紅外熱成像技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

紅外熱成像技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用森林火災(zāi)具有突發(fā)性、隨機(jī)性、破壞時(shí)間短等特點(diǎn)，因此一旦有火警發(fā)生，就必須速度采取撲救措施。而撲救是否及時(shí)，決策是否得當(dāng)，最重要取決于對(duì)林火的發(fā)現(xiàn)是否及時(shí)，分析是否準(zhǔn)確合理，決策措施是否得當(dāng)。傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)一般基于紅外傳感器和煙霧傳感器，探測(cè)火災(zāi)發(fā)生時(shí)生成的煙、溫度和光等參量，經(jīng)信號(hào)處理、比較、判斷后發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)；其缺點(diǎn)是無(wú)法迅速采集火災(zāi)發(fā)出的煙溫變化信息，難以滿足早期探測(cè)并預(yù)報(bào)此類火災(zāi)的要求。近年來(lái)，紅外熱成像檢測(cè)和可見(jiàn)光圖像檢測(cè)在火焰檢測(cè)中有一定程度的應(yīng)用，但由于自身成像和檢測(cè)原理，只是單一的檢測(cè)模式極容易產(chǎn)生誤報(bào)、漏報(bào)，影響用戶使用，使得這一技術(shù)的推廣受到了阻礙。基于這種現(xiàn)象，雙光譜探測(cè)森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)，采用兩種光譜的圖像智能檢測(cè)技術(shù)最大程度發(fā)揮了各自優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，能有效準(zhǔn)確地檢測(cè)出火焰，彌補(bǔ)傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與單一檢測(cè)模式所存在的不足，以達(dá)到森林防火智能預(yù)警的效果。雙光譜探測(cè)森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)是基于當(dāng)前林火監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足的基礎(chǔ)上研發(fā)的成果，也是一套針對(duì)性很強(qiáng)的系統(tǒng)，其具有高精度、高可靠等特點(diǎn)，多種技術(shù)手段共同確保林火預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)。國(guó)外森林防火技術(shù)發(fā)展從19世紀(jì)90年代至20世紀(jì)50年代感溫探測(cè)器一直占主導(dǎo)地位，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)處于初級(jí)發(fā)展階段；20世紀(jì)50年代初，瑞士物理學(xué)家埃斯特邁爾成功研制出離子型感煙探測(cè)器;到20世紀(jì)70年代末，光電元器件技術(shù)取得突破，光電感煙探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生；20世紀(jì)80年代初，日本開(kāi)始研究實(shí)驗(yàn)?zāi)M量火災(zāi)探測(cè)器，最為典型的是1991年日本學(xué)者提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于火源探測(cè)的問(wèn)題;1994年瑞士推出AlgoRex火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯相結(jié)合，共同決策。20世紀(jì)70年代末，我國(guó)的一些軍工企業(yè)、部屬企業(yè)開(kāi)始研制火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警產(chǎn)品;進(jìn)入80年代后為了縮短與國(guó)外同類產(chǎn)品的差距，滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要，開(kāi)始引進(jìn)或仿制國(guó)外產(chǎn)品；90年代后，國(guó)外企業(yè)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，帶來(lái)了先進(jìn)的技術(shù)，在一定程度上促進(jìn)了市場(chǎng)的發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和森林防火信息化需求的逐漸升級(jí)，新的火災(zāi)探測(cè)器也不斷出現(xiàn)；但目前國(guó)內(nèi)所有的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警技術(shù)主要是基于傳感器的檢測(cè)，在現(xiàn)有的各種火災(zāi)報(bào)警和消防監(jiān)控設(shè)備中，大多數(shù)場(chǎng)所的火災(zāi)檢測(cè)，都采用常規(guī)的火災(zāi)探測(cè)的方法，其性能優(yōu)劣直接會(huì)影響火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警的準(zhǔn)確度和可靠性，例如感煙、感溫、感光探測(cè)器，它們分別利用火焰的煙霧、溫度、光的特性來(lái)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行探測(cè)。在大面積森林應(yīng)用中，上述傳感器由于空間距離大，信號(hào)變得十分微弱。大空間使得普通的感煙、感溫火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)都無(wú)法迅速采集火災(zāi)發(fā)出的煙溫變化信息，即使是高精度的傳感器也會(huì)由于種種噪聲干擾而無(wú)法正常工作，導(dǎo)致火情誤報(bào)或錯(cuò)報(bào)，無(wú)法滿足森林火災(zāi)的及時(shí)檢測(cè)需求。目前世界森林面積達(dá)40億公頃，其中我國(guó)森林面積是1.75億公頃，各類自然保護(hù)區(qū)1551個(gè)，對(duì)森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)有著不同程度的需求，防止森林火災(zāi)發(fā)生的最好辦法就是預(yù)防。世界各國(guó)對(duì)火災(zāi)的預(yù)警檢測(cè)越來(lái)越重視，2010年6月俄羅斯大火給各國(guó)敲響了森林防火的警鐘，森林保護(hù)系統(tǒng)的缺失將導(dǎo)致森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)要么束手無(wú)策，要么聽(tīng)之任之，因此，俄羅斯生態(tài)學(xué)家指出應(yīng)盡快恢復(fù)國(guó)家森林保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)用、快速、全面的預(yù)警系統(tǒng)尤為重要。雙光譜探測(cè)森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)，采用雙光譜探測(cè)方法，將先進(jìn)的紅外熱成像儀圖像采集和可見(jiàn)光圖像探測(cè)通過(guò)智能分析算法結(jié)合應(yīng)用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，最大限度發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，再加上網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)組成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的智能森林防火指揮系統(tǒng)。與普通網(wǎng)絡(luò)視頻檢測(cè)系統(tǒng)相比，雙光譜探測(cè)森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)是一種更高端、視頻檢測(cè)更智能、更準(zhǔn)確可靠的防火檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守，自動(dòng)對(duì)視頻圖像信息進(jìn)行分析判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的異常煙霧和火災(zāi)苗頭，準(zhǔn)確檢測(cè)出火焰，以最快、最佳的方式告警并提供防火預(yù)警信息，達(dá)到早期預(yù)警的目的。能夠有效的協(xié)助消防人員處理火災(zāi)危機(jī)，并最大限度的降低誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象同時(shí)還可查看現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像，根據(jù)直觀的畫面直接指揮調(diào)度救火。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于森林等戶外火災(zāi)的預(yù)警監(jiān)測(cè)中，同時(shí)結(jié)合林業(yè)管理的專業(yè)知識(shí)和林業(yè)防火的經(jīng)驗(yàn)，建立新一代森林防火智能分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)性地解決用戶的各種個(gè)性化需求。通過(guò)紅外熱成像和可見(jiàn)光雙光譜的檢測(cè)，以及云臺(tái)精確智能定位系統(tǒng)，獲得林區(qū)的清晰圖像，利用視頻分析技術(shù)，根據(jù)火焰光譜特征判斷是否產(chǎn)生火情，一旦發(fā)現(xiàn)疑似火情，立即觸發(fā)報(bào)警，林區(qū)視頻回傳至監(jiān)控中心，如果確認(rèn)報(bào)警屬實(shí)，攝像系統(tǒng)鎖定目標(biāo)，精確判斷火點(diǎn)位置，并根據(jù)已建立的林業(yè)防火信息數(shù)據(jù)資源做出滅火方案。解決方案本系統(tǒng)是一種具有紅外光、可見(jiàn)光雙光譜探測(cè)的森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了紅外熱成像儀系統(tǒng)、超溫檢測(cè)系統(tǒng)、可見(jiàn)光攝像機(jī)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)分析儀、云臺(tái)精確定位系統(tǒng)、視頻服務(wù)系統(tǒng)、監(jiān)控主機(jī)等部分組成?？赏瑫r(shí)輸出兩路視頻信號(hào)，具有紅外熱成像超溫檢測(cè)和可見(jiàn)光火災(zāi)檢測(cè)功能，并根據(jù)置信度系數(shù)模型進(jìn)行分析，自動(dòng)給出報(bào)警信息，有效提高了報(bào)警的準(zhǔn)確率。探測(cè)設(shè)備可根據(jù)用戶在場(chǎng)景中畫出的任意路徑自動(dòng)掃描，并可在運(yùn)動(dòng)掃描過(guò)程中進(jìn)行快速煙火檢測(cè)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸并向遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)發(fā)送報(bào)警機(jī)器ID、云臺(tái)水平和俯仰角度、超溫區(qū)域的坐標(biāo)（左上角和右下角）等信息。遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)根據(jù)回傳信息，經(jīng)過(guò)分析判斷確認(rèn)報(bào)警后產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)、記錄報(bào)警信息，并提供日志查詢和錄像等功能。連續(xù)變焦紅外熱成像儀連續(xù)變焦紅外熱像儀由324x256非制冷焦平面陣列探測(cè)器配合75150mm連續(xù)變焦紅外鏡頭制成，既能大范圍搜索，又能識(shí)別遠(yuǎn)處目標(biāo)。該產(chǎn)品克服了目前國(guó)內(nèi)外固定焦距式或雙視場(chǎng)式熱成像儀的缺陷，在變焦的過(guò)程中成像清晰，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定。具有堅(jiān)固且密封性能極好的外殼，內(nèi)部充氮，不受雨雪、灰塵的破壞，能夠在惡劣的環(huán)境中正常工作。集第4代非制冷型焦平面紅外探測(cè)器、最先進(jìn)的電子和光學(xué)系統(tǒng)于一身的熱成像儀，能夠穿透灰塵、煙霧、雨雪和黑暗，最小溫度分辨率達(dá)50mK，增加圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)功能、輸出熱白/熱黑/偽彩色圖像。熱成像超溫檢測(cè)系統(tǒng)在大面積的森林中，火災(zāi)往往是由隱火引發(fā)，這是毀滅性火災(zāi)的根源，而用現(xiàn)有的普通檢測(cè)方法，很難發(fā)現(xiàn)這種隱性火災(zāi)苗頭。而應(yīng)用紅外熱成像儀可以快速有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，并且可以準(zhǔn)確判定火災(zāi)的地點(diǎn)和范圍。自然界中任何溫度高于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，物體表面的溫度越高，紅外輻射能量就越多，因此可以利用紅外輻射測(cè)量物體表面的熱狀態(tài)。熱像儀工作在814pm，屬于遠(yuǎn)紅外波段，正常森林的輻射波長(zhǎng)范圍為8.512.2pm，在熱成像儀814pm的探測(cè)范圍之內(nèi)。目標(biāo)溫度越高，從熱成像探測(cè)器組件輸出的數(shù)字信號(hào)值越大，即數(shù)字圖像的灰度值越大，根據(jù)此特點(diǎn)，超溫檢測(cè)工作過(guò)程如下：圖像采集模塊將探測(cè)器輸出的高精度圖像數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，圖像處理模塊運(yùn)行超溫檢測(cè)算法，首先根據(jù)目標(biāo)和背景的對(duì)比度計(jì)算出原始閾值，再結(jié)合用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度等級(jí)，計(jì)算出二值化閾值，將圖像二值化后進(jìn)行連通域檢測(cè)，計(jì)算出目標(biāo)區(qū)域面積和坐標(biāo)，在畫面上標(biāo)識(shí)出超溫區(qū)域并通過(guò)串口發(fā)出報(bào)警信息。由于探測(cè)器接收到的紅外輻射能量受監(jiān)控距離和工作環(huán)境的影響，被檢測(cè)目標(biāo)的溫度范圍也各不相同，所以為了達(dá)到理想的報(bào)警效果，可以根據(jù)用戶的具體使用環(huán)境設(shè)定被監(jiān)控目標(biāo)的溫度等級(jí)，即目標(biāo)與背景的溫度差別等級(jí)。可見(jiàn)光圖像檢測(cè)系統(tǒng)由于紅外熱成像儀成像清晰度差，可能存在一定程度上的誤報(bào)，因此系統(tǒng)又引入可見(jiàn)光圖像檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)火焰的靜態(tài)特征（顏色）和形態(tài)特征（閃爍性）兩個(gè)特征進(jìn)行檢測(cè)。先利用靜態(tài)特征從視頻圖像中提取出與火焰顏色相似的區(qū)域，再利用形態(tài)特征對(duì)上面提取出來(lái)的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)視頻圖像分析算法，檢測(cè)出火焰產(chǎn)生二級(jí)報(bào)警信號(hào)?？梢?jiàn)光攝像機(jī)模擬視頻信號(hào)接入到圖像檢測(cè)模塊，通過(guò)圖像采集單元的視頻解碼電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，被