森林对保持大气成分平衡、动物群落繁衍、保持水土等起着重要作用，是构成地球生物圈重要环节，也是地球上的基因库、碳贮库、蓄水库和能源库，更是人类赖以生存和发展的资源和环境，对维系整个地球的生态平衡起着至关重要的作用。但如此宝贵的生态资源却常常因为一个小小的火花而付之一炬，袅袅青烟过后仅留下一片狼藉的土地，给人类的家园带来难以抚平的伤痛，森林毁坏的背后是植被的破坏和土地的贫瘠，损失了森林资源不说，还附带烟、灰尘等环境污染，也给林地的恢复带来极大的困难。

　　我国是一个森林覆盖率极低却又频发森林灾害的国家，为保护有限的森林资源，中央和各地方政府都对森林保护工作给予了很大的重视，尤其是对东北、西南等森林资源较丰富地区的政策保护。北京携远天成技术有限公司副总工程师张震说：“目前森林安防的普及程度很广泛，森林作为重要资源，国家重视程度很高，很多重要林区都有安防部署。”

　　多年来，我国不断探寻森林保护措施。进入安防时代，各种安防技术开始武装起来，坚守森林的每一个角落。针对森林防护的特殊性，防火成了森林监控的首要任务，目的就是要预测和在林火的萌芽阶段将其扑灭，让星星之火无法“燎”原。“随着技术的进步，安防设备除了防火外，还可对落叶、野生动物、害虫、林区环境等进行监测和林业管理。”深圳紫光积阳科技有限公司市场经理李辉琼如是说。下面，请随笔者走进森林一起进行安防探秘。

　　山高一尺，技高一丈

　　森林所在之处，多为人迹罕至之所，甚至是深山老林，或地势高低不一，或迷雾缭绕，恶劣的环境条件给森林安防带来了很大的困难，对安防技术、设备的要求自是不言而喻，需要应用到各种复杂的技术手段来协同完成，以达到最佳监控效果，“涉及到监控技术、网络技术、地理空间技术、遥感技术、通讯技术、全球定位技术等，在这些先进的技术支持下，森林安防才能及时、准确掌握火情，实现森林防火的动态管理。”加创安防系统(中国)有限公司红外工程师文华指出。

　　全方位林火探测

　　森林地貌复杂，虽不会轻易起火，但由于森林面积大，且连绵不绝，一旦发生火灾，将会殃及周边的林木，造成大面积的林火灾害，而且灭火极其困难，带来的损失将不可估量，因此，森林安防重在防火。加创安防文华说：“由于森林火灾受天气的影响较大，具有很大的随机性和突发性，一旦发现不及时，就会给后续的扑救工作带来难度，甚至会是无法挽回的损失。因此，采用先进技术来加强森林防火的监测工作，将火险控制在萌芽状态，是森林防火管理的最大要求。”

　　林火监测的目的是要预警或将火源控制在源头。就目前技术水平来说，林火的预警还无法做到能事先预测何时、何地会发生火灾，将发生多大级别的火情等信息，但可以通过相应的温湿度等的监测来预测何种情况下容易引发森林大火，进而在林火易发期间加强安防监控。因此，对林火的探测成了当前森林安防的主要工作。通过多年的发展，林火的探测系统已经发展成一个立体式的防控网。

　　1、卫星遥感——千里之上探其火源

　　卫星遥感技术具有覆盖面广、分辨率高、时效性强的特点，它可以识别红外热点、地理位置、卫星定位等，扫面宽度达到2300公里，精度高，可做到从几十厘米到1米半径的最低探测范围的温差识别。卫星遥感系统可通过林业局的授权账户，直接与国家林业局森林火灾卫星遥感监控系统对接，减少了由国家局到省、由省到地市、再由地市到县区的信息处理与下发环节，有效地节省报警时间，充分共享现有资源，可提高效率并降低成本。

　　2、视频监控在跨越

　　鉴于卫星遥感技术专用于森林安防的意义有限，于是视频监控技术成为森林防护的主力。森林防火项目中的视频监控点设置一般都比较孤立，而且一个点就要监控方圆几公里的范围，对摄像机的要求很高，需要采用高清设备。携远天成张震建议：“森林安防采集设备应选择1/2〃的CCD感光元件来截取高清图像，并配以200、300、500毫米甚至更大的镜头，使监控距离最远可达3公里以上。尽量选择分辨率高的摄像机，并配以长焦镜头，这样才可获取清晰度高的图像，利于人眼和软件对林火的识别，降低误报率。

图1 森林防火视频监控系统拓扑图[nextpage]

　　要实现一个监控点对方圆数公里区域的监测，还要配置运行精度良好的云台，深圳紫光积阳科技有限公司销售工程师李辉琼介绍说：“云台要带数字回显功能，云台的精度要求越高越好，速度越慢越好，如一公里的监视距离，云台每转动一度，空间跨度达到十七米多，如果摄像机总是以每秒一度的速度转动，监控距离越远跨度越大，就会造成越多的监控盲区。”针对森林大范围扫描的不足，紫光积阳对云台开发了“苹果皮扫描”功能，假设设备可监控距离为十公里，但不可能对十公里的区域同时监控，这时，可每一公里距离设一圈预置位，监控距离每增加一公里就增设一定数额预置位，摄像机一圈一圈地轮巡，将每一个点位的图像都记录并回传，这样，在有效监控范围内实现了全方位扫描，可杜绝监控盲点。云台除了要做到高精度轮巡外，还要具备良好的抗抖动功能。深圳市科安信实业有限公司市场总监王刚说：“画面抖动性是目前较为困扰的问题，球型转台的空风性能是目前最好的云台产品，其齿轮间隙也是普通云台无法比拟的，稳定性好。但昂贵的造价是其普及的一大障碍。”

　　林区容易产生雾气，尤其是地势较低的谷底，要求前端采集设备具备良好的透雾功能。可采用高清晰度透雾摄像机，并配备电动长焦距大变倍透雾镜头，利用近红外光线可绕射微小颗粒原理，在薄雾天气采用近红外滤色片、镀膜技术及电子图像增强技术，增强摄像机对雾气的穿透能力，使监控距离达到能见度的1.5倍以上。

　　森林防护要求做到全天候监控，在夜间、低照度环境下也能进行图像呈现并判断火情。在此要求下，被动红外热成像技术扮演起森林防护的夜间卫士。红外热成像技术是一种利用靠接收目标的自身辐射红外光而成像的技术，采用能够探测极微小温差的传感器，可以将温差转换成实时视频图像进行显示，不需要辅助光源或自然光照射目标，利用环境温度差异成像，辅以配套软件分析图像，因此分析精确度较高。加创文华认为：“将红外热像仪和先进的计算机软件管理平台结合起来，可以实现对林区的自动监控、烟火自动识别、灾害位置的自动定位等功能。这种监测方法能够大大减轻望员的工作强度，不仅能及时准确地发现林火、火灾分布和蔓延速度，还能配合自动摄像设备拍下火场实像。”利用热成像技术的原理，手提式红外热成像仪可轻松发现未被扑灭的隐火，作为辅助扑灭余火的重要技术手段;若将红外热成像仪架设在飞机上，还可进行巡护和火情跟踪监测。此外，激光的有效探视距离为三公里，可将其应用于低照度环境监测，为摄像机的图像采集提供强有力的支持。

　　前端设备完成图像采集并回传后，可由监控人员用肉眼来分析林场情况，但由于人的精力有限，容易发生漏报现象，于是，图像自动分析系统为森林防护实现无人值守注入了一剂强心剂。对图像的自动识别软件可安装在前端摄像机/服务器，也可安装在后端平台，当系统收到从前端回传的图片后，自动启动相应的计算分析程序，然后根据数据库火焰光谱或火焰跳动模型与图像比对判别林场是否发生异常情况。要实现精确的图像自动识别，一是要提供高清晰度的图像资料，这由前端设备所决定。二是建立一个完整的数据库，比如对林火、烟雾的识别，携远天成张震指出：“要实现准确、可靠的智能视频分析，建模是关键。智能视频分析需要依靠计算机系统模型，如烟、树叶、火的模型，通过计算机系统分析出图片中的‘火’、‘烟’等信息，如果没有冒烟，或建立的‘烟’模不全，计算机将无法识别，进而出现漏报、误报情形。”紫光积阳通过软件提高系统对林火识别的精度，当显示器上“火源”的显示面积达到50个像素时，林火就识别并报警。三是系统的云计算能力，森林防火需要一个囊括森林的地形、树木等情况的强大数据库，系统要在短时间内精确实现图像自动识别功能，需要调阅并比对庞大的数据库，只有提升计算机的数据处理能力，才能提高系统的识别精度和速率。

　　3、给森林织张网

　　现在物联网技术正在兴起，有专家提出了森林物联网防护的概念，即采用价格便宜的烟感传感器作为森林防控设备，每个烟感传感器大概可监测方圆200米范围，将其布及到森林的各个监控点，形成一张庞大的森林监控网络。当传感器感测到烟时将通过其GPS定位器向监控人员发出报警。森林物联网的优势很明显，可以迅速、精确监测到烟雾并及时报警，价格低，应用简便。但其劣势也很突出，当监测到非火灾产生的烟雾时就有会误报;其防盗性差;由于布控网点多，维护量大，维护困难;只能获取报警信息，无法监看到事发图像等。

　　森林监控是一项艰巨的工程，由于其特殊性，任何先进技术都不可能做到百分百的准确监控，卫星、飞机的高空监测受空间运行和成本的限制，视频监测受限于监控距离、图像识别、烟雾穿透能力等的制约，烟感物联网探测精确度和获取的信息有限，无论哪一种探测技术，自身都存在不足。森林防护，监测居首，没有监测或监测不到位，任何高效的补救措施都无法弥补灾害造成的损失，所以，针对各技术的特点，可选择综合应用的方案，将卫星、视频监控等技术结合起来，通过多手段提高监控效率。

　　无线穿越万重山

　　森林监控的目的是要让监控人员实时了解到林场的情况，但“森林监控点位置偏僻，网络铺设不到，因此，传输成为安防工程的一大难点。根据森林山区的特殊性，在高山布线不但成本高，而且架设也不方便，施工难度较大，因而采用有线的传输方式是不太现实的，无线传输方式成为多数工程的首选方案。”山东神戎电子股份有限公司副总工程师陈大明说道。

　　携远天成张震介绍说：“无线传输方案，早期的视频图像通过模拟微波传输，带宽低(2〜4Mbps)，不可管理，并且为了提高模拟微波的传输能力，往往选用绕射能力强的低频波段，还需要在当地无线委会进行申请和审批。随着技术的发展，凭借数字化、可管理、高带宽等一系列优势，数字微波已逐步替代模拟微波系统;现在采用802.11n协议的无线网桥，带宽达到300Mbps，当传输距离为10KM时，实际传输带宽值可达50Mbps，可同时传输50路D1/1Mbps码流的图像。”数字微波扛起了森林传输应用的大旗。

　　微波图像传输系统，采用频分多址方式构成视频监控网。摄像机将现场的图像拍摄下来送到发射机，发射机用指定频率送到发射天线，经天线辐射后，到达报警中心的接收天线，进入接收机，通过接收机输出视频信号进入监控中心的监视器，实现实时图像监控的目的。目前单一无线网桥可以做到30公里的有效传输距离，扩频微波理论值可达到80-100公里，实际可以传输50公里，在森林防火中一般采用无线网桥进行监控画面的远程回传，携远天成基于WiFi技术的无线网桥，使用TCP/IP协议，无线频段为2.4Ghz和5.8Ghz，在安全性上，采用802.11i国际标准的安全技术，使用WDS方案与WPA / WPA2-PSK等，均极大提高了系统的安全等级。但由于数字微波无线传输技术具有直线传播的特性，易受高山、树木等障碍物的遮挡，所以信号发射塔一般建在山顶等制高点，深圳奥尼克斯实业有限公司技术支持工程师吕亮指出，采用数字微波传输时，在发射与接收天线之间，要尽量避免遮挡，如果避不开遮挡，则可以找一个对发射和接收都可视的第三点，以完成信号中继。[nextpage]

　　3G技术是目前国内正在全面推广的数据传输技术，也可作森林无线传输应用。由运营商在森林中增设网络基站，开通传输专网，为森林监控信息的传输开通专用通道，避免带宽的商业占用，提高传输效率。在网络环境优良的情况下，3G可做到10Gbps左右的传输速率，完全可以满足森林监控需求，而且，采用3G无线传输方式，可实现前端存储与实时传输同时进行，便于网络中断时的图像记录。3G无线传输技术正在逐步成熟，但其按流量收费，相对于数字微波的一次性投入来说，后续应用成本极大制约了3G技术的应用。

　　数据的传输还可以采用无线技术与有线技术结合的方式。可将多路数据汇集到一处，然后通过光纤等有线渠道回传到监控中心，多种方式配合，增强信息的处理速度。

　　无中生电

　　森林监控前端包括摄像机、云台控制系统、无线发射前端机和发射天线等系统，皆需要提供电能才能工作，没有电，监控将形同虚设。在人迹罕至的森林中，森林监控系统很难接入民用电网或工业电网，取电成了森林监控的一大难题，一般采用采用风光互补方式取电，如果是常遇阴雨连绵季节的南方，还要根据设备功耗来设计供电系统，可先储存电量以备极端环境使用。紫光积阳科技李辉琼介绍说：“风光所得到的电能是直流电，从蓄电池出来的电也是直流电，但很多设备却采用交流电供电方式，我们在把电从直流转交流的过程中，会有百分之二十到百分之三十的电能损耗，所以，整套前端监控系统应尽量采用统一的支持直流供电方式的设备，包括摄像机、云台、激光、视频服务器、无线微波等。直流转交流的关键在于逆变器，但无论逆变器性能多好，电能的损耗还是会有的，所以最好就是要采用统一的设备。解决采用统一供电方式设备的问题不难实现，关键是需要各个厂家加强合作。”

　　拒绝“雷”倒

　　高处，除了不胜寒之外，还要经受遭雷电的袭击。森林安防前端监控系统就遭受这样的境遇。为了满足监控视角和传输需要，监控系统一般都要安装于山顶或架设在高塔上，雷雨天气易遭受雷击，所以必须做好防雷保护。

　　雷击防护包括直击雷和感应雷，直击雷需要加装避雷针，利用其高出被保护物的突出地位，把雷电引向自身，然后通过引下线和接地装置，把雷电流泄入大地，从而保护监控系统不受损坏;感应雷是对设备的防护，如采用三合一防雷器等，在雷电通过线路到达设备之前将线路的保险丝断开，起到对设备的保护作用。

　　联动见成效

　　森林安防前端监测系统作为采集设备，所能提供的仅是监控图像等信息，不能智能化告警，还有待后端平台系统与之联动方能形成一套完善的森林安防系统。

　　3S互动

　　3S系统是指遥感技术(Remote Sensing，RS)，卫星、飞机、气球等通过遥感技术探测地表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物体的信息，完成远距离的物体识别;地理信息系统(Geographical information System，GIS)，通过计算机屏幕能把所有的信息逼真地再现到地图或遥感相片上，成为信息可视化工具，清晰直观地表现出信息的规律和分析结果，同时还能动态地在屏幕上监督“信息”的变化;全球定位系统(Global Positioning System，GPS)，能在任何时间向地球上任何地点的用户提供高精度的位置、速度、时间信息，或给用户提供其邻近者信息。

　　当系统判断出森林出现灾情之后，自动启动遥感系统，以获取更准确的灾情信息，同时在GIS地图上将灾情的地理位置显示出来，联动前端监控点摄像机，根据摄像机的数字回显功能和经纬度、高度等信息计算出事发点的确切地理位置，并保持摄像机追踪监控，在平台上将信息直观地呈现出来。

　　系统在平台上进行定位的同时，向监控人员发出警报，启动相应的应急指挥联动系统，搜集事发点附近的救火队、负责人、扑火设备、最佳救火路线、最近的水源位置等信息，还要与视频监控结合。通过应急指挥系统实现应急指挥、远程电视电话会议、预案发布以及将处理方案及时远程部署到责任人，通过通讯设备及GPS全球定位系统引导林业单兵系统赶赴现场，系统还自动根据当地的温湿度、风向等判断火的蔓延方向和速度，以及造成的损失等。深圳特力康科技有限公司范经理阐述道：“系统可根据林区的具体情况划分片区，实现分区监控、集中监控等多级监控指挥模式，各分区监控中心与林区监控中心之间、林区监控中心与林业管理监控中心之间、林区监控中心与武警监控中心之间实现音/视频信息的传输共享，形成多级管理部门、多个管理机构之间协调一致地工作。”

　　辅助林业管理

　　在GIS地图上，通过植被模块将各种不同的树“种”在地图上，也可将虫害等数据输入地图中，然后在地图上直观地显示出来。通过森林安防监控系统可对生态林、公益林进行监测，比如通过视频直观了解病虫害信息，将数据输入系统后得出林业管理数据库，依据统计数据便于对森林的管理。

　　成长在延续

　　随着近年来森林火灾事故的频发，森林安防越来越受到国家的重视，同时也为森林开发并配置了很多先进技术/设备，比如透雾高清摄像机、林火识别软件、数字回显云台等，但通过目前已实施的项目的反馈数据中，我们了解到目前森林安防技术还存在不足：红外技术还受制于国外，自主研发产品的水平还不足以满足森林低照度超远距离成像的需求;系统自动林火识别的精度还不高;图像清晰度、透雾等也达不到最佳要求等。

　　正是当前存在的这些不足，促使森林安防技术的探索还在延续，山东神戎陈大明认为：“未来森林安防系统以数字化、网络化视频监控为基础，能够实现无人值守不间断工作：自动对视频图像信息进行分析判断;及时发现监控区域内的异常信息并告警;能有效的协助消防人员处理火灾危机，并最大限度的降低误报和漏报现象;还可查看现场实时图像，根据直观的画面直接指挥调度救火。即实现高端的视频监控智能化应用。”