紅外熱成像技術在森林防火中的應用

森林火災是一種受天氣條件和生態環境影響的嚴(yan) 重自然災害，突發性強，破壞性大，撲救難度大，是森林災害之一。傳(chuan) 統的森林火災監測以瞭望台為(wei) 主, 巡航飛機和衛星測報為(wei) 輔。瞭望台通過用肉眼觀察煙霧來發現森林火情, 一般小火時煙霧不易發現, 發現時往往已釀成火災, 此時煙霧彌漫很難發現火災發生的位置和發展方向。通過觀察煙霧測定的數據誤差較大, 尤其在夜間觀測困難。因此，采用視頻監控方式馬上時間發現火情就顯得十分必要。由於(yu) 普通CCD 受大霧、光線等環境影響嚴(yan) 重，觀測範圍比較小火災識別率不高。如在大麵積的森林中，火災往往是由不明顯的隱火引發的，這是毀滅性火災的根源。用現有的普通監視係統很難發現這種隱性火災苗頭。而紅外熱像儀(yi) 應用在森林防火中，相比於(yu) 普通的的視頻監控方式的優(you) 點就是不需要可見光的支持，這對於(yu) 受光線限製的林區或者是在夜間探測的情況下，便於(yu) 火情的早期發現和預防，而且大大降低了森林防火工作中的成本。並且由於(yu) 紅外熱像儀(yi) 的感熱特性，應用紅外熱像儀(yi) 的視頻監控係統可以更迅速地對濃煙、地下火、隱性火等火情進行預警，及時將火災消滅在萌芽階段。
一、紅外技術原理
    紅外放射是物體(ti) 的固有屬性，其本質是物質內(nei) 部微觀粒子的熱運動，任何高於(yu) 零度以上的物體(ti) (包括固體(ti) 、液體(ti) 和氣體(ti) )都有紅外放射，物體(ti) 的溫度越高，分子或原子運動越劇烈，其紅外放射越多。當物體(ti) 與(yu) 周圍背景之間、以及物體(ti) 本身不同部位之間存在著溫差，就會(hui) 放射出不同的能量，紅外成像器利用物體(ti) 間的紅外放射差來探測成像。
    因而任何物體(ti) 在任何時刻都要*地向外放射電磁波。物體(ti) 放射的電磁波是其溫度的函數，通常還與(yu) 物體(ti) 的放射本領有關(guan) 。紅外放射是介於(yu) 可見光與(yu) 微波之間的電磁波，其波長在0.75um-1000um之間。由於(yu) 人的眼睛看不到紅外放射，需要借助紅外探測係統才能進行觀測。被動式紅外探測係統就是利用物體(ti) 溫度及其放射本領的差異製成的，用它可以對物體(ti) 進行探測、測量、跟蹤、搜索和成像等。
    來自目標或放射源的紅外放射，經大氣傳(chuan) 輸後，被光學係統接收，調焦並聚焦到紅外探測器的響應平麵上，然後把輸入的紅外放射信號轉變為(wei) 電信號，再經過放大和處理，後在顯示係統中顯示出來，或者驅動執行機構工作。這種紅外探測係統結構簡單，能夠直接反映物體(ti) 的特征參量。如物體(ti) 的溫度或物體(ti) 的各部分溫度的分布情況，物體(ti) 的空間方位及其運動情況等等。
    紅外探測器是紅外熱像儀(yi) 的核心器件可分為(wei) 熱探測器和光子探測器兩(liang) 大類。熱探測器是指吸收紅外放射後，使熱敏元件溫度升高從(cong) 而引起與(yu) 溫度有關(guan) 的物理參數改變的探測器，如：熱敏電阻、熱電耦、熱釋電電測器等;光子探測器是通過光子與(yu) 物質內(nei) 部電子相互作用，產(chan) 生電子能態變化而完成光電轉換的探測器，分為(wei) 光導型與(yu) 光伏型兩(liang) 類。光導型探測器是當半導體(ti) 吸收光子能量後產(chan) 生非平衡載流子，參與(yu) 導電使半導體(ti) 的電導率增加;光伏型探測器是在非本征半導體(ti) 上形成P-N結，在入射光子的作用下產(chan) 生電子-空穴對，結間電場使兩(liang) 類載流子分開而產(chan) 生電動勢。根據探測器單元數，探測器分為(wei) 單元探測器、線陣列探測器和麵陣探測器。

二、預警監控係統組成
1、紅外熱像儀(yi)
    紅外熱像儀(yi) 能夠在漆黑的夜晚生成鮮明的圖像，不同於(yu) 其它技術，紅外熱像儀(yi) 無需光線亦可產(chan) 生鮮明圖像，其可穿透薄霧和煙霧，在任何天氣條件下進行拍攝，這就使其成為(wei) 全天候不間斷遠程監控的很好選擇。除了基本的熱成像功能之外，紅外熱像儀(yi) 還具有測溫功能，數字圖像增強技術和偽(wei) 彩色功能。測溫功能可以幫助工作人員實時了解所觀測點的溫度信息並分析圖像高溫溫度點出現區域;數字細節增強技術可以提高紅外成像係統的細節分辨能力，方便人工識別火源及其他高溫目標;偽(wei) 彩色技術可以將黑白熱圖像轉換為(wei) 彩色圖像，進一步增強圖像的對比度。
2、可見光高清相機
    可見光高清相機作為(wei) 紅外熱像儀(yi) 的輔助，可以進一步幫助工作人員及時有效的識別火源;同時，在後台運行透霧算法，可以有效減弱霧霾天氣對可見光成像的影響，大限度地為(wei) 工作人員呈現鮮明清晰的可見光圖像。
3、前端設備
    紅外可見光雙目熱源探測與(yu) 預警網絡視頻監控係統采用一體(ti) 化雙光譜設計，同時集雲(yun) 台護罩、視頻編碼器於(yu) 一體(ti) ，兼有可見光和紅外夜視功能。可對視場範圍內(nei) 觀測物體(ti) 進行全天候實時監測，自動發現視場中的高溫目標並發送目標溫度及報警信息。設備采用高強度特殊材料，經過特殊加固及密封處理，具有良好的抗震、抗衝(chong) 擊、防塵等特性，可滿足室外架設條件，是全天候視頻監控的*設備，產(chan) 品可與(yu) 目前常用平台和控製設備兼容，根據不同監控需求，增加了自動巡航、削蘋果皮、360度螺旋掃描等多種掃描模式，雲(yun) 台在掃描過程中通過數據通道實時回傳(chuan) 雲(yun) 台當前水平、俯仰的方位角位置，通過無線網絡對視頻信息和控製信息進行傳(chuan) 輸。
4、數據傳(chuan) 輸
    前端由采集定位係統、傳(chuan) 輸係統、設備防盜監控係統、避雷接地係統、智能太陽能供電係統等組成;中繼由無線網橋、傳(chuan) 輸天線、智能太陽能供電係統、避雷接地係統等組成;中心控製設備終端由網絡視頻管理係統、地理信息係統、林火自動識別報警係統、短信發布平台、傳(chuan) 輸係統、電視牆係統、U P S電源等組成。
三、森林防火關(guan) 鍵技術
1、紅外圖像編碼
    MPEG4是ISO 及IEC 聯合技術委員會(hui) 下設一個(ge) 工作組， 它開發的標準通常稱為(wei) MPEG 標準，主要有MPEG-1(VCD)，MPEG-2(DVD 和數字電視)，MPEG-4(internet 視頻應用)，在視頻監控領域均可按照需求，選用這些標準。其中MPEG-1 主要針對1.5Mbit/s 以下碼率的數字存儲(chu) 媒體(ti) 應用的活動圖像及其伴音編碼;MPEG-2 標準製定了視頻網上傳(chuan) 播協議，當MPEG 的視頻信號打包傳(chuan) 輸流(Transport Stream，TS)後，可以在廣域網或局域網上實現視頻的流式播放， 它可以適應不同應用的需要和不同終端接收設備的限製，其視頻碼率範圍是220Mbit/s;MPEG-4 標準主要是提供極低速率的視頻流，使視頻流在Internet以及移動通信網上實現視頻應用。
2、圖像預處理
    係統抓取的是一幅384×288 大小的RGB 紅外圖像， 在對圖像進行火點識別之前必須先將圖像轉換為(wei) 灰度圖像。經試驗表明R、G、B3個(ge) 分量采用如下公式進行轉換得到的灰度圖像效果很好：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(ge) 分量值。
3、火點識別
    預處理完的灰度圖像與(yu) 普通相機圖片明顯不同，它不是人眼能看到的目標可見光圖像，而是目標表麵溫度分布圖像。由於(yu) 森林火災的火焰溫度一般遠在600°C 以上，在波長為(wei) ：3～5μm 紅外線的波段上有較強的放射，而背景的林地植被的地表溫度一般僅(jin) 有20～30°C，甚至更低，與(yu) 火焰有較大的反差，在圖像上可清晰的顯示出來。溫度越高的區域圖像的灰度值就越大，表現在圖像上就越亮。根據試驗調整紅外攝像機的亮度和對比度，使溫度為(wei) 100°C 的點在圖像上的灰度值為(wei) 150，因此，可以根據試驗事先設置著火點溫度的閥值，當灰度值高於(yu) 這一閥值時係統便認為(wei) 發現著火點。為(wei) 了提高係統靈敏度和可靠性，火點識別時還可以對圖像中發現異常點的個(ge) 數設置閥值。當發現的異常點超過閥值之後才認為(wei) 發現著火點。這樣不僅(jin) 可以盡量減少係統誤報次數，還可以提高係統工作的可靠性。

    森林火災是性的林業(ye) 重要災害之一，隨著造林事業(ye) 的不斷發展，防火工作成為(wei) 首要任務。紅外成像應用在森林防火中相比於(yu) 傳(chuan) 統的防火方式優(you) 點就是不需要可見光的支持，這對於(yu) 受光線限製的林區或者是在夜間探測的情況下，便於(yu) 火情的早期發現和預防，而且大大降低了森林防火工作中的成本。
    由於(yu) 我國生態建設進程加快，森林資源豐(feng) 富，風景旅遊區林草茂密，以森林景觀為(wei) 主的風景旅遊區麵積不斷擴大，林區可燃物增多，麵臨(lin) 著林火隱患和森林火災威脅，防火任務日益艱巨。森林防火工作仍存在野外火源管理難度大，林區火災隱患增多等薄弱環節。如何提升森林防火現代化水平，及時掌握了解各個(ge) 林區、風景旅遊區的現狀，及早發現火情，將森林火災帶來的損失減少到小，是目前急需解決(jue) 的。基於(yu) 紅外熱成像原理的森林防火預警係統，利用熱成像原理與(yu) 視頻監控係統結合監測火災及其他異常事件，易於(yu) 集成，並實現了網絡化，是現代森林防護係統的有效解決(jue) 方案。