紅外熱成像技術(shù)在嶗山森林防火系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

摘要：介紹了紅外熱成像技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，提出了基于紅外熱成像技術(shù)的森林火災(zāi)識(shí)別方法。通過對(duì)紅外熱圖像進(jìn)行處理和像素識(shí)別，可及早準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)森林火情，克服了普通CCD攝像機(jī)及傳統(tǒng)森林防火系統(tǒng)受天氣、光照等條件限制的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于嶗山森林防火系統(tǒng)中，并取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：紅外圖像；森林防火；火災(zāi)識(shí)別；視頻編碼

中圖分類號(hào)： TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)33-1494-02

Research and Application of Infrared Thermal Imaging Technology in Laoshan Forest Fire Prevention System

JIN Da-lu1， WANG De-xing2， YANG Peng1

(1.Computer College of Qingdao Technological University， Qingdao 266033，China;2.Institute of Modern Communication Technology of Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China)

Abstract: The principle and characteristics of the infrared thermal imaging are introduced， and a new forest fire identify method is proposed. The forest fire can be found accurately and early， and it has overcome the shortcoming that ordinary CCD camera and traditional forest fire prevention system are limited by conditions such as the weather， illumination， etc. This system has already been applied to the forest fire prevention system of Laoshan， and made a good result.

Key words: infrared image; forest fire prevention; fire recognition; video encoder

1 引言

森林火險(xiǎn)預(yù)警的重要手段之一就是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的直接觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)森林防火指揮中心對(duì)所管轄地區(qū)的全天候圖像檢測(cè)是森林防火發(fā)展的必然趨勢(shì)。中國(guó)森林火險(xiǎn)預(yù)警多采用瞭望塔、護(hù)林塔、飛機(jī)檢測(cè)等常規(guī)火災(zāi)檢測(cè)方法[1]。近幾年還提出了利用普通CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的圖像識(shí)別，但由于普通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。

青島市森林資源覆蓋率較低，森林資源較為集中地分布在作為重點(diǎn)旅游資源之一的嶗山。嶗山林區(qū)地形復(fù)雜，火險(xiǎn)等級(jí)高，是省一級(jí)火險(xiǎn)區(qū)，火災(zāi)隱患突出，失火因素多，管理難度大，一旦發(fā)生森林火災(zāi)，極易使國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)以及自然與景觀資源造成重大損失和破壞。因此，研究并建立一套采用先進(jìn)技術(shù)手段的現(xiàn)代化的防火監(jiān)控系統(tǒng)，使其在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠自動(dòng)進(jìn)行火點(diǎn)識(shí)別與報(bào)警，準(zhǔn)確定位火點(diǎn)并產(chǎn)生快速有效有科學(xué)救援預(yù)案的決策調(diào)度指揮系統(tǒng)，對(duì)于有效的保護(hù)好有限的森林資源，改善生態(tài)環(huán)境，確保經(jīng)濟(jì)建設(shè)的良性健康發(fā)展，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。紅外熱成像技術(shù)是在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中亮相的一種高科技技術(shù)，主要應(yīng)用在黑夜或濃厚幕云霧中探測(cè)對(duì)方目標(biāo)，它將人類的感官由五種增加到六種。本研究利用紅外熱成像攝像機(jī)將森林圖像經(jīng)過視頻編碼通過微波將圖像傳回指揮中心，通過圖像識(shí)別可以快速

有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，并且可以準(zhǔn)確判定火災(zāi)的地點(diǎn)和范圍，即可透過煙霧發(fā)現(xiàn)著火點(diǎn)，把火災(zāi)消滅在萌芽階段。

2 紅外熱成像技術(shù)

我們?nèi)搜勰軌蚋惺艿降目梢姽獠ㄩL(zhǎng)為：0.38-0.78微米，通常我們將比0.78微米長(zhǎng)的電磁波，稱為紅外線。自然界中，一切物體都會(huì)輻射紅外線，因此利用探測(cè)器測(cè)定目標(biāo)本身和背景之間的紅外線差，可以得到不同的紅外圖像，稱為熱圖像[2]。

2.1 紅外熱成像的原理

任何物體，不論其溫度高低都發(fā)射或吸收電磁熱輻射，其大小除與物體材料種類、形貌特征、化學(xué)與物理學(xué)結(jié)構(gòu)(如表面氧化度、粗糙度等)特征有關(guān)外，還與波長(zhǎng)、溫度有關(guān)。紅外熱像儀就是利用物體的這種輻射性能來測(cè)量物體表面溫度場(chǎng)的。根據(jù)斯蒂芬-波爾茲曼定律：

E= ε σ T⁴ (1)

式中： ε為待測(cè)物體表面輻射率系數(shù)；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)； T為待測(cè)物體表面的溫度；W 為物體表面總輻射強(qiáng)度。因此，不同物體具有不同的溫度和輻射系數(shù)，熱像儀接收來自物體的輻射，便可測(cè)定物體表面的溫度場(chǎng)分布。

2.2 紅外熱成像的特點(diǎn)

自然界所有溫度在絕對(duì)零度（-273℃）以上的物體都會(huì)發(fā)出紅外線，紅外線（或稱熱輻射）是自然界中存在最為廣泛的輻射。大氣、煙云等吸收可見光和近紅外線，但是對(duì)3～5微米和8～14微米的紅外線卻是透明的。因此，這兩個(gè)波段被稱為紅外線的“大氣窗口”[3]。我們利用這兩個(gè)窗口，可以在完全無光的夜晚，或是在煙云密布的惡劣環(huán)境，能夠清晰地觀察到前方的情況。正是由于這個(gè)特點(diǎn)，紅外熱成像技術(shù)可用在安全防范的夜間監(jiān)視和森林防火監(jiān)控系統(tǒng)中。

3 紅外熱成像技術(shù)在森林防火系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

嶗山森林防火視頻監(jiān)控系統(tǒng)是青島市公共安全視頻子系統(tǒng)之一，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)嶗山重點(diǎn)林區(qū)實(shí)施24小時(shí)不停的掃描監(jiān)控，對(duì)林區(qū)內(nèi)的明火、潛火、煙、進(jìn)入林區(qū)的人員及活動(dòng)，以及對(duì)各種火險(xiǎn)、火情紅外輻射及視頻圖像的采集、分析、處理，并將監(jiān)控圖像實(shí)時(shí)傳到指揮中心。

系統(tǒng)總體拓?fù)淙鐖D1所示。系統(tǒng)前端采用紅外熱成像攝像機(jī)采集圖像，經(jīng)過視頻編碼將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過微波及有線網(wǎng)絡(luò)將圖像傳回指揮中心。指揮中心配有服務(wù)器主機(jī)，能實(shí)時(shí)播放前端紅外圖像并存檔，還可以對(duì)實(shí)時(shí)圖像抓圖并進(jìn)行處理，通過火點(diǎn)識(shí)別算法發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后立刻報(bào)警。指揮中心可以對(duì)前端攝像機(jī)進(jìn)行PTZ控制，切換不同監(jiān)控點(diǎn)攝像機(jī)圖像。

3.2 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。軟件系統(tǒng)主要包含五個(gè)部分：一是圖像實(shí)時(shí)播放；二是視頻圖像存儲(chǔ)；三是數(shù)字圖像處理；四是火點(diǎn)識(shí)別；五是火點(diǎn)報(bào)警。系統(tǒng)軟件首先將網(wǎng)絡(luò)接收到的視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行軟解碼并在顯示器上顯示，同時(shí)不斷從視頻流中抽取幀并進(jìn)行圖像識(shí)別處理，通過掃描圖像中所有像素點(diǎn)，判斷像素點(diǎn)灰度值是否大于閾值，如果大于著火點(diǎn)溫度閾值，則記錄像素個(gè)數(shù)，當(dāng)整幅圖像掃描完成之后判斷大于閾值的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)是否大于著火點(diǎn)個(gè)數(shù)閾值，如果大于則表明發(fā)現(xiàn)森林火點(diǎn)并立即發(fā)出火災(zāi)警報(bào)。系統(tǒng)還可以對(duì)視頻圖像存檔以備將來需要時(shí)查看。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

1) 紅外圖像編碼

MPEG[4]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352*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(2)

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。

該系統(tǒng)采用C#語言編程實(shí)現(xiàn)，下面對(duì)C#語言支持的兩種圖像處理方法進(jìn)行比較：

1) 利用C#中Bitmap類進(jìn)行圖像處理，使用該類的GetPixel()與SetPixel()來訪問圖像的每個(gè)像素點(diǎn)雖然簡(jiǎn)單，但是Bitmap類的處理速度慢。例如對(duì)一個(gè)800*600的彩色圖像灰度化，其耗費(fèi)的時(shí)間要以秒為單位來計(jì)算。由于本系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，所以這種圖像處理速度是不能接受的。

2) C#還有BitmapData類，BitmapData 類由 Bitmap 類的 LockBits() 和 UnlockBits() 方法使用。通過LockBits ( )可將 Bitmap 鎖定到系統(tǒng)內(nèi)存中。借助BitmapData類采用指針的方式來遍歷一幅圖像處理速度快，在奔騰1.8G機(jī)器上測(cè)試時(shí)間為毫秒級(jí)，所以本系統(tǒng)采用這種指針的方式來訪問圖像像素。

3) 火點(diǎn)識(shí)別

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

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。

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。

4 總結(jié)與展望

森林火災(zāi)的發(fā)生和蔓延受許多因素的影響，但如果能做到一旦發(fā)生火情，立即出動(dòng)，迅速有效地?fù)渚群吞幹茫瑩湓鐡湫。隳茏畲笙薅鹊販p少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。該森林防火系統(tǒng)在嶗山運(yùn)行測(cè)試了18個(gè)月，檢測(cè)5公里內(nèi)森林火情8次誤報(bào)3次，但對(duì)于火災(zāi)帶來的損失來說這些誤報(bào)完全在可接受的范圍內(nèi)。

為了進(jìn)一步完善森林防火功能系統(tǒng)還可以與GIS地理信息系統(tǒng)結(jié)合，將各種防火預(yù)案提供給指揮者，便于快速做出正確決策，使消防隊(duì)員在第一時(shí)間趕到現(xiàn)場(chǎng)滅火。

參考文獻(xiàn):

[1] 熊曉蕓.基于GIS的林火撲救決策支持系統(tǒng)[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004(10):15-18.

[2] De-Xing Wang， Xiao-Yun Xiong. Forest Fire Exploration Approach with Passive Infrared Radar.Proceedings of the 3rd International Conference on Impulsive Dynamic Systems and Applications， 2006:1473-1475.

[3] 雷玉堂.紅外熱成像技術(shù)及在智能視頻監(jiān)控中的應(yīng)用[J].中國(guó)公共安全，2007(8):114-120.

[4] 余兆明，李曉飛等.MPEG標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用[M].北京郵電大學(xué)出版社，2002(11):3-26.