基于邊緣計(jì)算的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

張科¹，葉影¹，張紅²

1?浙江省林業(yè)技術(shù)推廣總站（浙江省林業(yè)信息宣傳中心），浙江 杭州 310020

2?北京航天泰坦科技股份有限公司，北京 100071

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摘要：云計(jì)算和圖像處理技術(shù)的應(yīng)用極大地改變了森林火警監(jiān)測(cè)的方式。基于云架構(gòu)的森林火警監(jiān)測(cè)技術(shù)在檢測(cè)實(shí)時(shí)性和圖像算法可配置性方面均存在不足。為了解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于邊緣計(jì)算的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用邊緣計(jì)算的方式，利用森林監(jiān)測(cè)站的邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器執(zhí)行火災(zāi)檢測(cè)的圖像處理任務(wù)，提高了火災(zāi)檢測(cè)和預(yù)警的實(shí)時(shí)性。另外，系統(tǒng)引入了算法重配置的功能模塊，以便火災(zāi)識(shí)別算法的迭代與更新，減少了系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)的成本，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：?森林火警監(jiān)測(cè) ; 云計(jì)算 ; 邊緣計(jì)算

論文引用格式：

張科, 葉影, 張紅. 基于邊緣計(jì)算的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng). 大數(shù)據(jù)[J], 2019, 5(2): 79-88

ZHANG K, YE Y, ZHANG H. Forest fire monitoring system based on edge computing. Big Data Research[J], 2019, 5(2): 79-88

1 引言

森林火災(zāi)是林業(yè)災(zāi)害中最常見(jiàn)的形式，每年會(huì)導(dǎo)致大量森林資源、人員、財(cái)產(chǎn)以及珍稀物種的損失，對(duì)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了巨大破壞。森林火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、波及范圍廣和處置困難等特點(diǎn)。搭建高效實(shí)用的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于森林火災(zāi)防治具有重要的意義。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，一些新型技術(shù)逐漸被應(yīng)用于森林火警監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。最具代表性的是圖像型火警監(jiān)測(cè)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)。圖像型火警監(jiān)測(cè)技術(shù)以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，克服了傳統(tǒng)火警監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)，顯著提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率和及時(shí)性；云計(jì)算技術(shù)為森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了豐富的計(jì)算資源、靈活的管理模式和可靠的安全性保證，成為智慧林業(yè)平臺(tái)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（1）圖像型火警監(jiān)測(cè)技術(shù)

森林火災(zāi)具有隨機(jī)性、非結(jié)構(gòu)性的特征,環(huán)境中的灰塵、氣流以及人為干擾等因素都會(huì)對(duì)火警監(jiān)測(cè)產(chǎn)生影響，造成誤報(bào)。圖像型火警監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)攝像機(jī)獲取森林區(qū)域的視頻圖像，借助計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)檢測(cè)視頻圖像中的火災(zāi)發(fā)生情況。目前，一些基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的火警監(jiān)測(cè)技術(shù)的提出,使得圖像型火警監(jiān)測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，進(jìn)一步提高了該技術(shù)的實(shí)用性。

（2）云計(jì)算技術(shù)

云計(jì)算是近些年快速發(fā)展的新型計(jì)算模式。通過(guò)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合，云計(jì)算技術(shù)在工業(yè)、電子商務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。云計(jì)算模式具有計(jì)算能力強(qiáng)大、成本低廉、數(shù)據(jù)可靠和擴(kuò)展性高等特點(diǎn)，已在全國(guó)智慧林業(yè)平臺(tái)建設(shè)中得到了推廣與應(yīng)用。森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是智慧林業(yè)平臺(tái)建設(shè)中災(zāi)害應(yīng)急模塊的重要組成部分，通過(guò)使用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)火警監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)化、災(zāi)害數(shù)據(jù)管理規(guī)范化和應(yīng)急措施科學(xué)化。

火警監(jiān)測(cè)方式主要分為人工巡查、民用飛行器巡查、傳感器探測(cè)、衛(wèi)星遙感檢測(cè)、視頻圖像檢測(cè)幾類。表1列出了各種火警監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。相比于其他監(jiān)測(cè)技術(shù)，視頻圖像檢測(cè)具有成本低、設(shè)備易部署、監(jiān)測(cè)范圍大和檢測(cè)率高的特點(diǎn)，更適用于森林火警監(jiān)測(cè)。因此，在當(dāng)前許多森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常常將視頻圖像檢測(cè)技術(shù)作為主要監(jiān)測(cè)方式，并基于云計(jì)算架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)搭建。在基于云架構(gòu)的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，視頻采集設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、護(hù)林巡航機(jī)、無(wú)人機(jī)等）用于獲取森林區(qū)域的視頻圖像；視頻圖像通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云計(jì)算中心，調(diào)用森林火災(zāi)識(shí)別算法，檢測(cè)火災(zāi)是否發(fā)生；林業(yè)管理單位通過(guò)配套的客戶端軟件，實(shí)時(shí)獲取森林火警監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)采取應(yīng)急措施，降低森林火災(zāi)造成的損失。但是，通過(guò)在林業(yè)示范區(qū)實(shí)踐系統(tǒng)的部署與應(yīng)用，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前基于云架構(gòu)的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在以下方面仍然存在不足。

● 火警監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性待增強(qiáng)。已有系統(tǒng)在火災(zāi)檢測(cè)實(shí)時(shí)性方面普遍存在不足，表現(xiàn)為從采集設(shè)備獲取視頻圖像到系統(tǒng)反饋檢測(cè)結(jié)果，時(shí)延較大。火災(zāi)檢測(cè)的功能主要由云計(jì)算中心調(diào)用森林火災(zāi)識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際部署時(shí)，云計(jì)算中心與森林監(jiān)測(cè)區(qū)域通常相隔較遠(yuǎn)，視頻圖像傳輸耗時(shí)較長(zhǎng)，火災(zāi)檢測(cè)無(wú)法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)或?qū)崟r(shí)性較差。除此之外，云計(jì)算中心工作負(fù)載過(guò)大同樣會(huì)降低火災(zāi)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性。

● 圖像算法可配置性需優(yōu)化。森林火災(zāi)識(shí)別算法是森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，需要不斷優(yōu)化、更新和迭代。已有系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，往往只針對(duì)目標(biāo)森林區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，只開(kāi)發(fā)單一的火災(zāi)識(shí)別算法，忽視了圖像算法的可配置性。這無(wú)疑大大增加了由于圖像算法優(yōu)化、更新或迭代造成的系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)的成本。

為克服當(dāng)前基于云架構(gòu)的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于邊緣計(jì)算的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在森林火災(zāi)防治體系中，位處森林的監(jiān)測(cè)站發(fā)揮著不可替代的作用。監(jiān)測(cè)站通常配有邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器，具有一定的計(jì)算資源。而在當(dāng)前基于云架構(gòu)的系統(tǒng)中，火災(zāi)檢測(cè)的計(jì)算任務(wù)全部在云計(jì)算中心完成，未考慮使用森林監(jiān)測(cè)站的計(jì)算資源。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)充分利用了森林監(jiān)測(cè)站具有的計(jì)算資源，使用邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器完成全部或部分火災(zāi)檢測(cè)的計(jì)算任務(wù)。在功能層面，系統(tǒng)引入了算法重配置模塊，開(kāi)放統(tǒng)一的算法重配置接口，方便用戶進(jìn)行原算法的優(yōu)化和新算法的迭代更新，解決了已有系統(tǒng)在算法可配置性方面的問(wèn)題。

2 森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括四大體系模塊：視頻圖像采集模塊、邊緣計(jì)算模塊、云計(jì)算模塊和管理服務(wù)模塊。圖1描述了系統(tǒng)的總體架構(gòu)。視頻圖像采集模塊負(fù)責(zé)獲取森林監(jiān)測(cè)區(qū)域的視頻圖像，并通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集的視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)竭吘売?jì)算模塊。邊緣計(jì)算模塊指森林監(jiān)測(cè)站及監(jiān)測(cè)站配備的邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器，用于直接接收來(lái)自視頻采集設(shè)備的視頻圖像，承擔(dān)著林區(qū)監(jiān)控和全部或部分火災(zāi)檢測(cè)的計(jì)算任務(wù)。云計(jì)算模塊即云計(jì)算中心，是整個(gè)系統(tǒng)的大腦和樞紐，承擔(dān)一部分火警監(jiān)測(cè)計(jì)算任務(wù)和其他系統(tǒng)的計(jì)算任務(wù)。管理服務(wù)模塊則是為方便主管單位管轄林區(qū)、監(jiān)測(cè)森林火警和及時(shí)響應(yīng)火警而設(shè)計(jì)的。

圖1???基于邊緣計(jì)算的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 視頻圖像采集模塊

本文通過(guò)改造原有的森林視頻監(jiān)控體系，將已布置的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)集成到系統(tǒng)視頻圖像采集模塊中，以降低設(shè)備部署的成本。航拍飛機(jī)是另一種常見(jiàn)的圖像采集設(shè)備，通過(guò)在其飛行過(guò)程中拍攝森林全貌，獲取可分析的圖像，常被用于大面積森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)和受災(zāi)面積的統(tǒng)計(jì)。無(wú)人機(jī)在火警監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。無(wú)人機(jī)具有覆蓋范圍廣、成本低、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)和安全性高等特點(diǎn)，能夠有效地解決網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)部署時(shí)存在的監(jiān)控盲區(qū)問(wèn)題。視頻圖像采集模塊是整個(gè)森林監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要一環(huán)，通過(guò)多類型采集設(shè)備的集成和森林監(jiān)測(cè)區(qū)域的高覆蓋，為森林火警監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2.3 邊緣計(jì)算模塊

本文在云架構(gòu)的系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入了邊緣計(jì)算模塊，有效利用了森林監(jiān)測(cè)站的計(jì)算資源，在靠近森林的一側(cè)完成全部或部分火災(zāi)檢測(cè)的計(jì)算任務(wù)，避免將大量的視頻圖像傳輸?shù)骄嚯x較遠(yuǎn)的云計(jì)算中心進(jìn)行圖像處理，既有效降低了云計(jì)算中心的工作負(fù)載，又顯著提高了森林火警監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。

如圖2所示，邊緣計(jì)算模塊包括3個(gè)基本功能：森林區(qū)域監(jiān)控、視頻圖像存儲(chǔ)和森林火災(zāi)檢測(cè)。

● 森林區(qū)域監(jiān)控。森林區(qū)域監(jiān)控是森林監(jiān)測(cè)站的基礎(chǔ)功能。在森林監(jiān)測(cè)站中，除配有邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器外，還配有顯示屏，用于輸出監(jiān)控視頻圖像。監(jiān)測(cè)站工作人員通過(guò)觀看顯示屏，對(duì)森林區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)并發(fā)出警報(bào)時(shí)，工作人員可通過(guò)及時(shí)查看顯示屏，第一時(shí)間確認(rèn)火情，預(yù)估火情規(guī)模，上報(bào)森林管理中心，并采取應(yīng)急措施。

● 視頻圖像存儲(chǔ)。為了節(jié)省云計(jì)算中心的存儲(chǔ)資源，視頻圖像數(shù)據(jù)基于分布式的模式進(jìn)行存儲(chǔ)。森林監(jiān)測(cè)站配有專門的視頻圖像存儲(chǔ)設(shè)備，如機(jī)械硬盤(pán)等。當(dāng)云計(jì)算中心或客戶端程序需要查看、下載或使用歷史監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)時(shí)，邊緣計(jì)算模塊會(huì)將指定采集設(shè)備和時(shí)間段的歷史監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)上傳到云計(jì)算中心做進(jìn)一步處理。

圖2???邊緣計(jì)算模塊的功能和相關(guān)設(shè)備

● 森林火災(zāi)檢測(cè)。本文利用森林監(jiān)測(cè)站的邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器，在距離森林較近的一端執(zhí)行火災(zāi)檢測(cè)的圖像處理任務(wù)。監(jiān)測(cè)站的邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器使用云計(jì)算中心提供的火災(zāi)識(shí)別算法，完成預(yù)處理、火焰識(shí)別和煙霧識(shí)別等全部或部分計(jì)算任務(wù)。邊緣計(jì)算模塊一旦監(jiān)測(cè)到火災(zāi)發(fā)生，系統(tǒng)將第一時(shí)間在監(jiān)測(cè)站、林區(qū)和森林管理中心進(jìn)行多級(jí)報(bào)警。當(dāng)監(jiān)測(cè)站的邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器工作負(fù)載較高，來(lái)不及執(zhí)行某些檢測(cè)計(jì)算任務(wù)時(shí)，視頻圖像將被發(fā)送到云計(jì)算中心進(jìn)行處理。

2.4 云計(jì)算模塊

云計(jì)算中心的體系架構(gòu)分為4層，如圖3所示，自頂向下分別為智慧應(yīng)用層、平臺(tái)即服務(wù)（platform as a service，PaaS）層、基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（infrastructure as a service， IaaS）層和接入層。智慧應(yīng)用層與配套的客戶端應(yīng)用程序?qū)?#xff0c;以公共軟件接口的形式為客戶端應(yīng)用提供與火警監(jiān)測(cè)相關(guān)的系統(tǒng)應(yīng)用組件服務(wù)，例如可視化分析組件接口、火災(zāi)識(shí)別算法接口、地理信息系統(tǒng)（geo-graphic information system，GIS）接口和火災(zāi)預(yù)警組件接口，從而幫助開(kāi)發(fā)人員在客戶端應(yīng)用有效地使用云計(jì)算中心提供的功能模塊。PaaS層為系統(tǒng)應(yīng)用提供平臺(tái)服務(wù)，最主要的功能是負(fù)責(zé)系統(tǒng)的資源管理和任務(wù)管理。智慧應(yīng)用層的服務(wù)組件均建立在PaaS層的基礎(chǔ)上。例如，為了實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，PaaS層的任務(wù)管理模塊將在各個(gè)監(jiān)測(cè)站和云計(jì)算中心之間調(diào)度火災(zāi)檢測(cè)計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行。IaaS層為森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供豐富的硬件資源，將不同的硬件劃分到存儲(chǔ)資源池、計(jì)算資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池進(jìn)行管理，例如管理火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行必需的存儲(chǔ)器、服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)設(shè)備等硬件資源。IaaS層向上為PaaS層的平臺(tái)服務(wù)提供硬件資源支持，向下為接入層的數(shù)據(jù)提供網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)服務(wù)。接入層為其他模塊的數(shù)據(jù)提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，使火警監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和視頻圖像數(shù)據(jù)能快速準(zhǔn)確地傳輸至云計(jì)算中心。

圖3???云計(jì)算中心的體系架構(gòu)

2.5 管理服務(wù)模塊

管理服務(wù)模塊向林區(qū)管理人員提供與森林火警監(jiān)測(cè)和火災(zāi)防治相關(guān)的客戶端應(yīng)用服務(wù)，由一套成體系的森林火警監(jiān)測(cè)客戶端軟件構(gòu)成，通過(guò)調(diào)用云計(jì)算中心智慧應(yīng)用層的應(yīng)用服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)視頻圖像的查詢和下載、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、算法重配置和可視化分析等客戶端應(yīng)用功能。管理服務(wù)模塊是系統(tǒng)面向用戶的關(guān)鍵模塊，提供了功能豐富和用戶友好的客戶端應(yīng)用程序，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的實(shí)用性。

3 森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以圖像處理、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和邊緣計(jì)算等技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了森林視頻監(jiān)控網(wǎng)、森林監(jiān)測(cè)站、云計(jì)算中心、森林管理中心的體系架構(gòu)。從功能層面來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)主要包含五大功能模塊：視頻圖像服務(wù)、森林火警監(jiān)測(cè)、多級(jí)火災(zāi)報(bào)警、可視化分析和算法重配置。圖4描述了系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊及具體功能。各大功能模塊分別負(fù)責(zé)提供相應(yīng)的系統(tǒng)功能，共同構(gòu)成完整的森林火警監(jiān)測(cè)應(yīng)用服務(wù)體系。

圖4???森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能模塊

3.1 視頻圖像服務(wù)模塊

視頻圖像服務(wù)模塊主要提供監(jiān)控視頻圖像分布式存儲(chǔ)、監(jiān)控圖像實(shí)時(shí)查詢、歷史監(jiān)控視頻下載和火情視頻樣本數(shù)據(jù)集的功能。相關(guān)客戶端程序提供監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)查詢和歷史監(jiān)控視頻下載的功能，實(shí)現(xiàn)森林覆蓋區(qū)域狀況監(jiān)測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，工作人員可以立即查看火情現(xiàn)場(chǎng)，預(yù)估災(zāi)情，并采取應(yīng)急措施。在工作人員需要下載某臺(tái)設(shè)備某個(gè)時(shí)段的歷史監(jiān)控視頻時(shí)，可通過(guò)客戶端程序向云計(jì)算中心發(fā)送下載請(qǐng)求，云計(jì)算中心將查詢存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)視頻的監(jiān)測(cè)站，調(diào)出目標(biāo)歷史監(jiān)控視頻。火情視頻樣本數(shù)據(jù)對(duì)于火災(zāi)識(shí)別算法的研發(fā)具有重要的作用。除了視頻圖像基本服務(wù)功能外，該模塊還提供火情視頻樣本數(shù)據(jù)集的特色功能。系統(tǒng)在云計(jì)算中心設(shè)有火情樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，一旦監(jiān)測(cè)到火情后，對(duì)應(yīng)的火情視頻將在被標(biāo)注后存儲(chǔ)到火情樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中。

3.2 森林火警監(jiān)測(cè)模塊

森林火警監(jiān)測(cè)模塊是系統(tǒng)的核心功能模塊。該模塊配置了系統(tǒng)使用的火災(zāi)識(shí)別算法，包括火焰識(shí)別算法、煙霧識(shí)別算法和運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法，并負(fù)責(zé)將具體的算法部署到森林監(jiān)測(cè)站的邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器上。森林監(jiān)測(cè)站和云計(jì)算中心均會(huì)用到該模塊。同時(shí)，該模塊還提供火警監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的功能。在邊緣計(jì)算模塊中，每個(gè)森林監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)附近森林區(qū)域的火警監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果匯報(bào)到云計(jì)算中心。云計(jì)算中心通過(guò)該模塊的火警監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能，獲取管轄范圍內(nèi)所有森林區(qū)域的火警全局信息，幫助工作人員進(jìn)行全局性的災(zāi)害分析和應(yīng)急調(diào)度。

3.3 多級(jí)火災(zāi)報(bào)警模塊

多級(jí)火災(zāi)報(bào)警模塊是與森林火警監(jiān)測(cè)模塊聯(lián)動(dòng)的一個(gè)功能模塊，提供火災(zāi)報(bào)警的功能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，該模塊采用多級(jí)報(bào)警的模式，包括林區(qū)實(shí)時(shí)報(bào)警、監(jiān)測(cè)站實(shí)時(shí)報(bào)警和森林管理中心報(bào)警3個(gè)層次。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到火災(zāi)發(fā)生時(shí)，森林監(jiān)測(cè)站將會(huì)立即收到報(bào)警信息，發(fā)出警報(bào)，通知站內(nèi)工作人員第一時(shí)間確認(rèn)火情，及時(shí)上報(bào)管理中心，并采取應(yīng)急措施。同時(shí)，報(bào)警信息將被及時(shí)傳輸?shù)搅謪^(qū)部署的報(bào)警設(shè)備，例如音響、電子宣傳欄等，從而通知位于林區(qū)的人員迅速撤離。森林管理中心也將收到火災(zāi)報(bào)警信息，以幫助中心工作人員進(jìn)行災(zāi)情統(tǒng)計(jì)和分析，并在出現(xiàn)大規(guī)模火災(zāi)時(shí)，采取森林火災(zāi)撲救措施。

3.4 可視化分析模塊

在森林火警監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，GIS和可視化技術(shù)的應(yīng)用有效提高了火警監(jiān)測(cè)、防火指揮決策和火災(zāi)應(yīng)急救援的效率。可視化分析模塊提供了森林火警的地圖可視化功能。該模塊基于GIS與視頻圖像服務(wù)模塊、森林火警監(jiān)測(cè)模塊聯(lián)動(dòng)，使得火警監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠在GIS上可視化顯示，為災(zāi)情分析和選擇應(yīng)急措施提供依據(jù)。此外，該模塊還引入了多種林火蔓延趨勢(shì)模型, 可根據(jù)火警監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)林火蔓延趨勢(shì)，并在地圖上模擬出蔓延軌跡，幫助工作人員進(jìn)一步分析火情和制定準(zhǔn)確的撲救方案。

3.5 算法重配置模塊

森林火災(zāi)識(shí)別算法是森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，決定著系統(tǒng)能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，以采取應(yīng)急措施，盡可能減少森林火災(zāi)帶來(lái)的損失。森林火災(zāi)識(shí)別算法往往具有場(chǎng)景性，被監(jiān)測(cè)森林區(qū)域的自然環(huán)境不同，算法的識(shí)別效果可能相差很大。例如，在研發(fā)火災(zāi)檢測(cè)算法時(shí)，閾值的選取、模型訓(xùn)練集的構(gòu)建與實(shí)際自然環(huán)境息息相關(guān)，這就需要因地制宜，為不同的森林場(chǎng)景配置不同的算法。同時(shí)，隨著新算法模型的不斷提出，系統(tǒng)使用的森林火災(zāi)識(shí)別算法也需要不斷優(yōu)化、更新和迭代。然而，當(dāng)前的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍缺少算法可配置性，使得算法的優(yōu)化、更新和迭代十分困難，導(dǎo)致系統(tǒng)優(yōu)化和二次開(kāi)發(fā)的成本大大增加。例如，森林管理中心計(jì)劃委托新的算法研發(fā)單位對(duì)系統(tǒng)算法進(jìn)行優(yōu)化，那么就需要對(duì)接系統(tǒng)開(kāi)發(fā)單位，從源碼端對(duì)算法進(jìn)行更改，并部署到執(zhí)行算法的計(jì)算機(jī)和服務(wù)器，這中間涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，無(wú)疑增加了系統(tǒng)優(yōu)化的時(shí)間和成本。

為了解決上述問(wèn)題，算法重配置模塊提供了算法更新與移植的功能，通過(guò)統(tǒng)一的算法配置接口，實(shí)現(xiàn)便捷的原算法調(diào)整和新算法部署，而不用關(guān)心系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。此外，算法重配置模塊還提供了算法性能測(cè)試的功能，向開(kāi)發(fā)者提供云端存儲(chǔ)的火情視頻樣本數(shù)據(jù)集，以驗(yàn)證算法的效果。

4 森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建——以德清縣下渚湖濕地為例

德清縣為第二批國(guó)家新型城鎮(zhèn)化綜合試點(diǎn)地區(qū)，縣內(nèi)有莫干山、下渚湖等森林自然區(qū)域。德清縣已在林區(qū)各主要進(jìn)山節(jié)點(diǎn)、路口建設(shè)了194路森林監(jiān)控高清視頻攝像頭，形成了視頻監(jiān)控網(wǎng)，其中68路視頻監(jiān)控已接入德清縣森林公安消防指揮部系統(tǒng)。本文以在德清縣下渚湖的項(xiàng)目實(shí)踐為例，介紹森林火警監(jiān)測(cè)試點(diǎn)系統(tǒng)搭建的工作。

4.1 采集端搭建

該項(xiàng)目在德清縣下渚湖部署了網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備和報(bào)警設(shè)備，用于視頻圖像的采集和傳輸以及林區(qū)火災(zāi)報(bào)警。另外，通過(guò)與浙江省航空護(hù)林管理站開(kāi)展合作，將飛機(jī)航拍圖像作為圖像數(shù)據(jù)源接入系統(tǒng)，用于火警監(jiān)測(cè)。后續(xù)筆者將引入衛(wèi)星遙感圖、小型無(wú)人機(jī)視頻等多種數(shù)據(jù)源，進(jìn)一步豐富視頻圖像的采集方式。

4.2 森林火災(zāi)識(shí)別算法

系統(tǒng)當(dāng)前版本的算法通過(guò)視覺(jué)特征和運(yùn)動(dòng)特征分別對(duì)火焰和煙霧進(jìn)行識(shí)別，算法流程如圖5所示。在視覺(jué)特征方面，火焰的識(shí)別通過(guò)設(shè)置RGB（red,green,blue）顏色閾值和HSI（hue-saturation-intensity）顏色閾值實(shí)現(xiàn)，煙霧的識(shí)別通過(guò)使用火情視頻數(shù)據(jù)集訓(xùn)練生成深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（deep convolutional neural network， DCNN）模型實(shí)現(xiàn)；在運(yùn)動(dòng)特征方面，算法使用圖像差分法和運(yùn)動(dòng)累積法提取視頻中的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。對(duì)于飛機(jī)航拍圖像來(lái)說(shuō)，由于圖像數(shù)據(jù)是非連續(xù)的視頻幀，故無(wú)需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特征識(shí)別。筆者在開(kāi)源火情數(shù)據(jù)集、示范區(qū)實(shí)地采集的視頻數(shù)據(jù)集和省航空護(hù)林管理站提供的巡航機(jī)航拍數(shù)據(jù)集上進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試數(shù)據(jù)共包括2 000張有煙火圖像和20 000張無(wú)煙火圖像，經(jīng)過(guò)第三方軟件測(cè)試單位鑒定，在2 000張有煙火圖像中共監(jiān)測(cè)到1 962張圖像的火警；在20 000張無(wú)煙火圖像的檢測(cè)中，火警誤報(bào)次數(shù)為2次，在測(cè)試數(shù)據(jù)集上當(dāng)前版本的算法達(dá)到了98.1%的檢測(cè)率和不高于0.01%的誤報(bào)率。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。在未來(lái)的工作中，筆者將不斷更新和迭代森林火災(zāi)識(shí)別算法，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)用性。

圖5???森林火災(zāi)識(shí)別算法流程

4.3 火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件的模塊設(shè)計(jì)如圖6所示。算法后端可在森林監(jiān)測(cè)站的邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器（邊緣計(jì)算模塊）或者云計(jì)算中心實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)完善包括監(jiān)控管理模塊、應(yīng)急指揮模塊、大數(shù)據(jù)分析模塊等，還包括與林業(yè)信息系統(tǒng)的融合、系統(tǒng)上云、系統(tǒng)功能模塊和客戶端應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。目前，系統(tǒng)主要功能模塊已在云系統(tǒng)上基本實(shí)現(xiàn)，并初步在林業(yè)示范區(qū)推廣和使用，取得了不錯(cuò)的效果。

圖6???火災(zāi)智能預(yù)警軟件模塊設(shè)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于邊緣計(jì)算的森林火警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了當(dāng)前基于云架構(gòu)的系統(tǒng)在火災(zāi)檢測(cè)實(shí)時(shí)性和圖像算法可配置性方面的不足。系統(tǒng)基于視頻圖像檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大范圍、低成本、高檢測(cè)率、低誤報(bào)率的森林火警監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)采用邊緣計(jì)算的方式，利用森林監(jiān)測(cè)站的邊緣計(jì)算機(jī)或服務(wù)器執(zhí)行火災(zāi)檢測(cè)的圖像處理任務(wù)，大大減少了云計(jì)算中心的工作負(fù)載，提高了火災(zāi)檢測(cè)和預(yù)警的實(shí)時(shí)性。在功能層面，系統(tǒng)添加了算法重配置的功能模塊，方便開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行火災(zāi)識(shí)別算法的迭代與更新，減少了系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)的成本，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)用性。

作者簡(jiǎn)介

張科（1978- ），女，浙江省林業(yè)技術(shù)推廣總站（浙江省林業(yè)信息宣傳中心）副研究館員、副主任，主要研究方 向?yàn)椤盎ヂ?lián)網(wǎng)+林業(yè)”、林業(yè)信息安全等。

葉影（1986 - ），女，浙江省林業(yè)技術(shù)推廣總站（浙江省林業(yè)信息宣傳中心）中級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榈?理信息系統(tǒng)、遙感、“互聯(lián)網(wǎng)+林業(yè)”、網(wǎng)絡(luò)安全等。

張紅（1993- ），女，北京航天科技股份有限公司技術(shù)工程師，主要研究方向?yàn)榱謽I(yè)信息化。

《大數(shù)據(jù)》期刊

《大數(shù)據(jù)（Big Data Research，BDR）》雙月刊是由中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部主管，人民郵電出版社主辦，中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)大數(shù)據(jù)專家委員會(huì)學(xué)術(shù)指導(dǎo)，北京信通傳媒有限責(zé)任公司出版的中文科技核心期刊。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的基于边缘计算的森林火警监测系统的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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