Видеонаблюдение для обнаружения лесных пожаров: скоростные поворотные камеры и ранее оповещение

Стихийные лесные и ландшафтные пожары выступают одной из самых разрушительных природных угроз современности, нанося колоссальный ущерб экосистемам, уничтожая целые населенные пункты и унося человеческие жизни. В засушливых регионах с плотными лесными массивами и пересеченным горным рельефом единичная сухая гроза, падение высоковольтного провода или небрежно брошенный окурок способны за двадцать минут превратиться в огненный шторм, остановить который традиционными средствами пожаротушения становится практически невозможно. Ключевым фактором успешной локализации огня является так называемое «золотое окно» — первые десять-пятнадцать минут с момента тления сухой травы, когда очаг может быть ликвидирован сбросом воды с одного дежурного вертолета или силами небольшого лесничего расчета.

Традиционные методы патрулирования лесных угодий с помощью легкомоторной авиации или круглосуточного дежурства наблюдателей на деревянных пожарных вышках обладают крайне низкой оперативностью и высоким человеческим фактором. Густые туманы, горные складки местности и оптическая иллюзия маскируют появление первых струек белого дыма в кронах деревьев. Спутниковый мониторинг также имеет фатальное временное запаздывание: орбитальные группировки обновляют тепловые снимки раз в несколько часов, когда площадь пожара уже измеряется сотнями гектаров. Единственным надежным способом упреждающего перехвата стихии становится создание сплошной сети автоматических поворотных оптических станций сверхдальнего радиуса действия с интегрированным искусственным интеллектом.

Государственно-университетская программа ALERTCalifornia

Масштабнейшая в мировой практике цифровая система раннего предупреждения пожаров развернута в рамках программы ALERTCalifornia Калифорнийским университетом в Сан-Диего в партнерстве с Департаментом лесного хозяйства и противопожарной защиты CAL FIRE, оператором связи DigitalPath и производителем сетевого оптического оборудования Axis Communications. Руководитель научной программы доктор Нил Дрисколл поставил задачу создать систему, способную выявлять возгорания на стадии зарождения, когда о них еще никто не подозревает.

На сегодняшний день на стратегических горных пиках, ретрансляционных радиовышках и господствующих высотах по всему штату смонтировано свыше одной тысячи всепогодных скоростных поворотных камер Axis серии Q60. Камеры установлены в парах на специальных наблюдательных постах под выверенными углами обзора, что позволяет осуществлять непрерывное оптическое сканирование горизонта на дистанциях до сорока километров при любых погодных условиях — от ураганных ветров со скоростью до ста шестидесяти километров в час до экстремальной жары и мороза при температуре окружающего воздуха от -40 до +55°C.

Нейросетевая оптическая триангуляция и точность координат

Главным технологическим прорывом проекта стало внедрение специально обученных сверточных нейросетевых моделей компьютерного зрения, анализирующих видеопотоки от сотен телекамер в режиме реального времени. Алгоритм непрерывно отслеживает малейшие оптические изменения в структуре ландшафта, моментально выделяя восходящие струи дыма на фоне сложного рельефа, облачности, пылевых вихрей от сельскохозяйственной техники или выхлопов грузовиков на автодорогах.

При обнаружении потенциального очага возгорания система задействует вторую камеру соседнего наблюдательного поста и методом оптической триангуляции рассчитывает точные полевые GPS-координаты очага с погрешностью не более нескольких метров. В течение одной минуты тревожное оповещение с живым видеорядом, картой рельефа и параметрами ветра поступает на диспетчерские пульты всех двадцати одного объединенного командного центра пожаротушения CAL FIRE. Пожарные расчеты выезжают по точным координатам еще до того, как огонь успеет разгореться и перекинуться на кроны деревьев.

Автономность наблюдательных комплексов на удаленных горных вершинах обеспечивается гибридными энергетическими установками, объединяющими монокристаллические солнечные панели высокой эффективности и герметичные литий-железо-фосфатные аккумуляторные батареи глубокого разряда. В зимние периоды при затяжной облачности и обледенении электропитание дублируется маломощными водородными топливными элементами, гарантирующими бесперебойную работу видеокамер и радиомодемов в течение тридцати суток полной изолированности от внешних сетей.

Передача сверхтяжелых потоков видеоданных высокого разрешения осуществляется через защищенную беспроводную сеть радиорелейных мостов диапазона миллиметровых волн, образующих отказоустойчивую ячеистую топологию между горными хребтами. При выходе из строя одного из ретрансляторов из-за удара молнии или ураганного ветра система автоматически перемаршрутизирует видеопотоки через соседние вершины за доли секунды, гарантируя, что ни один квадратный километр охраняемых природных парков не останется без непрерывного оптического надзора.

Результаты боевого применения: спасение до первых звонков в 911

Статистика практической эксплуатации комплекса подтвердила его исключительную эффективность. Только за один прошедший год система ALERTCalifornia автоматически зафиксировала три тысячи шестьсот очагов возгорания. При этом более чем в пятидесяти процентах случаев нейросетевой комплекс выдал точное предупреждение дежурным службам задолго до того, как на пульт экстренной службы 911 поступил первый тревожный звонок от местных жителей или очевидцев.

Раннее обнаружение позволило локализовать подавляющее большинство возгораний на площади менее половины гектара, сэкономив сотни миллионов долларов бюджетных средств на дорогостоящих масштабных авиационных операциях и предотвратив экологические бедствия. Полноразмерный архив видеоданных объемом в сотни петабайт непрерывно накапливается в суперкомпьютерном центре университета в Сан-Диего, служа материалом для обучения моделей прогнозирования эрозии почв, схода селей и паводков после выгорания растительности на горных склонах.

Кратко о проекте

Заказчики и инициаторы: Калифорнийский университет в Сан-Диего (UC San Diego), Департамент противопожарной защиты CAL FIRE (США)
Инфраструктурный масштаб: Мониторинг миллионов гектаров лесных и горных массивов штата Калифорния
Технологические партнеры: Производитель оптических сетевых систем Axis Communications, телекоммуникационный оператор DigitalPath
Состав комплекса: Более 1000 всепогодных скоростных поворотных камер Axis серии Q60 с мощным оптическим зумом, суперкомпьютерная нейросетевая платформа анализа дыма, интеграция с 21 командным центром пожаротушения
Функциональные возможности: Автоматическое распознавание дыма на дистанциях до 40 км, оптическая триангуляция очага возгорания с двух постов наблюдения, вывод координат пожарным расчетам в течение 1 минуты, публичный портал мониторинга
Климатическое исполнение: Круглосуточная работа оборудования на горных вершинах при шквальном ветре до 160 км/ч, оледенении и температурах от -40 до +55°C с защитой IP66, IK10 и NEMA 4X
Практический результат: Автоматическое обнаружение 3600 пожаров за год, выдача тревог до первых звонков в службу 911 более чем в 50 процентах случаев, локализация огня на ранней стадии до разрастания в масштабные катастрофы

Компания:  Axis Communications