基于ArcEngine的林火視頻監(jiān)測定位系統(tǒng)

劉龍申，沈明霞，何瑞銀，許水燕，叢靜華，汪 東

(1.南京農(nóng)業(yè)大學，江蘇 南京 210031;2.南京森林公安高等專科學校，江蘇 南京 210046)

由高斯－克呂格投影平面直角坐標反解地理坐標的方法［8］計算出A、B兩點的地理坐標，從而計算出火點F的經(jīng)緯度。

隨著信息技術的發(fā)展，林火視頻監(jiān)測逐漸取代了早期人工值守瞭望塔的林火監(jiān)控手段。無線擴頻網(wǎng)絡技術和網(wǎng)絡視頻監(jiān)控技術的運用，地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，這些軟硬件條件的技術進步，使得林火定位問題的解決有了技術支撐［1］。在此基礎上實現(xiàn)的林火定位將為森林防火決策部門提供關鍵的火點位置信息，提高滅火的效率，減少火災損失。

我們基于ArcEngine和數(shù)據(jù)庫技術，設計了林火視頻監(jiān)測定位系統(tǒng) (監(jiān)測點、無線傳輸系統(tǒng)、林火識別定位系統(tǒng))。應用基于DEM數(shù)據(jù)和數(shù)字云臺角度的定位方法，實現(xiàn)了二維地圖、三維模型和攝像機聯(lián)動，發(fā)現(xiàn)火情時林火的準確定位。

1 林火動態(tài)監(jiān)測與定位系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)由監(jiān)測點、無線傳輸系統(tǒng)和林火識別定位系統(tǒng)組成。單個監(jiān)測點的系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結構

監(jiān)測點由攝像機和數(shù)字云臺組成。攝像機的視頻信號和實時角度通過視頻服務器由無線傳輸設備傳輸至監(jiān)控中心;來自監(jiān)控中心的控制信號經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)揭曨l服務器，通過視頻服務器、數(shù)字云臺解碼器實現(xiàn)對變焦鏡頭、云臺的控制。

監(jiān)測點的選址要考慮地形、地貌，同時應該使整個觀察網(wǎng)在所保護的區(qū)域內(nèi)有最大的視野，以保證及時發(fā)現(xiàn)正在發(fā)生的火災，確定火災位置［2］。系統(tǒng)基于地理信息系統(tǒng) (GIS)的可視性分析方法，以內(nèi)蒙古白狼林區(qū)為研究對象，通過對坡向、坡度、海拔、林班等數(shù)據(jù)的空間分析，確定了林火視頻監(jiān)控點的合理建設位置。

1.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)以VS2005(C)和ESRI的二次開發(fā)組件ArcEngine為開發(fā)平臺，實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的基本功能、數(shù)據(jù)庫操作、林火自動定位以及二維地圖、三維模型和數(shù)字云臺的聯(lián)動。

ArcEngine提供的組件和工具集，由ArcEngine DeveloperKit和 ArcEngine Runtime 組成［3］，它能夠?qū)崿F(xiàn)二維地圖操作功能，還能夠?qū)崿F(xiàn)三維展示、三維分析等高級功能。軟件整體架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件的整體架構

1.2.1 二維地圖功能開發(fā)

該系統(tǒng)二維部分采用 ArcEngine的MapControl控件和PageLayoutControl控件開發(fā)。系統(tǒng)讀取地理信息數(shù)據(jù)庫中的二維地圖數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫引擎在MapControl控件和PageLayoutControl控件中顯示。

二維部分功能有地理信息系統(tǒng)的基本功能、火點標識功能、火災面積估算、最佳路徑分析。

1.2.2 三維模型功能開發(fā)

三維部分采用 SenceControl控件和PageLayoutControl控件開發(fā)實現(xiàn)。系統(tǒng)讀取地理信息數(shù)據(jù)庫中的三維模型和DEM數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫引擎在 SenceControl控件和 PageLayoutControl控件中顯示。

三維部分能夠直觀反映當?shù)氐牡匦蔚孛?，主要功能有三維模型的基本操作功能、坡度提取以及與二維地圖和攝像機聯(lián)動。

1.2.3 定位系統(tǒng)

林火定位有單點定位、雙點定位和多點定位3種定位方法。單點定位是基于單個瞭望塔實現(xiàn)定位，根據(jù)DEM數(shù)據(jù)、瞭望塔海拔高度和攝像機的水平角、旋轉(zhuǎn)角，計算攝像機視頻窗口的中心線與地面的交點［4］。

考慮到科研成本和課題經(jīng)費問題，要用最少的監(jiān)測點監(jiān)測最大的區(qū)域，本系統(tǒng)采用的是單點定位方法。主要研究提高單點定位精度的算法。

1.2.4 數(shù)據(jù)庫

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要由地理信息數(shù)據(jù)庫和火災信息數(shù)據(jù)庫兩部分組成?？臻g信息數(shù)據(jù)庫存放地理信息的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù);火災信息數(shù)據(jù)庫用來自動存放森林火災記錄，包括發(fā)生時間、火點經(jīng)緯度、人工審核等，以便用戶查詢火災歷史記錄。

系統(tǒng)軟件采用掃描方式不斷讀取監(jiān)測點數(shù)據(jù)，包括視頻和攝像機的角度，利用火情識別模塊對視頻進行處理，分析是否有火情，如果有火情發(fā)生則進行報警和林火定位，攝像機也暫時把鏡頭停留在火點位置;否則二維地圖、三維模型和攝像機聯(lián)動。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

2 林火定位算法研究

2.1 單點定位方法的研究

如果火點定位精度要求較高，則可以真正利用三維監(jiān)控角度數(shù)據(jù)和三維 GIS數(shù)據(jù)另辟蹊徑［5－6］。單點定位就是已知瞭望塔的海拔高度和攝像機的角度，結合DEM數(shù)據(jù)，求目標點的經(jīng)緯度。

單點定位的基本思路如圖4所示。

圖4 單點定位的基本思路

單點定位具有監(jiān)測覆蓋區(qū)域廣，能夠在三維空間進行火點定位的優(yōu)點，但由于僅局限單個瞭望塔觀測的方位角和水平角數(shù)據(jù)就必須借助電子地圖。這種方法的理論定位誤差主要取決于窮舉搜索密度和GIS數(shù)據(jù)精度。單點定位數(shù)學模型如圖5所示。

圖5 單點定位的數(shù)學模型

由漸進窮舉法［7］可得火點F的高度為 FD，已知瞭望塔的經(jīng)緯度為 (x，y)，海拔為 HO，攝像機的旋轉(zhuǎn)角為β，水平角為α，由圖5得:

由高斯－克呂格投影平面直角坐標反解地理坐標的方法［8］計算出A、B兩點的地理坐標，從而計算出火點F的經(jīng)緯度。

2.2 攝像機角度的校正

實際定位誤差除與上述定位算法有關外還與地圖測繪精度、數(shù)字云臺角度機械偏差、實時氣象條件、地理坡度各異性等因素密切有關，特別是水平角的細微偏差對最終的定位結果會產(chǎn)生較大影響。為了減小單點定位的誤差，須對攝像機的水平角α和旋轉(zhuǎn)角β進行校正。在單點定位數(shù)學模型中，當α=90°，0°＜β＜360°時攝像機要絕對水平，當 β=0°時攝像機要朝向正北方向。

目前對攝像機水平角的校正多采用水平儀，然后對瞭望塔上的云臺支架進行調(diào)整，難度較大，成本較高;對攝像機旋轉(zhuǎn)角的校正多采用指南針，受云臺電機中磁場干擾很大。采用這2種方法對攝像機角度的校正都存在很大誤差。本系統(tǒng)在不改變云臺支架等硬件結構的前提下，利用GPS和 GIS對攝像機角度進行校正，對角度誤差進行補償，節(jié)約施工成本，效率高，提高了定位精度。

2.2.1 水平角的校正

在實際應用中，攝像機和云臺的安裝很難達到理想水平位置。攝像機掃描一周所確定的平面與水平面會有一個夾角，導致監(jiān)測點回傳的水平角與攝像機實際的水平角之間存在一定偏差，而且該偏差隨著旋轉(zhuǎn)角的變化而變化。

假設攝像機掃描一周所確定的平面與水平面之間的夾角為θ，監(jiān)測點回傳的水平角與攝像機實際的水平角之差為γ，已知攝像機的旋轉(zhuǎn)角為β，水平角校正的數(shù)學模型如圖6所示。

圖6 水平角校正的數(shù)學模型

由圖6可得:

式中θ是一個未知的常數(shù)，可通過代入一個初始值計算出。假設一個目標點P，使攝像機視窗中心線對準 P，監(jiān)測點回傳的攝像機水平角為 α’，利用GPS測定P點的經(jīng)緯度 (x，y)，已知攝像機H點的經(jīng)緯度和高度，在GIS中計算出攝像機實際的水平角α，可得:

2.2.2 旋轉(zhuǎn)角的校正

在地理信息系統(tǒng)中，在瞭望塔的正北方向選定一個目標點P，使攝像機視窗中心線對準P，此時攝像機實際的旋轉(zhuǎn)角應該為0，監(jiān)測點回傳的攝像機旋轉(zhuǎn)角β′即為旋轉(zhuǎn)角的誤差值。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及試驗結果

利用內(nèi)蒙古白狼林區(qū)三廣山進行了施工試驗。測得三廣山瞭望塔的經(jīng)緯度 (x1，y1)為(120°13′15.30″，46°97′19.97″)，海拔為1 400 m，塔高為15 m。在攝像機的監(jiān)測范圍內(nèi)選擇了4個試驗點分別進行了放火試驗，系統(tǒng)自動識別出火點并進行定位，定位結果如圖7所示。

圖7 定位試驗的結果

利用公式和高斯－克呂格投影平面直角坐標反解地理坐標的方法，分別定位出放火試驗點的經(jīng)緯度坐標 (表1)。

利用GPS測得放火試驗點的經(jīng)緯度坐標如表2所示。

表1 系統(tǒng)自動定位出的試驗點經(jīng)緯度

表2 GPS測出的試驗點經(jīng)緯度

比較系統(tǒng)自動定位試驗結果和GPS測得的放火試驗點經(jīng)緯度坐標，考慮到GPS定位誤差，經(jīng)緯度誤差大概為8″，距離誤差約為350 m。

4 小結

利用ArcEngine和數(shù)據(jù)庫技術，設計了林火視頻監(jiān)測定位系統(tǒng)，并選擇在內(nèi)蒙古白狼林區(qū)進行了初步試驗，試驗結果表明:系統(tǒng)適用于可見光下森林防火視頻監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了林火定位，為森林防火決策部門提供關鍵的火點位置信息，提高滅火的效率，減少森林火災損失。

本系統(tǒng)對將林火監(jiān)測系統(tǒng)單點定位進行了初步探索，實現(xiàn)了主要的功能。但是，對于本系統(tǒng)在大范圍森林防火視頻監(jiān)測工程中應用，還需對單點定位算法在攝像機防抖功能上做進一步研究，以減少瞭望塔在風力作用下擺動帶來的定位誤差;對雙點定位和多點定位算法做進一步研究，以減少遠距離單點定位存在的誤差。

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