紅外成像技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

■ 王洋

火災(zāi)往往是由不明顯的隱火引發(fā)的，用現(xiàn)有的普通監(jiān)視系統(tǒng)很難發(fā)現(xiàn)這種隱性火災(zāi)苗頭。而紅外熱像儀不需要可見(jiàn)光的支持。由于紅外熱像儀的感熱特性，應(yīng)用紅外熱像儀的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以更迅速地對(duì)濃煙、地下火、隱性火等火情進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)將火災(zāi)消滅在萌芽階段。

森林火災(zāi)是一種受天氣條件和生態(tài)環(huán)境影響的嚴(yán)重自然災(zāi)害，突發(fā)性強(qiáng)，破壞性大，撲救難度大，是森林災(zāi)害之首。傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)以瞭望臺(tái)為主, 巡航飛機(jī)和衛(wèi)星測(cè)報(bào)為輔。瞭望臺(tái)通過(guò)用肉眼觀察煙霧來(lái)發(fā)現(xiàn)森林火情, 一般小火時(shí)煙霧不易發(fā)現(xiàn), 發(fā)現(xiàn)時(shí)往往已釀成火災(zāi), 此時(shí)煙霧彌漫很難發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生的位置和發(fā)展方向。通過(guò)觀察煙霧測(cè)定的數(shù)據(jù)誤差較大, 尤其在夜間觀測(cè)困難。因此，采用視頻監(jiān)控方式第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火情就顯得十分必要。由于普通CCD受大霧、光線等環(huán)境影響嚴(yán)重，觀測(cè)范圍比較小火災(zāi)識(shí)別率不高。如在大面積的森林中，火災(zāi)往往是由不明顯的隱火引發(fā)的，這是毀滅性火災(zāi)的根源。用現(xiàn)有的普通監(jiān)視系統(tǒng)很難發(fā)現(xiàn)這種隱性火災(zāi)苗頭。而紅外熱像儀應(yīng)用在森林防火中，相比于普通的的視頻監(jiān)控方式的最大優(yōu)點(diǎn)就是不需要可見(jiàn)光的支持，這對(duì)于受光線限制的林區(qū)或者是在夜間探測(cè)的情況下，極大的便于火情的早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)防，而且大大降低了森林防火工作中的成本。并且由于紅外熱像儀的感熱特性，應(yīng)用紅外熱像儀的視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以更迅速地對(duì)濃煙、地下火、隱性火等火情進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)將火災(zāi)消滅在萌芽階段。

一、紅外技術(shù)原理

紅外輻射是物體的固有屬性，其本質(zhì)是物質(zhì)內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)，任何高于絕對(duì)零度以上的物體（包括固體、液體和氣體）都有紅外輻射，物體的溫度越高，分子或原子運(yùn)動(dòng)越劇烈，其紅外輻射越多。當(dāng)物體與周圍背景之間、以及物體本身不同部位之間存在著溫差，就會(huì)輻射出不同的能量，紅外成像器利用物體間的紅外輻射差來(lái)探測(cè)成像。根據(jù)普朗克定理，從熱力學(xué)溫度為 的物體的單位面積上，在單位波長(zhǎng)范圍內(nèi)所輻射的電磁波的功率為：

因而任何物體在任何時(shí)刻都要源源不斷地向外輻射電磁波。物體輻射的電磁波是其溫度的函數(shù)，通常還與物體的輻射本領(lǐng)有關(guān)。紅外輻射是介于可見(jiàn)光與微波之間的電磁波，其波長(zhǎng)在0．75um-1000um之間。由于人的眼睛看不到紅外輻射，需要借助紅外探測(cè)系統(tǒng)才能進(jìn)行觀測(cè)。被動(dòng)式紅外探測(cè)系統(tǒng)就是利用物體溫度及其輻射本領(lǐng)的差異制成的，用它可以對(duì)物體進(jìn)行探測(cè)、測(cè)量、跟蹤、搜索和成像等。

來(lái)自目標(biāo)或輻射源的紅外輻射，經(jīng)大氣傳輸后，被光學(xué)系統(tǒng)接收，調(diào)焦并聚焦到紅外探測(cè)器的響應(yīng)平面上，然后把輸入的紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過(guò)放大和處理，最后在顯示系統(tǒng)中顯示出來(lái)，或者驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。這種紅外探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠直接反映物體的特征參量。如物體的溫度或物體的各部分溫度的分布情況，物體的空間方位及其運(yùn)動(dòng)情況等等。

紅外探測(cè)器是紅外熱像儀的核心器件可分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。熱探測(cè)器是指吸收紅外輻射后，使熱敏元件溫度升高從而引起與溫度有關(guān)的物理參數(shù)改變的探測(cè)器，如：熱敏電阻、熱電耦、熱釋電電測(cè)器等；光子探測(cè)器是通過(guò)光子與物質(zhì)內(nèi)部電子相互作用，產(chǎn)生電子能態(tài)變化而完成光電轉(zhuǎn)換的探測(cè)器，分為光導(dǎo)型與光伏型兩類。光導(dǎo)型探測(cè)器是當(dāng)半導(dǎo)體吸收光子能量后產(chǎn)生非平衡載流子，參與導(dǎo)電使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加；光伏型探測(cè)器是在非本征半導(dǎo)體上形成P-N結(jié)，在入射光子的作用下產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，結(jié)間電場(chǎng)使兩類載流子分開(kāi)而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)探測(cè)器單元數(shù)，探測(cè)器分為單元探測(cè)器、線陣列探測(cè)器和面陣探測(cè)器。

圖1：紅外熱像儀組成

二、預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)組成

1、紅外熱像儀

紅外熱像儀能夠在漆黑的夜晚生成鮮明的圖像，不同于其它技術(shù)，紅外熱像儀無(wú)需光線亦可產(chǎn)生鮮明圖像，其可穿透薄霧和煙霧，在任何天氣條件下進(jìn)行拍攝，這就使其成為全天候不間斷遠(yuǎn)程監(jiān)控的絕佳選擇。除了基本的熱成像功能之外，紅外熱像儀還具有測(cè)溫功能，數(shù)字圖像增強(qiáng)技術(shù)和偽彩色功能。測(cè)溫功能可以幫助工作人員實(shí)時(shí)了解所觀測(cè)點(diǎn)的溫度信息并分析圖像最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)區(qū)域；數(shù)字細(xì)節(jié)增強(qiáng)技術(shù)可以提高紅外成像系統(tǒng)的細(xì)節(jié)分辨能力，方便人工識(shí)別火源及其他高溫目標(biāo)；偽彩色技術(shù)可以將黑白熱圖像轉(zhuǎn)換為彩色圖像，進(jìn)一步增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。

2、可見(jiàn)光高清相機(jī)

可見(jiàn)光高清相機(jī)作為紅外熱像儀的輔助，可以進(jìn)一步幫助工作人員及時(shí)有效的識(shí)別火源；同時(shí)，在后臺(tái)運(yùn)行透霧算法，可以有效減弱霧霾天氣對(duì)可見(jiàn)光成像的影響，最大限度地為工作人員呈現(xiàn)鮮明清晰的可見(jiàn)光圖像。

圖2：可見(jiàn)光開(kāi)啟透霧算法效果圖

3、前端設(shè)備

紅外可見(jiàn)光雙目熱源探測(cè)與預(yù)警網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用一體化雙光譜設(shè)計(jì)，同時(shí)集云臺(tái)護(hù)罩、視頻編碼器于一體，兼有可見(jiàn)光和紅外夜視功能?？蓪?duì)視場(chǎng)范圍內(nèi)觀測(cè)物體進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)視場(chǎng)中的高溫目標(biāo)并發(fā)送目標(biāo)溫度及報(bào)警信息。設(shè)備采用高強(qiáng)度特殊材料，經(jīng)過(guò)特殊加固及密封處理，具有良好的抗震、抗沖擊、防塵等特性，可滿足室外架設(shè)條件，是全天候安防監(jiān)控的必備設(shè)備，產(chǎn)品可與目前常用平臺(tái)和控制設(shè)備兼容，根據(jù)不同監(jiān)控需求，增加了自動(dòng)巡航、削蘋(píng)果皮、360度螺旋掃描等多種掃描模式，云臺(tái)在掃描過(guò)程中通過(guò)數(shù)據(jù)通道實(shí)時(shí)回傳云臺(tái)當(dāng)前水平、俯仰的方位角位置，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)視頻信息和控制信息進(jìn)行傳輸。

4、數(shù)據(jù)傳輸

前端由采集定位系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、設(shè)備防盜監(jiān)控系統(tǒng)、避雷接地系統(tǒng)、智能太陽(yáng)能供電系統(tǒng)等組成；中繼由無(wú)線網(wǎng)橋、傳輸天線、智能太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、避雷接地系統(tǒng)等組成；中心控制設(shè)備終端由網(wǎng)絡(luò)視頻管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、林火自動(dòng)識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)、短信發(fā)布平臺(tái)、傳輸系統(tǒng)、電視墻系統(tǒng)、UPS電源等組成。

三、森林防火關(guān)鍵技術(shù)

1、紅外圖像編碼

MPEG4是ISO 及IEC 聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)下設(shè)一個(gè)工作組，它開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)通常稱為MPEG 標(biāo)準(zhǔn)，主要有MPEG-1（VCD），MPEG-2（DVD 和數(shù)字電視），MPEG-4(internet 視頻應(yīng)用)，在視頻監(jiān)控領(lǐng)域均可按照需求，選用這些標(biāo)準(zhǔn)。其中MPEG-1 主要針對(duì)1．5Mbit/s 以下碼率的數(shù)字存儲(chǔ)媒體應(yīng)用的活動(dòng)圖像及其伴音編碼；MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)制定了視頻網(wǎng)上傳播協(xié)議，當(dāng)MPEG 的視頻信號(hào)打包傳輸流（Transport Stream，TS）后，可以在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)視頻的流式播放， 它可以適應(yīng)不同應(yīng)用的需要和不同終端接收設(shè)備的限制，其視頻碼率范圍是220Mbit/s；MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)主要是提供極低速率的視頻流，使視頻流在Internet以及移動(dòng)通信網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)視頻應(yīng)用。

2、圖像預(yù)處理

系統(tǒng)抓取的是一幅384×288 大小的RGB 紅外圖像， 在對(duì)圖像進(jìn)行火點(diǎn)識(shí)別之前必須先將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。經(jīng)試驗(yàn)表明R、G、B3個(gè)分量采用如下公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到的灰度圖像效果最好：

bmpdata[x,y]= 0.299×red + 0.587×green + 0.114×blue

式中bmpdata [x,y] 表示灰度圖像第x 行第y 列像素的灰度值（大小是0～255）；red、green、blue 分別代表RGB 圖像中第x 行第y 列像素的R、G、B 三個(gè)分量值。

3、火點(diǎn)識(shí)別

預(yù)處理完的灰度圖像與普通相機(jī)圖片明顯不同，它不是人眼能看到的目標(biāo)可見(jiàn)光圖像，而是目標(biāo)表面溫度分布圖像。由于森林火災(zāi)的火焰溫度一般遠(yuǎn)在600°C 以上，在波長(zhǎng)為：3～5μm紅外線的波段上有較強(qiáng)的輻射，而背景的林地植被的地表溫度一般僅有20～30°C，甚至更低，與火焰有較大的反差，在圖像上可清晰的顯示出來(lái)。溫度越高的區(qū)域圖像的灰度值就越大，表現(xiàn)在圖像上就越亮。根據(jù)試驗(yàn)調(diào)整紅外攝像機(jī)的亮度和對(duì)比度，使溫度為100°C 的點(diǎn)在圖像上的灰度值為150，因此，可以根據(jù)試驗(yàn)事先設(shè)置著火點(diǎn)溫度的閥值，當(dāng)灰度值高于這一閥值時(shí)系統(tǒng)便認(rèn)為發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)。為了提高系統(tǒng)靈敏度和可靠性，火點(diǎn)識(shí)別時(shí)還可以對(duì)圖像中發(fā)現(xiàn)異常點(diǎn)的個(gè)數(shù)設(shè)置閥值。當(dāng)發(fā)現(xiàn)的異常點(diǎn)超過(guò)閥值之后才認(rèn)為發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)。這樣不僅可以盡量減少系統(tǒng)誤報(bào)次數(shù)，還可以提高系統(tǒng)工作的可靠性。

四、結(jié)束語(yǔ)

森林火災(zāi)是世界性的林業(yè)重要災(zāi)害之一，隨著中國(guó)造林事業(yè)的不斷發(fā)展，防火工作成為首要任務(wù)。紅外成像應(yīng)用在森林防火中相比于傳統(tǒng)的防火方式最大優(yōu)點(diǎn)就是不需要可見(jiàn)光的支持，這對(duì)于受光線限制的林區(qū)或者是在夜間探測(cè)的情況下，極大的便于火情的早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)防，而且大大降低了森林防火工作中的成本。

由于我國(guó)生態(tài)建設(shè)進(jìn)程加快，森林資源豐富，風(fēng)景旅游區(qū)林草茂密，以森林景觀為主的風(fēng)景旅游區(qū)面積不斷擴(kuò)大，林區(qū)可燃物增多，面臨著林火隱患和森林火災(zāi)威脅，防火任務(wù)日益艱巨。森林防火工作仍存在野外火源管理難度大，林區(qū)火災(zāi)隱患增多等薄弱環(huán)節(jié)。如何提升森林防火現(xiàn)代化水平，及時(shí)掌握了解各個(gè)林區(qū)、風(fēng)景旅游區(qū)的現(xiàn)狀，及早發(fā)現(xiàn)火情，將森林火災(zāi)帶來(lái)的損失減少到最小，是目前急需解決的。基于紅外熱成像原理的森林防火預(yù)警系統(tǒng)，利用熱成像原理與視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合監(jiān)測(cè)火災(zāi)及其他異常事件，易于集成，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化，是現(xiàn)代森林防護(hù)系統(tǒng)的有效解決方案。