煙火自動(dòng)識(shí)別預(yù)警與定位系統(tǒng)在造林減排作業(yè)區(qū)的應(yīng)用

王培 羅德洪 任利萍 戴雙玲

[摘 要] 林區(qū)煙火自動(dòng)識(shí)別預(yù)警與定位系統(tǒng)是一套集林區(qū)煙火智能識(shí)別、火點(diǎn)目標(biāo)精確定位以及短信自動(dòng)發(fā)布煙火信息為一體的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本文在詳細(xì)介紹系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)工作原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合作業(yè)區(qū)的林區(qū)特點(diǎn)和發(fā)展需求，闡述了系統(tǒng)在造林減排作業(yè)區(qū)功能的實(shí)現(xiàn)，并指出系統(tǒng)在今后應(yīng)用中的發(fā)展方向。

[關(guān)鍵詞] 林區(qū)工程；造林減排作業(yè)區(qū)；林區(qū)防火；煙火識(shí)別

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 04. 023

[中圖分類號(hào)] F272.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2014）04- 0041- 03

1 引 言

新疆油田公司供水公司造林減排作業(yè)區(qū)地處于準(zhǔn)噶爾盆地西北緣的半荒漠湖積平原上，是克拉瑪依50萬(wàn)畝生態(tài)農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的一部分。自2001年建設(shè)以來(lái)，林區(qū)種植面積已達(dá)10萬(wàn)畝，基本上滿足了克拉瑪依綠化、碳匯以及生態(tài)環(huán)境服務(wù)的需求。為鞏固作業(yè)區(qū)的造林成果，實(shí)現(xiàn)造林減排基地的可持續(xù)健康發(fā)展及區(qū)域生態(tài)安全，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用林區(qū)煙火自動(dòng)識(shí)別預(yù)警與定位系統(tǒng)，成為減排基地穩(wěn)定建設(shè)的基礎(chǔ)保障。（1畝≈666.7平方米）

林區(qū)煙火自動(dòng)識(shí)別預(yù)警與定位系統(tǒng)是一套應(yīng)用光電技術(shù)、電子技術(shù)、高精度機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、地理信息（GIS）技術(shù)、遙感（GPS）信息技術(shù)等開(kāi)發(fā)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]，集林區(qū)煙火智能識(shí)別、火點(diǎn)目標(biāo)精確定位以及短信自動(dòng)發(fā)布煙火信息為一體，為及時(shí)地發(fā)現(xiàn)林火行為，準(zhǔn)確合理地分析判斷，進(jìn)而制定科學(xué)的決策措施提供依據(jù)，真正實(shí)現(xiàn)林區(qū)防火工作的規(guī)范化、科學(xué)化和信息化。

2 系統(tǒng)的功能構(gòu)成

林區(qū)煙火自動(dòng)識(shí)別預(yù)警與定位系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要包括：視頻采集子系統(tǒng)、訊號(hào)傳輸子系統(tǒng)、氣象信息子系統(tǒng)、防雷子系統(tǒng)、供電子系統(tǒng)以及中心分析子系統(tǒng)；軟件系統(tǒng)主要包括：林區(qū)煙火自動(dòng)識(shí)別與預(yù)警子系統(tǒng)、地理信息定位子系統(tǒng)以及智能短信發(fā)布子系統(tǒng)。

2.1 硬件系統(tǒng)構(gòu)成

視頻采集子系統(tǒng)中林區(qū)防火專用攝像機(jī)采用激光熱成像一體化全天候監(jiān)控系統(tǒng)[2-3]，黑白探測(cè)器與激光照明系統(tǒng)同步工作，具備預(yù)置位功能，可穿透霧、霾、雨、雪天氣。在監(jiān)視區(qū)域周邊發(fā)現(xiàn)異常情況后，快速鎖定目標(biāo)，達(dá)到在設(shè)備標(biāo)稱距離范圍內(nèi)無(wú)盲區(qū)監(jiān)視的目的，道路口攝像機(jī)采用紅外一體化云臺(tái)攝像機(jī)；訊號(hào)傳輸子系統(tǒng)采用有線傳輸，由視頻服務(wù)器將輸入的模擬視頻信號(hào)數(shù)字化處理后，以數(shù)字信號(hào)的模式傳送至網(wǎng)絡(luò)上，并將前端視頻和云臺(tái)狀態(tài)信息經(jīng)行回傳，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的；氣象信息子系統(tǒng)將當(dāng)前的氣象信息進(jìn)行采集，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)回饋給地理信息子系統(tǒng)，以便于地理信息系統(tǒng)進(jìn)行輔助決策；林區(qū)防火以室外工程為主，且距離監(jiān)控中心遙遠(yuǎn)，為防止室外設(shè)備遭受雷擊，在發(fā)射機(jī)和天線之間串接避雷器，電源接地，系統(tǒng)采用單獨(dú)接地極；監(jiān)控點(diǎn)采用就近取電，系統(tǒng)安全保護(hù)子系統(tǒng)主要包括UPS電源和電源控制板，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行；由于監(jiān)控點(diǎn)較多，中心分析子系統(tǒng)配置3臺(tái)計(jì)算機(jī)：1臺(tái)執(zhí)行森林煙火智能識(shí)別與預(yù)警系統(tǒng)，1臺(tái)執(zhí)行地理信息定位系統(tǒng)，1臺(tái)執(zhí)行智能短信發(fā)布系統(tǒng)。

2.2 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

林區(qū)煙火自動(dòng)識(shí)別與預(yù)警子系統(tǒng)主要分為3部分：圖像預(yù)處理、圖像光照增強(qiáng)及匹配、煙火目標(biāo)識(shí)別，其結(jié)構(gòu)流程圖如圖1所示。

2.2.1 林區(qū)煙火自動(dòng)識(shí)別與預(yù)警子系統(tǒng)

林區(qū)煙火自動(dòng)識(shí)別與預(yù)警子系統(tǒng)應(yīng)用圖像分割和識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)區(qū)分并標(biāo)記出森林區(qū)域和天際線，以降低火情虛警率。在自動(dòng)監(jiān)測(cè)狀態(tài)下，云臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，程序?qū)崟r(shí)地抓取基本照片、比較圖片，經(jīng)圖像處理提取煙火特征（如煙火的灰度分布特征、形狀和煙火的運(yùn)動(dòng)特征等），應(yīng)用模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行煙火自動(dòng)判別。通過(guò)相應(yīng)的算法，其他的非煙火目標(biāo)（如飛行物、車輛等）將被排除。林區(qū)煙火自動(dòng)識(shí)別算法[4]主要利用色彩遷移理論、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、圖像形態(tài)學(xué)以及圖像相關(guān)和匹配等處理手段減小時(shí)間變化（圖像明暗變化）[5]、早晚霞、樹(shù)影晃動(dòng)、光影、雨雪以及像素偏移等因素造成的影響，降低煙火識(shí)別誤報(bào)率，提高準(zhǔn)確率。

2.2.2 地理信息定位子系統(tǒng)

地理信息定位子系統(tǒng)主要是根據(jù)云臺(tái)返回的角度結(jié)合地理信息（GIS）技術(shù)和遙感（GPS）信息技術(shù)對(duì)林區(qū)煙火目標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確定位，給出經(jīng)緯度（同時(shí)將其發(fā)送給智能短信平臺(tái)系統(tǒng)）、火情目標(biāo)地點(diǎn)的地形信息（坡度等）和最佳撲救路線，同時(shí)結(jié)合氣象信息子系統(tǒng)返回的氣象信息分析出林區(qū)火情蔓延趨勢(shì)。根據(jù)實(shí)際需求，它可分為如下幾個(gè)子功能模塊：

（1）地形圖管理、顯示、查詢、控制模塊

該模塊是在各比例尺矢量地形圖數(shù)據(jù)安裝的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)地形圖的檢索、符號(hào)化顯示及顯示控制、信息查詢、圖上量算等功能。

（2）TM正射影象圖管理、顯示、控制模塊

系統(tǒng)采用TM正射影像圖是由3個(gè)波段合成的接近自然色的假彩色圖像，分辨率為15米，并進(jìn)行了定位、幾何糾正、拼接、裁剪、色彩均衡等處理。

（3）三維電子沙盤

依據(jù)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM）、矢量地形數(shù)據(jù)、TM正射影像數(shù)據(jù)，計(jì)算生成有光影效果的正射或透視效果的三維電子沙盤，逼真形象的實(shí)地地形的仿真，使對(duì)平面地形觀察不習(xí)慣的用戶更直觀地觀察理解地形地貌。

（4）防火專題信息管理、定位顯示、信息查詢、統(tǒng)計(jì)報(bào)表模塊

防火專題信息通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，對(duì)顯示在圖上的防火設(shè)施和防火信息符號(hào)，都有相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)與之對(duì)應(yīng)。在顯示圖標(biāo)符號(hào)地形圖上，通過(guò)鼠標(biāo)撿取某一圖標(biāo)符號(hào)，并醒目顯示該圖標(biāo)，同時(shí)根據(jù)關(guān)鍵字查詢對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，將查詢到的信息通過(guò)信息框顯示。

2.2.3 智能短信發(fā)布子系統(tǒng)

智能短信平臺(tái)系統(tǒng)主要是將地理信息系統(tǒng)傳遞的林區(qū)煙火目標(biāo)的經(jīng)緯度通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)送給林區(qū)煙火撲救部門，以便其組織撲救。其主要功能為：進(jìn)行短信數(shù)據(jù)庫(kù)管理、發(fā)送報(bào)警信息給固定的手機(jī)、將手機(jī)和電腦進(jìn)行通信連接。

2.3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

①視頻采集子系統(tǒng)采集當(dāng)前的視頻，云臺(tái)控制子系統(tǒng)執(zhí)行和查詢當(dāng)前的命令和狀態(tài)，氣象信息子系統(tǒng)獲取當(dāng)前的氣象信息；②通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸子系統(tǒng)將當(dāng)前的視頻、云臺(tái)的狀態(tài)以及氣象信息回饋給中心分析子系統(tǒng)（PC機(jī)或服務(wù)器）；③森林煙火自動(dòng)識(shí)別與預(yù)警子系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前的視頻進(jìn)行分析、判斷是否有疑似火情發(fā)生，若有火情發(fā)生則將回饋的云臺(tái)狀態(tài)信息（角度信息等）傳遞給地理信息子系統(tǒng)；④地理信息子系統(tǒng)根據(jù)接收的云臺(tái)狀態(tài)信息計(jì)算出火情目標(biāo)的精確經(jīng)緯度，對(duì)其進(jìn)行精確定位，并給出火點(diǎn)的地形信息（海拔、坡度等）以及最佳撲救路線，并將這些信息傳遞給短信平臺(tái)子系統(tǒng)；⑤短信平臺(tái)將獲取的火情信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給林區(qū)火災(zāi)撲救部門，以便其部門進(jìn)行組織撲救。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。