改進(jìn)的閾值分割法在林火圖像分析上的應(yīng)用1)

溫雪巖 王雨婷 朱 泳 金曉慶 羿宏雷

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所)

森林火災(zāi)會(huì)給森林帶來(lái)不可逆轉(zhuǎn)的災(zāi)難。因?yàn)樗粌H燒毀成片森林，傷害林內(nèi)動(dòng)物，還會(huì)降低森林的新陳代謝功能，引起土壤貧瘠和破壞森林水源，甚至導(dǎo)致整個(gè)生態(tài)環(huán)境失衡。傳統(tǒng)的林火監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括建立瞭望塔和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，瞭望塔是通過(guò)人工監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)火險(xiǎn)，該方法會(huì)因林區(qū)地勢(shì)所限，觀察范圍易出現(xiàn)許多死角和盲點(diǎn)，并且在伴隨火險(xiǎn)煙霧濃重的情況下，無(wú)法觀察清楚火險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況。視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是將采集到的視頻圖像通過(guò)微波匯總，人工進(jìn)行集中監(jiān)視，由于人個(gè)體的知識(shí)庫(kù)和經(jīng)驗(yàn)值的不同，會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)火險(xiǎn)等級(jí)的情況。本系統(tǒng)采用模擬仿真，通過(guò)遠(yuǎn)紅外線(xiàn)監(jiān)測(cè)，采集疑似火險(xiǎn)圖像，經(jīng)高通濾波去除煙霧，并且在采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)填充后，提取火焰動(dòng)態(tài)特征，分析得出結(jié)論，判定是否發(fā)生火險(xiǎn)。

MATLAB 軟件主要用于數(shù)學(xué)建模和模擬仿真，在MATLAB 平臺(tái)下，提供了一個(gè)人機(jī)交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)，數(shù)字建模，分析仿真，文件管理等操作。MATLAB 在國(guó)際科學(xué)界已被公認(rèn)為是最具影響力的圖像分析仿真軟件［1］。

1991年以來(lái)，國(guó)家林業(yè)局建立了基于地理信息系統(tǒng)GIS 的國(guó)家林火管理系統(tǒng)，解決了林相圖與地形圖的配準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題，把多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)融為一體，先后在多個(gè)地區(qū)實(shí)施推廣。中國(guó)林科院基于View GIS 平臺(tái)，完成了一整套林火管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，具有較完備的決策能力，能夠生成相關(guān)林火專(zhuān)圖。2003年，中科院遙感應(yīng)用研究所建成了森林火災(zāi)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)紅外探測(cè)器對(duì)城市以及周邊地區(qū)森林進(jìn)行火險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，開(kāi)發(fā)建立了幾個(gè)重點(diǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)防火監(jiān)控與指揮系統(tǒng)。通過(guò)GPS 對(duì)森林火險(xiǎn)的精準(zhǔn)定位，把采集到的信息傳回防火指揮中心，達(dá)到森林防火的目標(biāo)。迄今為止，國(guó)家大力加強(qiáng)廣義3S 技術(shù)在林火輔助決策上的應(yīng)用，對(duì)天氣情況，地理環(huán)境，氣候變化等多方面因素進(jìn)行權(quán)重評(píng)價(jià)，估計(jì)森林可燃物燃燒當(dāng)量，預(yù)測(cè)火險(xiǎn)等級(jí)［2］。

1 圖像預(yù)處理

對(duì)遠(yuǎn)紅外線(xiàn)采集到的彩色圖像經(jīng)過(guò)灰度變換，轉(zhuǎn)換成灰度圖像，用代碼y1=rgb2gray(y)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是建立在數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上的一門(mén)學(xué)科。到目前為止，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)已經(jīng)形成了全新的圖像處理方法和理論，成為計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。

開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中最基本的兩個(gè)運(yùn)算。開(kāi)運(yùn)算是先腐蝕后膨脹的過(guò)程，它可以去除目標(biāo)區(qū)域外孤立的點(diǎn)，平滑較大物體的邊界，并且在細(xì)微處分離物體也有著良好的效果。閉運(yùn)算是先膨脹后腐蝕的過(guò)程，它能有效填充物體內(nèi)細(xì)小的孔洞，連接鄰近的物體，形成統(tǒng)一整體。本系統(tǒng)主要應(yīng)用的是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的開(kāi)閉運(yùn)算組合。

圖1 灰度圖像

本試驗(yàn)采集連續(xù)的5 幀火焰圖像，經(jīng)過(guò)巴特沃思高通濾波器消除煙霧后，運(yùn)用開(kāi)閉運(yùn)算組合，填充圖像中孔洞和圖像邊緣，去除目標(biāo)區(qū)域外孤立的小點(diǎn)、毛刺和小橋，使物體的整體邊界變得平滑，同時(shí)在最大程度上保留物體原有的面積。用代碼s=strel(‘disk’，5);y2 = imclose(y1，s);y3 = imopen(y2，s)來(lái)實(shí)現(xiàn)。函數(shù)strel 在操作結(jié)構(gòu)元素應(yīng)用，函數(shù)imclose 對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)閉運(yùn)算，函數(shù)imopen 對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)開(kāi)運(yùn)算。如圖2—圖3所示。

圖2 閉運(yùn)算

2 改進(jìn)的閾值分割法

將圖像直方圖按設(shè)定的灰度值分割成兩部分，當(dāng)被分割的兩部分圖像類(lèi)間方差最大，類(lèi)內(nèi)方差最小時(shí)，這個(gè)設(shè)定的灰度值就是圖像分割的最佳閾值。

圖3 開(kāi)運(yùn)算

假設(shè)圖像有L 個(gè)灰度級(jí)，用閾值T 分割成兩部分A1和A2。Pi為灰度級(jí)為i 的像素出現(xiàn)的概率。如式(1)所示。

式中:w1，w2表示圖像中兩部分的灰度均值，w 則表示整幅圖像的灰度均值。

式(2)中，〥in代表類(lèi)內(nèi)方差，〥out代表類(lèi)間方差。

灰度值應(yīng)選取類(lèi)間方差最大，類(lèi)內(nèi)方差最小的值，所以由式(3)得出:

計(jì)算出Q 的最大值，就是最佳閾值T。

為了解決目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域灰度級(jí)相近的問(wèn)題，減少圖像分割時(shí)所造成的誤差，本系統(tǒng)決定對(duì)所取得的閾值進(jìn)行加權(quán)成為兩個(gè)新的閾值，加權(quán)參數(shù)的選取由對(duì)圖像的修改情況決定。

3 火焰特征提取

3.1 火焰面積判別

早期森林火險(xiǎn)是不穩(wěn)定且不斷變化的，它的主要特征集中于火焰的邊緣，例如火焰面積增大，火焰尖角數(shù)目改變，火焰邊緣抖動(dòng)劇烈和整體發(fā)生移動(dòng)等。

針對(duì)火焰面積增大的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)分別采集兩組連續(xù)的5 幀圖像進(jìn)行對(duì)比，一組為蠟燭火焰，另一組為燃燒火焰，計(jì)算出兩組圖像目標(biāo)區(qū)域的面積，并求出相鄰兩幅圖像的面積差和前M 幅圖像面積均值進(jìn)行比較。

假設(shè)采集到連續(xù)的M 幅圖像，計(jì)算每幅圖像的面積Sm，兩幅相鄰圖像的面積差Sij和前M 幅圖像的面積均值A(chǔ)m，通過(guò)分析結(jié)果獲得面積的特征參數(shù)。如表1所示。

表1 火災(zāi)火焰和蠟燭燃燒面積比較

從表1得出，火焰在燃燒過(guò)程中面積持續(xù)增大，相鄰面積差和面積均值都發(fā)生了大幅度變化。反之，蠟燭的面積增長(zhǎng)幅度較小，相鄰面積改變不大，而且面積平均值也幾乎是一個(gè)恒定的值。所以由結(jié)果得出，火焰面積增大可以作為判別火險(xiǎn)發(fā)生的依據(jù)。

雖然上述方法能夠區(qū)分出火焰和固定光源，但是，當(dāng)固定光源迅速向攝像頭移動(dòng)時(shí)，固定光源的面積也會(huì)出現(xiàn)迅速增大的情況，所以火焰面積增大的特性，不能單一使用來(lái)判別火險(xiǎn)的發(fā)生，需要聯(lián)合其他特性共同進(jìn)行判別。

3.2 火焰的圓形度判別

在經(jīng)過(guò)圖像分割之后，需要繼續(xù)判斷目標(biāo)圖像中亮點(diǎn)區(qū)域是否滿(mǎn)足火焰的特征。固定光源的形狀都比較規(guī)則，而火焰在燃燒過(guò)程中由于邊緣抖動(dòng)導(dǎo)致火焰形狀呈現(xiàn)不規(guī)則狀。利用這個(gè)特點(diǎn)可以通過(guò)計(jì)算圓形度來(lái)識(shí)別火焰。但是在提取邊界鏈碼的時(shí)候，很可能由于邊界粗糙，有毛刺，把不是邊界的地方誤標(biāo)成邊界，所以要先經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理。減少計(jì)算周長(zhǎng)的誤差。

圓形度:D=C2/S。

其中:D 代表圓形度，C 代表火焰周長(zhǎng)，S 代表火焰面積?；鹧娴闹荛L(zhǎng)可以通過(guò)代碼C = length(find(bwperim(y3，4)= = 1))來(lái)實(shí)現(xiàn)。Bwperim函數(shù)是查找二值圖像的邊緣，find 函數(shù)用于返回所需要元素的所在位置，l 是求某一個(gè)矩陣或者向量的長(zhǎng)度。設(shè)定水平和垂直的步幅為單位長(zhǎng)度，對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度為兩個(gè)直角步還原成一個(gè)對(duì)角步，長(zhǎng)度也為按照上述的規(guī)則進(jìn)行遍歷，就可以得到目標(biāo)區(qū)域的周長(zhǎng)。面積則可以通過(guò)計(jì)算目標(biāo)區(qū)域的亮點(diǎn)總數(shù)得到。由代碼S= 450×450×s/(s(y3，1)×s(y3，2))實(shí)現(xiàn)。函數(shù)s 用來(lái)獲取矩陣的行數(shù)和列數(shù)，函數(shù)s 用來(lái)求和計(jì)算。結(jié)果如表2所示。

表2 火焰與蠟燭圓形度比較

圓形度表示的是圖像形狀的復(fù)雜程度。物體的形狀越復(fù)雜，圓形度的值也會(huì)越大。從表2可以看出，比較兩組圖像，火焰圓形度和蠟燭圓形度都具有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的值，但是兩者圓形度的差別很大?；鹧鎴A形度在燃燒過(guò)程中變化很大，而蠟燭的變化卻很小，基本上趨于一個(gè)穩(wěn)定的恒值。這里需要指出的是，火焰在燃燒過(guò)程中，圓形度會(huì)隨著時(shí)間和火險(xiǎn)的變化而相對(duì)發(fā)生變化，所以只有在有限時(shí)間內(nèi)采集連續(xù)的圖像，才可以獲得相對(duì)穩(wěn)定的圓形度數(shù)值。從計(jì)算結(jié)果可以得出，圓形度可以作為判別火險(xiǎn)的重要依據(jù)。

3.3 火焰質(zhì)心偏移距離

質(zhì)心是質(zhì)量中心的簡(jiǎn)稱(chēng)，它指物質(zhì)系統(tǒng)上被認(rèn)為質(zhì)量集中于此的一個(gè)假想點(diǎn)。質(zhì)心的位置矢量是用質(zhì)心坐標(biāo)來(lái)表示。即:以質(zhì)量為權(quán)的平均坐標(biāo)。由牛頓運(yùn)動(dòng)定律可以推出質(zhì)心運(yùn)動(dòng)定律:質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)和一個(gè)位于質(zhì)心的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)相同，該質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量等于質(zhì)點(diǎn)系的總質(zhì)量，而該質(zhì)點(diǎn)的作用力等于作用于質(zhì)點(diǎn)系上的所有外力平移到這一點(diǎn)后的矢量和。

火焰質(zhì)心的坐標(biāo):

兩點(diǎn)間的距離:

固定光源的質(zhì)心是處于穩(wěn)定狀態(tài)的，而火焰在劇烈燃燒的過(guò)程中，火焰的質(zhì)心坐標(biāo)會(huì)變化，導(dǎo)致質(zhì)心偏移距離的產(chǎn)生。如表3所示。

表3 火焰質(zhì)心偏移距離比較

從表3中可以看出，在連續(xù)火焰圖像中，火焰的質(zhì)心坐標(biāo)在不斷的發(fā)生改變，根據(jù)兩點(diǎn)間的距離公式可以得出相鄰兩幅圖像的火焰質(zhì)心偏移距離也發(fā)生改變。相反的，蠟燭燃燒圖像中，蠟燭的質(zhì)心坐標(biāo)沒(méi)有發(fā)生大的變化，質(zhì)心偏移距離也趨近于零。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證火焰質(zhì)心偏移距離可以成為判定火險(xiǎn)發(fā)生的重要依據(jù)。

4 結(jié)論

用這種改進(jìn)的閾值分割法來(lái)火險(xiǎn)識(shí)別比傳統(tǒng)的火險(xiǎn)識(shí)別方法存在著很多優(yōu)勢(shì)。

系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)紅外線(xiàn)大面積覆蓋的晝夜監(jiān)測(cè)，可以有效的提高了監(jiān)測(cè)的效率，大幅度降低了由人工集中監(jiān)測(cè)造成的漏報(bào)、錯(cuò)報(bào)機(jī)率。當(dāng)采集到疑似火險(xiǎn)圖像時(shí)，系統(tǒng)使用巴特沃思高通濾波器作為濾波器，應(yīng)用傅里葉變化函數(shù)的方法消除煙霧，為后期的林火圖像分析、處理奠定基礎(chǔ)。應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進(jìn)行空洞和邊緣填充，去除噪聲干擾，平滑目標(biāo)區(qū)域邊界，便于火焰的動(dòng)態(tài)特征提取。以火焰面積，火焰圓形度和火焰質(zhì)心偏移距離作為火險(xiǎn)的判定依據(jù)，可以精確地判斷出是否有火險(xiǎn)發(fā)生。

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