对防护电磁干扰和电磁感应非常有效，这主要是由于金属管的屏蔽作用和雷电流的集肤效应。如电缆全程穿金属管有困难时，可在电缆进入终端和前端设备前穿金属管埋地引入，但埋地长度不得小于15米，在入户端将电缆金属外皮、钢管同防雷接地装置可靠相连。

　　各监控点到中心机房如果采用光纤传输，光纤本身是不传递雷电的,但是在光纤接入终端设备以前，光缆的金属加强筋应做好接地处理。

        3.监控中心设备的防雷。监控室的防雷应从直击雷防护、雷电波侵入、等电位连接和电涌保护多方面进行。监控室所在建筑物应有防直击雷的避雷针、避雷带或避雷网。其防雷措施应符合有关雷击保护的规定。

        进入监控室的各种金属管线应接到防感应雷的接地装置上。架空电缆线直接引入时，在入户处应加装避雷器，并将线缆金属护层及自承钢索接地。

　　监控室内应设置一等电位连接母板，该等电位连接母线应与建筑物防雷接地、PE线、设备保护地、防静电地等连接到一起防止危险的电位差。各种电涌保护器的接地线应以最直和最短的距离与等电位连接母排进行电气连接。

　　由于大多数雷击高电位是从电源线侵入的，为保证设备安全，一般电源上应设置三级避雷保护。在视频传输线、信号控制线，入侵报警信号线进入前端设备之前或进入中心控制台前应加装相应的避雷保护器。

　　良好的接地是防雷中至关重要的一环，接地电阻值越小过电压值越低。监控中心采用专用接地装置时，其接地电阻不得大于4Ω。采用综合接地网时，其接地电阻要小于1Ω。

[nextpage]　　系统功能

　　1、实现了对森林状况实时的大面积的图像监控。前端的大变倍摄像机和自动巡航功能云台的使用，可以实时的将前端森林状况传回到监控指挥中心，同时中心人员可以遥控前端摄像机云台动作，对局部地区进行重点审视，对出现的森林树木盗砍盗伐、森林病虫害等问题和可能的火灾隐患及时发现。

　　2、可以方便的保存前端森林图像及其他相关信息。控制指挥中心的录像服务器可以方便的保存森林图像信息，尤其是在森林火灾发生的时候，现场图像信息的保存，可以作为重要的资料文档记录，方便日后的查询，对日后的森林火灾的分析、扑救也有积极的指导意义。相关服务器和设备同时也可以对其他的相关森林信息进行保存分析。

　　3、林火的自动报警。安装在监控指挥中心的林火自动报警软件可以自动高速的处理前端回传的森林图像信息，对画面中出现的烟、火等火灾信息发出声、光、电等报警信息，提醒中心值班人员。该软件在森林防火安防系统中的应用大大降低了中心人员的劳动强度，把中心工作人员从枯燥的图像监控中解放出来，实现了林火报警的智能化和自动化。

　　4、林火的自动定位功能。GIS地理信息决策系统的应用可以在火灾发生的时候，快速的定位火灾发生的地点，为防火灭火人员提供最佳的一条或几条灭火路径，同时这些信息通过中心的显示系统在电子地图上显示出来，为森林火灾的扑火灭火赢得宝贵的时间。

　　5、森林火灾预警功能。安装在信息采集端的气象信息采集系统，可以更加真实的提供当前森林的气象信息状况，相应的气象服务器可以通过分析这些信息得出更加可靠森林的火灾指数和火灾等级。

　　6、前端信息采集部分的防盗报警功能。系统的前端大部分设置在荒郊野外且无人职守，为了防止盗窃和破坏，有时会要求前端的监视点设置双鉴报警探头，一旦有人靠近设备，设备将以声光方式自动报警，同时报警信息直接传回监控中心，监控中心接到报警以后，还可以通过喊话装置利用前端的高音喇叭对现场进行喊话。

　　7、扩展功能。中心采用了数字化和网络化的设计，可以方便的进行系统容量扩大、系统功能的升级和上级森林防火功能的联网。同时由于中心的完善的基础设施，完全可以作为电视会议和其他多功能的会议中心，使监控指挥中心成为一个综合性的多功能的中心。

　　发展方向

　　带有林火报警和GIS功能的安防系统是森林防火中的两大要求和发展方向， 随着以信息技术和电子技术为核心的安防技术的不断发展，两大功能在安防系统中的融合与完善，安防系统必将在森林防火系统中发挥更加积极的作用。