智能化林火監(jiān)測管理技術與應用

智能化林火監(jiān)測管理技術與應用

在林業(yè)信息化發(fā)展過程中，智能視頻、無人機、衛(wèi)星遙感、無線傳感器網(wǎng)絡等高新技術手段在森林火災監(jiān)測中逐步應用。這些新技術的應用在很大程度上提高了森林火災監(jiān)測管理水平，有效減少了森林火災損失。主要內容一、智能林火識別視頻系統(tǒng)二、無人機林火監(jiān)測三、衛(wèi)星遙感調查林火監(jiān)測四、無線傳感器網(wǎng)絡林火監(jiān)測五、物聯(lián)網(wǎng)智能林火監(jiān)測體系人力監(jiān)控網(wǎng)絡視頻監(jiān)控智能與機器視覺趨勢：人力→網(wǎng)絡視頻→

智能與機器視覺智能1、智能林火識別視頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關事件服務器智能數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)分析模塊數(shù)據(jù)存儲模塊告警調度模塊視頻服務器用戶權限模塊識別算法模塊與專家系統(tǒng)用戶界面與情景聲光告警與手機告警原始數(shù)據(jù)顯示RT-GISUI微波傳輸寬帶傳輸衛(wèi)星傳輸光纖傳輸4G/3G帶寬僅需>1Mbps智能林火視頻監(jiān)測系統(tǒng)架構紅外+高清前端智能林火視頻監(jiān)測系統(tǒng)組成2、智能視頻前端硬件設備穿霧攝像儀數(shù)字云臺紅外線熱成像儀鏡頭護罩前端硬件系統(tǒng)配置圖高清鏡頭高清攝像儀前端路由器前端工控板基站控制板紅外熱像儀MCU控制板設計基站控制板軟件同時實現(xiàn)了雨刮控制、排氣扇控制、加熱系統(tǒng)控制、透霧控制、鋰電充電控制、GSM開機控制、GSM/GPS、防雷重啟控制、防盜等功能。使前端設備處于合適的工作環(huán)境。野外供電在沒有市電的地方，運用風光互補供電技術，解決了野外使用上電力供應問題。廣東省2011年12月增城太子坑森林消防“立體滅火演習”全程監(jiān)測保障3、林火監(jiān)測智能視頻系統(tǒng)功能及特點自動巡檢利用計算機系統(tǒng)的智能方式運作，無需看管而自動巡測。自動預警當監(jiān)測到異常狀態(tài)時自動生成故障告警信息，并可自動通知相關人員。智能分析當發(fā)現(xiàn)設備溫度異常，可以調出此設備的正常時的熱圖譜及正常時的運行參數(shù)，與異常時的熱圖譜及運行參數(shù)進行對比，從而進行準確分析。全景模式系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同部位紅外熱像圖的無縫智能拼圖的全景紅外熱像分析功能，從而避免局部分析無法快速定位和無法系統(tǒng)分析故障原因。已知熱對象屏蔽通過標識監(jiān)控區(qū)域內的已知熱對象，并設置為屏蔽探測，避免誤報。三維火災位置圖一旦偵測到火情，可立即獲取到三維火災位置圖，幫助制定應急方案?；馂囊纛l報警一旦偵測到火情，立即觸發(fā)報警，可第一時間采取應急方案。支持多種掃描方式全范圍自動掃描/選定范圍自動掃描/手動掃描。遠程實時監(jiān)控實現(xiàn)對林區(qū)場景情況的遠程實時溫度分析和實時狀態(tài)監(jiān)視。自動分類存儲監(jiān)控數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)和報警信息分類存儲，可實現(xiàn)快速準確調用分析。超強環(huán)境適應能力系統(tǒng)可實現(xiàn)在高溫、濃霧、大雨、霧霾等惡劣環(huán)境連續(xù)工作。濟南歷城區(qū)的應用數(shù)據(jù)管理與組織柵格數(shù)據(jù)，采用多分辨率層次細節(jié)(LOD)模型組織數(shù)據(jù)。主要利用四叉樹算法。即對二維地平面進行分割時，每次把正方形分成4個等分的小正方形，直到分割的正方形尺寸達到某個閾值為止，然后對不能再分的正方形進行三角形剖分渲染。矢量數(shù)據(jù)采用Geodatabase數(shù)據(jù)模型存儲和管理。矢量數(shù)據(jù)即要存儲在Geodatabase數(shù)據(jù)庫中，也要有對應的LOD文件庫。系統(tǒng)在服務器端配置了矢量數(shù)據(jù)切片工具，該程序利用ArcSDE的CAPI接口編寫代碼，該程序可以根據(jù)客戶端的請求參數(shù)（包括矢量圖層名稱、地圖范圍、顯示級別等）在Geodatabase庫中查詢對應范圍內的矢量數(shù)據(jù)，然后將查詢結果轉化為KML文件發(fā)回客戶端。系統(tǒng)特點：高性能的林火智能視頻監(jiān)測系統(tǒng)超遠探測距離：640×480紅外探測器可探測識別8㎞外3m×2m的火源，384×288的紅外探測器可探測識別5㎞外2m×1m的火源；極高定位精度：且可保證5㎞單點定位精度30m以內；快速反應：7分鐘能完成360°監(jiān)測范圍的全掃描，有效保證了在林火初發(fā)階段及時發(fā)現(xiàn)。清遠市清新縣八面山山火早期報警火情分析與自動告警算法是針對紅外熱成像傳感器開發(fā)的軟件算法，具有超高火情識別率，誤報率極低的特點。系統(tǒng)從紅外熱成像傳感器以數(shù)字通道獲取每像素14位元的紅外線熱圖，并透過森林火災熱成像圖像分析算法找出面積變大和溫度變熱速度快的可疑熱源。該算法比一般使用固定或動態(tài)報警值的算法能更準確的捕獲火源，并能去除車輛、煙花等轉瞬即逝的熱源干擾而不會觸發(fā)誤報。紅外探火算法測試珠海高欄港測試遠程林火識別算法測試白天紅外熱成像儀取值變化趨勢夜晚紅外熱成像儀取值變化趨勢基于DEM實現(xiàn)火情的定位項目以NASA提供的數(shù)字高程模型(ASTERGDEM)，結合MAPMART提供的9米精度衛(wèi)星圖，建立高精度3D地理信息模型。通過重載云臺結合軟件算法與DEM模型實現(xiàn)火情事件精確定位技術，能將事件定位至30米半徑內(5公里探測范圍)

工業(yè)級電腦控制云臺掃描森林范圍火源識別模塊在紅外熱圖像中找出火源在圖片中的平面坐標位置火源識別模塊將平面坐標位置和云臺指向角傳送到火源定位模塊火源定位模塊利用紅外熱圖像坐標位置在數(shù)字高程模型中依照攝像儀位置指向角模擬投射出一條指向火源的直線模擬直線在數(shù)字高程模型中逐步延長，每次一像素，每次增長都進行觸碰感測模擬直線是否與數(shù)字高程模型的面觸碰若無觸碰，表明有火情但超過測量范圍若有觸碰，找出觸碰點在數(shù)字高程模型中的三維位置該DEM三維坐標位置換算成地球經緯度及高度動態(tài)干擾源：基于背景差分法和幀間差分法的視頻運動檢測能去除車輛等轉瞬即逝的熱源，同時與高清視頻結合綜合判定火情。靜態(tài)干擾源：通過自主專利的林火干擾源智能屏蔽技術去除日間太陽照在山體沒有植被的石層和土層導致的高溫干擾等靜態(tài)干擾源，還可以通過自學習判定和屏蔽干擾源；這些方法綜合起來使視頻監(jiān)測森林火災的誤報率和漏報率趨近于零。系統(tǒng)特點：極低的視頻林火識別誤報及漏報率靜態(tài)干擾源智能屏蔽球形分割模型站點覆蓋仿真GPS位置：N22.304386E113.553663珠海市大鏡山水庫白沙嶺二號亭為中心高精度數(shù)控云臺自動橫向340度轉動，垂直上下80度轉動，可視范圍達5公里以上。監(jiān)測林區(qū)范圍約為40㎞2。站點覆蓋仿真廣州：根據(jù)廣州重點林區(qū)森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)建設項目，在全市30個森林防火視頻監(jiān)控點建設。（增城林場）珠海：利用系統(tǒng)前端基站模擬仿真覆蓋功能，為項目進行選址設計。主要內容一、智能林火識別視頻系統(tǒng)二、無人機林火監(jiān)測三、衛(wèi)星遙感調查林火監(jiān)測四、無線傳感器網(wǎng)絡林火監(jiān)測五、物聯(lián)網(wǎng)智能林火監(jiān)測體系兩類無人機森林防火不同應用旋翼無人機優(yōu)點：起降要求低、操控簡單、實時傳輸影像。缺點：續(xù)航時間短、監(jiān)控范圍小。適用：短距離火情偵查、火案調查。固定翼無人機優(yōu)點：續(xù)航時間長、監(jiān)控范圍廣。缺點：起降要求高、操控較復雜、影像需內業(yè)處理。適用：較大范圍火燒跡地調查、較大范圍可燃物調查。兩類無人機航拍應用（韶關翁源）二、無人機林火監(jiān)測飛行控制攝影控制攝影控制器控制處理中心飛行控制器影像處理導航設置指令、數(shù)據(jù)傳輸指令下達飛行姿態(tài)拍攝影像無人機火場實時監(jiān)測與我國北方較大面積的森林火災不同，南方森林火災面積相對較小，對無人機抗風及遠距離通信的要求較低，小型無人飛行器的優(yōu)勢在這時候可以得到充分發(fā)揮。無人機火場勘查（仁化）無人機協(xié)助撲救指揮（乳源）無人機林火實時監(jiān)測2011年3月31日，在韶關仁化火災現(xiàn)場，該火場面積達到70多公頃，無人機平臺可以獲取整個火場態(tài)勢，并將拍攝到的視頻數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街笓]中心的電腦屏幕上，以便了解整個火場發(fā)展動態(tài)。旋翼無人機應用-災后火因調查2015年12月17日潮州登塘鎮(zhèn)火場災后調查利用無人機找出煉山跑火點位置旋翼無人機應用-災后火因調查2015.4.6河源市東源縣船塘鎮(zhèn)火場災后調查利用旋翼無人機按照火燒跡地狀況找出初發(fā)火火點位置InsigntAS系列固定翼無人機InsigntAS3無人機長度2m翼展3.3m升限3000m最大航程180km速度范圍50-130km/h巡航速度90km/h起飛速度40km/h續(xù)航時間2hours有效載荷2.5kg起飛重量<20Kg抗風12m/s起降方式彈射/滑降作業(yè)效率2000公頃/起落可見光相機分辨率4.8cmGSD畫幅250mx200m像素20.1MP鏡頭40mm（兼容佳能EF鏡頭卡口）輸出格式KMLWorldfile/twf數(shù)據(jù)處理數(shù)字正射影像模型（DOM）數(shù)字表面模型（DSM）多光譜相機分辨率11cmGSD像素物理尺寸5.5microns畫幅250mx200m像素2.1MPto4.2MP頻帶NIR,blue,green數(shù)據(jù)處理NDVI熱像儀分辨率20cmGSD數(shù)據(jù)處理Thermalimage固定翼無人機作業(yè)流程任務規(guī)劃精確航線設計無人機航攝質量評價數(shù)據(jù)預處理現(xiàn)場像控測量應用后處理InsigntAS3固定翼無人機作業(yè)任務規(guī)劃及航線設計（惠州博羅羅陽鎮(zhèn)可燃物調查）InsigntAS3固定翼無人機作業(yè)彈射起飛、飛行作業(yè)及傘降回收InsigntAS3固定翼無人機輸出全彩色（Pan）提取2、3、4波段（G、B、NIR）1、4波段NDVI（NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)）InsightAS無人機馬來西亞應用作業(yè)任務：馬來西亞140公頃棕櫚樹種植園基礎數(shù)據(jù)獲取作業(yè)時間：2014.10作業(yè)機型：InsightAS3；作業(yè)載荷：可見光+多光譜；作業(yè)高度：300米；作業(yè)速度：90km/h；作業(yè)時長：26分鐘；航攝重疊：航線內80%，航線間60%；圖像獲取：可見光534張，多光譜551張；地面分辨率：5cm；地面控制點：10個。InsightAS無人機馬來西亞應用正射影像NDVI航線設計數(shù)字表面模型主要內容一、智能林火識別視頻系統(tǒng)二、無人機林火監(jiān)測三、衛(wèi)星遙感調查林火監(jiān)測四、無線傳感器網(wǎng)絡林火監(jiān)測五、物聯(lián)網(wǎng)智能林火監(jiān)測體系基于衛(wèi)星遙感多光譜影像數(shù)據(jù)分類技術的林火跡地提取方法的研究，應用LandSat衛(wèi)星遙感多光譜影像數(shù)據(jù)對廣東省全省的林火跡地進行提取和統(tǒng)計，結合衛(wèi)星定位系統(tǒng)，確定森林火災發(fā)生位置、過火面積等信息，為廣東省森林火災的預防和評估提供了精準的說明。1、衛(wèi)星遙感林火跡地提取技術原始影像數(shù)據(jù)Landsat-TM圖像共17景，購自中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心火燒跡地提取流程項目提出使用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類結合的方式對TM遙感影像進行分類并最終提取火燒跡地信息，采用的火燒跡地信息提取流程為：TM數(shù)據(jù)坐標系設置配準糾正3、4、5波段合成分類重編碼分類圖像融合聚類統(tǒng)計去除分析火燒跡地分布直接非監(jiān)督分類采集已知跡地樣本用樣本監(jiān)督分類廣州花都河源連平縣城附近韶關武江河源紫金與惠州博羅交界火場樣本遙感圖像分類利用遙感提取地物信息需要根據(jù)地面物體的圖像特征按照研究要求分成各種類型。研究火燒跡地就是把火燒跡地提取出來，首先對圖像進行非監(jiān)督分類，然后使用已知的火場做樣本，利用監(jiān)督分類的方法提取出其它火場。汕尾陸豐地區(qū)火燒跡地分類清新縣驗證結果通過熱點數(shù)據(jù)查找火燒跡地。共驗證17處火燒跡地，4處未從圖像中檢驗到，均為云霧遮擋。緯度經度類型面積（hm2）驗證23.984112.879煉山15√23.838112.943灌木林10√23.842112.957煉山30√23.712112.993煉山25√23.759112.935馬尾松4×23.789112.775灌木林3√23.816113.039燒雜3√23.848113.185灌木林3×23.950112.903灌木林5√23.927112.756灌木林4√24.015112.663桉樹6√24.031112.910馬尾松4√24.032112.643桉樹3×24.033112.655桉樹3×24.124112.829煉山5√24.122112.718煉山5√24.132112.717灌木林4√2、衛(wèi)星遙感可燃物類型調查應用采用遙感影像數(shù)據(jù)及野外實地調查相結合的方式進行森林植被類型調查。柬埔寨豆蔻山脈。柬埔寨衛(wèi)星遙感植被類型調查原始圖像采用spot5遙感影像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為多光譜數(shù)據(jù)4個波段（10米空間分辨率）+PAN波段（2.5米空間分辨率），共兩幅影像數(shù)據(jù)，分別為2011年1月21日1/4景（數(shù)據(jù)1），2012年1月28日1/8景（數(shù)據(jù)2），其中數(shù)據(jù)1調查區(qū)域完整無云，數(shù)據(jù)2只覆蓋東側區(qū)域，且有少量云霧遮擋。柬埔寨衛(wèi)星遙感植被類型調查遙感圖像處理流程柬埔寨衛(wèi)星遙感可燃物類型調查主要內容一、智能林火識別視頻系統(tǒng)二、無人機林火監(jiān)測三、衛(wèi)星遙感調查林火監(jiān)測四、無線傳感器網(wǎng)絡林火監(jiān)測五、物聯(lián)網(wǎng)智能林火監(jiān)測體系無線傳感器網(wǎng)絡林火監(jiān)測智能化野外林火數(shù)據(jù)采集前端系統(tǒng)能采集氣溫、相對濕度、風力、風向、含水率等與森林火災相關的因子數(shù)據(jù)，并通過有線及無線網(wǎng)絡不斷將信息傳送回林火監(jiān)測中心，為林火預測預報與撲救指揮提供即時信息。利用傳感器節(jié)點采取相關氣象因子信息。由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網(wǎng)絡。遵循Zigbee協(xié)議，使用2.4Ghz小功率射頻通訊技術，將傳感器節(jié)點互相配合建成一個自我修復網(wǎng)絡。無線傳感器終端：無線傳感器網(wǎng)絡WSNWSN體系結構：平面拓撲結構WSN體系結構：邏輯分層結構WSN自組網(wǎng)以傳感終端進行的自組網(wǎng)：遵循ZigBee協(xié)議增城的自組網(wǎng)連接性測試平面拓撲結構。仁化火場測試無線收發(fā)器傳感器裝配布點與設計仁化WSN測試邏輯分層結構主要內容一、智