基于邊緣計算的森林火警監(jiān)測系統(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)測的方式。基于云架構(gòu)的森林火警監(jiān)測技術(shù)在檢測實時性和圖像算法可配置性方面均存在不足。為了解決這些問題，設(shè)計了一種基于邊緣計算的森林火警監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用邊緣計算的方式，利用森林監(jiān)測站的邊緣計算機或服務(wù)器執(zhí)行火災(zāi)檢測的圖像處理任務(wù)，提高了火災(zāi)檢測和預(yù)警的實時性。另外，系統(tǒng)引入了算法重配置的功能模塊，以便火災(zāi)識別算法的迭代與更新，減少了系統(tǒng)二次開發(fā)的成本，進一步增強了系統(tǒng)的實用性。

關(guān)鍵詞：?森林火警監(jiān)測 ; 云計算 ; 邊緣計算

論文引用格式：

張科, 葉影, 張紅. 基于邊緣計算的森林火警監(jiān)測系統(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)害中最常見的形式，每年會導(dǎo)致大量森林資源、人員、財產(chǎn)以及珍稀物種的損失，對生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展造成了巨大破壞。森林火災(zāi)具有突發(fā)性強、波及范圍廣和處置困難等特點。搭建高效實用的森林火警監(jiān)測系統(tǒng)對于森林火災(zāi)防治具有重要的意義。

近年來，隨著計算機技術(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)測領(lǐng)域。最具代表性的是圖像型火警監(jiān)測技術(shù)和云計算技術(shù)。圖像型火警監(jiān)測技術(shù)以圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，克服了傳統(tǒng)火警監(jiān)測的缺點，顯著提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確率和及時性；云計算技術(shù)為森林火警監(jiān)測系統(tǒng)提供了豐富的計算資源、靈活的管理模式和可靠的安全性保證，成為智慧林業(yè)平臺建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

（1）圖像型火警監(jiān)測技術(shù)

森林火災(zāi)具有隨機性、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對火警監(jiān)測產(chǎn)生影響，造成誤報。圖像型火警監(jiān)測技術(shù)通過攝像機獲取森林區(qū)域的視頻圖像，借助計算機圖像處理技術(shù)檢測視頻圖像中的火災(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)測技術(shù)的提出,使得圖像型火警監(jiān)測技術(shù)取得了長足的進步，進一步提高了該技術(shù)的實用性。

（2）云計算技術(shù)

云計算是近些年快速發(fā)展的新型計算模式。通過與大數(shù)據(jù)技術(shù)的融合，云計算技術(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。云計算模式具有計算能力強大、成本低廉、數(shù)據(jù)可靠和擴展性高等特點，已在全國智慧林業(yè)平臺建設(shè)中得到了推廣與應(yīng)用。森林火警監(jiān)測系統(tǒng)是智慧林業(yè)平臺建設(shè)中災(zāi)害應(yīng)急模塊的重要組成部分，通過使用云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)火警監(jiān)測實時化、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)測方式主要分為人工巡查、民用飛行器巡查、傳感器探測、衛(wèi)星遙感檢測、視頻圖像檢測幾類。表1列出了各種火警監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)缺點。相比于其他監(jiān)測技術(shù)，視頻圖像檢測具有成本低、設(shè)備易部署、監(jiān)測范圍大和檢測率高的特點，更適用于森林火警監(jiān)測。因此，在當(dāng)前許多森林火警監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計中，常常將視頻圖像檢測技術(shù)作為主要監(jiān)測方式，并基于云計算架構(gòu)進行系統(tǒng)搭建。在基于云架構(gòu)的森林火警監(jiān)測系統(tǒng)中，視頻采集設(shè)備（如網(wǎng)絡(luò)攝像機、護林巡航機、無人機等）用于獲取森林區(qū)域的視頻圖像；視頻圖像通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云計算中心，調(diào)用森林火災(zāi)識別算法，檢測火災(zāi)是否發(fā)生；林業(yè)管理單位通過配套的客戶端軟件，實時獲取森林火警監(jiān)測情況，及時采取應(yīng)急措施，降低森林火災(zāi)造成的損失。但是，通過在林業(yè)示范區(qū)實踐系統(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)測系統(tǒng)在以下方面仍然存在不足。

● 火警監(jiān)測實時性待增強。已有系統(tǒng)在火災(zāi)檢測實時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)反饋檢測結(jié)果，時延較大。火災(zāi)檢測的功能主要由云計算中心調(diào)用森林火災(zāi)識別算法實現(xiàn)。在實際部署時，云計算中心與森林監(jiān)測區(qū)域通常相隔較遠，視頻圖像傳輸耗時較長，火災(zāi)檢測無法實時實現(xiàn)或?qū)崟r性較差。除此之外，云計算中心工作負載過大同樣會降低火災(zāi)檢測的實時性。

● 圖像算法可配置性需優(yōu)化。森林火災(zāi)識別算法是森林火警監(jiān)測系統(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)計時，往往只針對目標(biāo)森林區(qū)域進行設(shè)計，只開發(fā)單一的火災(zāi)識別算法，忽視了圖像算法的可配置性。這無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)測系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計了一種基于邊緣計算的森林火警監(jiān)測系統(tǒng)。在森林火災(zāi)防治體系中，位處森林的監(jiān)測站發(fā)揮著不可替代的作用。監(jiān)測站通常配有邊緣計算機或服務(wù)器，具有一定的計算資源。而在當(dāng)前基于云架構(gòu)的系統(tǒng)中，火災(zāi)檢測的計算任務(wù)全部在云計算中心完成，未考慮使用森林監(jiān)測站的計算資源。本文設(shè)計的系統(tǒng)充分利用了森林監(jiān)測站具有的計算資源，使用邊緣計算機或服務(wù)器完成全部或部分火災(zāi)檢測的計算任務(wù)。在功能層面，系統(tǒng)引入了算法重配置模塊，開放統(tǒng)一的算法重配置接口，方便用戶進行原算法的優(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題。

2 森林火警監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 森林火警監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

森林火警監(jiān)測系統(tǒng)主要包括四大體系模塊：視頻圖像采集模塊、邊緣計算模塊、云計算模塊和管理服務(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責(zé)獲取森林監(jiān)測區(qū)域的視頻圖像，并通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)將采集的視頻圖像實時傳輸?shù)竭吘売嬎隳K。邊緣計算模塊指森林監(jiān)測站及監(jiān)測站配備的邊緣計算機或服務(wù)器，用于直接接收來自視頻采集設(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)檢測的計算任務(wù)。云計算模塊即云計算中心，是整個系統(tǒng)的大腦和樞紐，承擔(dān)一部分火警監(jiān)測計算任務(wù)和其他系統(tǒng)的計算任務(wù)。管理服務(wù)模塊則是為方便主管單位管轄林區(qū)、監(jiān)測森林火警和及時響應(yīng)火警而設(shè)計的。

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

2.2 視頻圖像采集模塊

本文通過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。航拍飛機是另一種常見的圖像采集設(shè)備，通過在其飛行過程中拍攝森林全貌，獲取可分析的圖像，常被用于大面積森林火災(zāi)的監(jiān)測和受災(zāi)面積的統(tǒng)計。無人機在火警監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮著日益重要的作用。無人機具有覆蓋范圍廣、成本低、機動性強和安全性高等特點，能夠有效地解決網(wǎng)絡(luò)攝像機部署時存在的監(jiān)控盲區(qū)問題。視頻圖像采集模塊是整個森林監(jiān)測系統(tǒng)的重要一環(huán)，通過多類型采集設(shè)備的集成和森林監(jiān)測區(qū)域的高覆蓋，為森林火警監(jiān)測功能的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

2.3 邊緣計算模塊

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

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

● 森林區(qū)域監(jiān)控。森林區(qū)域監(jiān)控是森林監(jiān)測站的基礎(chǔ)功能。在森林監(jiān)測站中，除配有邊緣計算機或服務(wù)器外，還配有顯示屏，用于輸出監(jiān)控視頻圖像。監(jiān)測站工作人員通過觀看顯示屏，對森林區(qū)域進行實時監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到火災(zāi)并發(fā)出警報時，工作人員可通過及時查看顯示屏，第一時間確認火情，預(yù)估火情規(guī)模，上報森林管理中心，并采取應(yīng)急措施。

● 視頻圖像存儲。為了節(jié)省云計算中心的存儲資源，視頻圖像數(shù)據(jù)基于分布式的模式進行存儲。森林監(jiān)測站配有專門的視頻圖像存儲設(shè)備，如機械硬盤等。當(dāng)云計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，邊緣計算模塊會將指定采集設(shè)備和時間段的歷史監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)上傳到云計算中心做進一步處理。

圖2???邊緣計算模塊的功能和相關(guān)設(shè)備

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

2.4 云計算模塊

云計算中心的體系架構(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，從而幫助開發(fā)人員在客戶端應(yīng)用有效地使用云計算中心提供的功能模塊。PaaS層為系統(tǒng)應(yīng)用提供平臺服務(wù)，最主要的功能是負責(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，為了實現(xiàn)森林火災(zāi)的實時監(jiān)測，PaaS層的任務(wù)管理模塊將在各個監(jiān)測站和云計算中心之間調(diào)度火災(zāi)檢測計算任務(wù)的執(zhí)行。IaaS層為森林火警監(jiān)測系統(tǒng)提供豐富的硬件資源，將不同的硬件劃分到存儲資源池、計算資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池進行管理，例如管理火警監(jiān)測系統(tǒng)運行必需的存儲器、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)確地傳輸至云計算中心。

圖3???云計算中心的體系架構(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)測客戶端軟件構(gòu)成，通過調(diào)用云計算中心智慧應(yīng)用層的應(yīng)用服務(wù)接口，實現(xiàn)視頻圖像的查詢和下載、森林火災(zāi)監(jiān)測、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，進一步提高了系統(tǒng)的實用性。

3 森林火警監(jiān)測系統(tǒng)的功能設(shè)計

本文設(shè)計的森林火警監(jiān)測系統(tǒng)以圖像處理、云計算、大數(shù)據(jù)和邊緣計算等技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了森林視頻監(jiān)控網(wǎng)、森林監(jiān)測站、云計算中心、森林管理中心的體系架構(gòu)。從功能層面來說，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、多級火災(zāi)報警、可視化分析和算法重配置。圖4描述了系統(tǒng)的各個功能模塊及具體功能。各大功能模塊分別負責(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)測應(yīng)用服務(wù)體系。

圖4???森林火警監(jiān)測系統(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、監(jiān)控圖像實時查詢、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)控視頻實時查詢和歷史監(jiān)控視頻下載的功能，實現(xiàn)森林覆蓋區(qū)域狀況監(jiān)測。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到火災(zāi)發(fā)生時，工作人員可以立即查看火情現(xiàn)場，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設(shè)備某個時段的歷史監(jiān)控視頻時，可通過客戶端程序向云計算中心發(fā)送下載請求，云計算中心將查詢存儲對應(yīng)視頻的監(jiān)測站，調(diào)出目標(biāo)歷史監(jiān)控視頻。火情視頻樣本數(shù)據(jù)對于火災(zāi)識別算法的研發(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)在云計算中心設(shè)有火情樣本數(shù)據(jù)庫，一旦監(jiān)測到火情后，對應(yīng)的火情視頻將在被標(biāo)注后存儲到火情樣本數(shù)據(jù)庫中。

3.2 森林火警監(jiān)測模塊

森林火警監(jiān)測模塊是系統(tǒng)的核心功能模塊。該模塊配置了系統(tǒng)使用的火災(zāi)識別算法，包括火焰識別算法、煙霧識別算法和運動檢測算法，并負責(zé)將具體的算法部署到森林監(jiān)測站的邊緣計算機或服務(wù)器上。森林監(jiān)測站和云計算中心均會用到該模塊。同時，該模塊還提供火警監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計的功能。在邊緣計算模塊中，每個森林監(jiān)測站負責(zé)附近森林區(qū)域的火警監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果匯報到云計算中心。云計算中心通過該模塊的火警監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，獲取管轄范圍內(nèi)所有森林區(qū)域的火警全局信息，幫助工作人員進行全局性的災(zāi)害分析和應(yīng)急調(diào)度。

3.3 多級火災(zāi)報警模塊

多級火災(zāi)報警模塊是與森林火警監(jiān)測模塊聯(lián)動的一個功能模塊，提供火災(zāi)報警的功能。在系統(tǒng)設(shè)計中，該模塊采用多級報警的模式，包括林區(qū)實時報警、監(jiān)測站實時報警和森林管理中心報警3個層次。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到火災(zāi)發(fā)生時，森林監(jiān)測站將會立即收到報警信息，發(fā)出警報，通知站內(nèi)工作人員第一時間確認火情，及時上報管理中心，并采取應(yīng)急措施。同時，報警信息將被及時傳輸?shù)搅謪^(qū)部署的報警設(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)報警信息，以幫助中心工作人員進行災(zāi)情統(tǒng)計和分析，并在出現(xiàn)大規(guī)模火災(zāi)時，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、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)測模塊聯(lián)動，使得火警監(jiān)測數(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模型, 可根據(jù)火警監(jiān)測統(tǒng)計數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)預(yù)測林火蔓延趨勢，并在地圖上模擬出蔓延軌跡，幫助工作人員進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)識別算法是森林火警監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，決定著系統(tǒng)能否及時發(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)帶來的損失。森林火災(zāi)識別算法往往具有場景性，被監(jiān)測森林區(qū)域的自然環(huán)境不同，算法的識別效果可能相差很大。例如，在研發(fā)火災(zāi)檢測算法時，閾值的選取、模型訓(xùn)練集的構(gòu)建與實際自然環(huán)境息息相關(guān)，這就需要因地制宜，為不同的森林場景配置不同的算法。同時，隨著新算法模型的不斷提出，系統(tǒng)使用的森林火災(zāi)識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)化和二次開發(fā)的成本大大增加。例如，森林管理中心計劃委托新的算法研發(fā)單位對系統(tǒng)算法進行優(yōu)化，那么就需要對接系統(tǒng)開發(fā)單位，從源碼端對算法進行更改，并部署到執(zhí)行算法的計算機和服務(wù)器，這中間涉及多個環(huán)節(jié)，無疑增加了系統(tǒng)優(yōu)化的時間和成本。

為了解決上述問題，算法重配置模塊提供了算法更新與移植的功能，通過統(tǒng)一的算法配置接口，實現(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)的實現(xiàn)細節(jié)。此外，算法重配置模塊還提供了算法性能測試的功能，向開發(fā)者提供云端存儲的火情視頻樣本數(shù)據(jù)集，以驗證算法的效果。

4 森林火警監(jiān)測系統(tǒng)搭建——以德清縣下渚湖濕地為例

德清縣為第二批國家新型城鎮(zhèn)化綜合試點地區(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)各主要進山節(jié)點、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目實踐為例，介紹森林火警監(jiān)測試點系統(tǒng)搭建的工作。

4.1 采集端搭建

該項目在德清縣下渚湖部署了網(wǎng)絡(luò)攝像機、網(wǎng)關(guān)設(shè)備和報警設(shè)備，用于視頻圖像的采集和傳輸以及林區(qū)火災(zāi)報警。另外，通過與浙江省航空護林管理站開展合作，將飛機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。后續(xù)筆者將引入衛(wèi)星遙感圖、小型無人機視頻等多種數(shù)據(jù)源，進一步豐富視頻圖像的采集方式。

4.2 森林火災(zāi)識別算法

系統(tǒng)當(dāng)前版本的算法通過視覺特征和運動特征分別對火焰和煙霧進行識別，算法流程如圖5所示。在視覺特征方面，火焰的識別通過設(shè)置RGB（red,green,blue）顏色閾值和HSI（hue-saturation-intensity）顏色閾值實現(xiàn)，煙霧的識別通過使用火情視頻數(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）模型實現(xiàn)；在運動特征方面，算法使用圖像差分法和運動累積法提取視頻中的運動區(qū)域。對于飛機航拍圖像來說，由于圖像數(shù)據(jù)是非連續(xù)的視頻幀，故無需進行運動特征識別。筆者在開源火情數(shù)據(jù)集、示范區(qū)實地采集的視頻數(shù)據(jù)集和省航空護林管理站提供的巡航機航拍數(shù)據(jù)集上進行測試實驗。測試數(shù)據(jù)共包括2 000張有煙火圖像和20 000張無煙火圖像，經(jīng)過第三方軟件測試單位鑒定，在2 000張有煙火圖像中共監(jiān)測到1 962張圖像的火警；在20 000張無煙火圖像的檢測中，火警誤報次數(shù)為2次，在測試數(shù)據(jù)集上當(dāng)前版本的算法達到了98.1%的檢測率和不高于0.01%的誤報率。詳細的實驗結(jié)果見表2。在未來的工作中，筆者將不斷更新和迭代森林火災(zāi)識別算法，進一步提高系統(tǒng)的實用性。

圖5???森林火災(zāi)識別算法流程

4.3 火災(zāi)智能預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

軟件的模塊設(shè)計如圖6所示。算法后端可在森林監(jiān)測站的邊緣計算機或服務(wù)器（邊緣計算模塊）或者云計算中心實現(xiàn)。

應(yīng)用系統(tǒng)的開發(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)用軟件的開發(fā)。目前，系統(tǒng)主要功能模塊已在云系統(tǒng)上基本實現(xiàn)，并初步在林業(yè)示范區(qū)推廣和使用，取得了不錯的效果。

圖6???火災(zāi)智能預(yù)警軟件模塊設(shè)計

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于邊緣計算的森林火警監(jiān)測系統(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)檢測實時性和圖像算法可配置性方面的不足。系統(tǒng)基于視頻圖像檢測技術(shù)，實現(xiàn)了大范圍、低成本、高檢測率、低誤報率的森林火警監(jiān)測。系統(tǒng)采用邊緣計算的方式，利用森林監(jiān)測站的邊緣計算機或服務(wù)器執(zhí)行火災(zāi)檢測的圖像處理任務(wù)，大大減少了云計算中心的工作負載，提高了火災(zāi)檢測和預(yù)警的實時性。在功能層面，系統(tǒng)添加了算法重配置的功能模塊，方便開發(fā)人員進行火災(zāi)識別算法的迭代與更新，減少了系統(tǒng)二次開發(fā)的成本，進一步增強了系統(tǒng)的實用性。

作者簡介

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 向為“互聯(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）中級工程師，主要研究方向為地 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，主要研究方向為林業(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工業(yè)和信息化部主管，人民郵電出版社主辦，中國計算機學(xué)會大數(shù)據(jù)專家委員會學(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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往期文章回顧

邊緣計算的架構(gòu)、挑戰(zhàn)與應(yīng)用

面向邊緣計算的資源優(yōu)化技術(shù)研究進展

邊緣計算安全技術(shù)綜述

邊緣智能：邊緣計算與人工智能融合的新范式

邊緣計算使能智慧電網(wǎng)

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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內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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