基于北斗與圖像識別技術的智慧林火監測防控研究

丁超，唐雅勤，魏曉莉，張家精，萬文芳，武鋼，李田田，周紫倩，陸賽賽

（1.安徽建筑大學；2.上海海積信息科技股份有限公司）

1 引言

據統計,全國年均累計發生各類森林火災案例達22 余萬起,受災地區森林覆蓋面積更高達640 多萬公頃,約等于占全國森林總覆蓋面積的1.8%。“預防為主,積極消滅”的森林防火工作方針已經代表當今世界國際上關于森林資源防火的一種主流技術理念,如何做到各類火情情況及時發現、及時預報、及時撲救已逐漸成為當前世界各個國家加強森林資源防火管理工作的一項重大歷史課題。目前國際上，德國的Fire-WatchSystem 森林火災自動預警系統主要利用數碼攝像技術即時識別與定位森林火災；美國的智能微塵監測網絡主要通過直升機飛播溫度傳感器來了解火災情況。我國的森林火情監測系統部分是基于紅外線、紫外線探測和衛星監測。但以上防火措施存在著受氣候影響大、誤報、不能滿足全天監測和花費高等弊端。

為全面貫徹落實《全國森林防火中長期發展規劃》,綜合地運用云計算技術、大數據技術和移動互聯網技術等相關信息技術，將現代信息化技術與消防業務工作進行融合[1]，不斷加大森林防火減災投入,加強全國森林林區火災災害預防、撲救和安全保障三大消防體系工程建設，并針對當前系統存在的受外界影響大與成本高問題，初步建設覆蓋森林火災防火智能視頻火災監控、智能火災預警、輔助消防決策及火災應急管理指揮系統。該方案主要包括北斗的定位及導航技術研究，圖像識別的處理、分割、識別煙或火的研究，傳感器集合的監測研究，基于此三項技術的結合制定系統框架如圖1 所示，通過云臺與傳感器收集火源信息，將數據傳輸到數據處理與分析器中，一旦確認識別火情，通過接收機捕獲跟蹤的衛星信號，測量出接收天線至衛星的距離和距離的變化率,解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出火源所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息，上報政府安監部門，并通過北斗導航安全路線調度消防員滅火。此方案實現集成了圖像、報警、定位各種信息的全天候、全方位、網絡化的遠程高清晰度的實時管控信息系統[1]，減少外界影響與成本支出，并且實現森林防火減災工作的消防科學化、標準化、信息化和消防專業化,研究先進現代科學技術手段，從而有效率地提高林區綜合森林防控火災能力。

圖1 基于北斗的林火監測防控系統實施框架

2 基于北斗與圖像識別技術的林火監測防控系統的北斗模塊研究

2.1 系統模塊化結構

系統采用模塊化結構，主要包括傳感器感知模塊，功能是采集各項火警數據；單片機主控模塊，功能是控制各模塊協調工作；北斗衛星通信模塊，主要功能是進行數據傳輸和通信。軟件設計流程圖如圖2 所示。

2.2 北斗系統應用方案

應用主要是北斗模塊在終端設備的使用，北斗通信模塊采用GYM2003B 北斗RDSS 全功能通信模塊，主控芯片采用具有高速、低功耗、超強抗干擾能力的STC89C52RC 單片機。經文獻參考、研究與實踐證明，此系統具有結構簡單、監測準確、報警成功率高及成本低等優點。一旦設備檢測到火焰和空氣煙霧,利用主控單片機等驅動微處理器即可進行檢測位置的實時上報[3]。

圖2 軟件設計流程圖

發生火災時，報警及實時參數等數據最先通過自主設計的配備有北斗衛星通信模塊的監測終端設備發送給衛星，經衛星轉發給中心站，中心站處理后傳回給衛星，衛星再將實時數據等信息轉發給監測中心做出相應指示。軟件接口上，采用北斗系統通信層協議，即在應用層系統自定義通信規則。考慮到系統通信的特點及系統對于可靠性的要求，采用自報式與查詢應答式相結合的數據傳輸方式.自報式傳輸數據是指終端按照規定的時間主動向中心站傳送實時數據。查詢式數據傳輸是指中心站通過發送查詢指令來獲得數據。實時定位，實時導航安全路線由此減少人員傷亡損失。

3 基于北斗與圖像識別技術的林火監測防控系統的圖像識別模塊研究

3.1 圖像預處理

1）解壓

在整個林火監控視頻圖像監控中,接收到的圖像是經過壓縮后傳輸的,因此首先就需要進行整個林火監控視頻的圖像解壓。視頻圖像解壓主要軟件采用了DirectShow 解壓技術,在快速解壓視頻過程中用戶可用幀差法或者用背景減法可以得到可疑林火的圖像。

2）降噪

林火視頻數字圖像在系統形成、傳輸、接收和最后處理的整個過程中,會同時受到來自外界工作環境、系統硬件性能和人為因素等諸多客觀方面的影響,不可避免地會存在外界噪聲源的干擾,影響視頻圖像的傳輸質量[3]。因此,林火視頻圖像分析中也常常需要同時進行視頻圖像識別預處理,去除視頻圖像處理中的一些噪聲和缺點,改善視頻圖像的整體視覺效果,使視頻圖像清晰,邊緣曲線輪廓明顯,以便于視頻圖像的進一步準確識別和預處理。

3）銳化

圖像銳化預處理的各種方法主要包括直方形視圖銳化修正、對比度銳化修正、去模糊、平滑、銳化、校正、復原、重建等。

3.2 圖像分割

在進行圖像層的預處理后,再進行圖像層的分割。把兩個圖像處理中的目標與背景元素進行準確分離。圖像區域分割主要靠通過調節圖像閾區的值來實現,通常方法有圖像區域法、邊界邊緣法和局部邊緣法三種。其主要檢測技術手段有針對邊緣與區域線的圖像檢測、區域分割形狀、抽取邊緣圖像作為特征的一部分例如邊緣線、區域和邊緣物體以及它們相互關系的參數信息等。

3.3 目標識別

圖像識別是以圖像源的分割分析為技術基礎的,進一步研究了對圖像源的分析、檢測和再識別。通過進行圖像檢測分析和特征提取把原來以標準像素形式描述的目標圖像轉變成較簡單的非標準圖像化形式的目標符號進行描述,對被特征提取的每個目標符號進行圖像檢測和區域分割圖像分析以便于判斷該提取目標確實可能是存在火災災害現象或者還是其他的電磁干擾災害現象。森林中的火災火焰圖像的森林火焰輻射檢測即是在系統分割火災圖像后,獲得一些用于描述森林火災火焰圖像的基本信息及其特征,如檢測目標的森林顏色變化特征、面積大小變化、相似度和森林形狀特征描述等,檢測目標是否已經發生森林區域性的生長,結合火災圖像,實現了在森林中的火災火焰檢測。

在研究技術上主要利用OPENCV開源計算機視覺庫，可以對視頻流逐幀的火焰和煙霧進行識別，精確度高。利用輕度神經網絡對視頻進行實時處理，利用Tenflow 平臺進行訓練模型。使用MobileNet 等輕量級模型，同時使用通道剪枝等優化方法，提升識別的精確度，如圖3 所示。

4 基于北斗與圖像識別技術的林火監測防控系統的傳感器模塊研究

研究應用風速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器實現隨火災動態變化實時監測火勢發展的功能，針對各地勢樹種、燃燒點、地形地貌對火勢發展的影響制定傳感器技術方案。

傳感器裝置搭建方案：每個帶有傳感器的裝置間隔10m ～15m，矩陣排布，為森林劃分區域。當林火發生時，傳感器裝置與云臺及時發現預警，以各傳感器主導的設備對當地地理信息情況進行分析，快速判斷火勢發展的趨勢，緊急救援減少森林的經濟損失。通過顯示端實時監測風速、溫度、濕度動態，計算機模擬檢測曲線如圖4 所示。

5 基于北斗與圖像識別技術的林火監測防控系統的性能與效果

北斗模塊采用的GYM2003B 北斗RDSS 全功能通信模塊，接收靈敏度在-127.6dBm,發射功率為5W，定位成功率≥99%，自動定位時間≤2min，實現定位準確高效。

在圖像識別技術研究上采用輕量型網絡結構與通道剪枝方法。輕量型網絡結構主要通過加入1×1 卷積核結構和深度可分離結構實現。1×1 卷積核實現跨通道的交互和信息整合，同時起到降維的作用，從而減少計算量。深度可分離卷積將對于不同的輸入通道采取不同的卷積核進行卷積，極大地加速了網絡的訓練和推導。假設輸入通道數為3，要求輸出通道數為256 ,相對傳統3×3卷積結構，深度可分離結構可以減少大約8.7 倍的參數量。通道剪枝方法在32×32 圖像數據集上對輕量型網絡結構MobileNet_上進行剪枝時可以減少96%的參數量和74%的計算量，同時最終的識別準確率只損失了0.04%。利用了輕量型網絡結構和通道剪枝方法實現了實時的、更經濟且準確的識別與檢測。

在傳感器模塊研究上，發現傳統火災探測器以內部設置的報警數值為標準, 當空氣中煙霧顆粒濃度達到相關數值時, 便會發出警告信號, 這種報警數值容易導致誤報火災的情況。而多傳感器信息融合技術的火災探測系統可以有效避免該情況出現, 彌補傳統火災探測器探測數據單一的情況。但是無論是傳統的單一火災探測系統還是多傳感器信息融合技術下的火災探測系統, 都會受到外界環境的干擾產生誤報火警的情況, 由此結合圖像檢測，改進融合算法進一步提高系統穩定性。綜上所述，改進后的設計方案技術性能優越。

圖3 圖像識別技術

圖4 風速、溫度、濕度檢測曲線

6 結語

隨著智慧消防的迅猛發展，森林防火信息化的應用逐漸得到擴展和延伸，能夠實現對森林中的人、物、設備等信息化管理。利用傳感器與圖像識別，精準識別火情，利用北斗導航規劃安全路線撲救，安全調度消防隊的救援與撤離，可達到快速預警，精確定位，判斷規模，規劃安全路線的一體化效果，有效減少林地財產損失與人員傷亡。北斗系統和圖像識別的結合給撲火作業帶來了革命性的變化，提高了撲火作業的效率，降低了裝配的成本，傳統定位通信系統應用的弊端得到了徹底的解決。傳統的短波、超短波系統，傳輸距離有限，且在野外的惡劣條件下常常聯系不上，撲火隊不了解指揮部的撲火部署，導致撲火任務損耗巨大甚至貽誤撲火時機。而此系統解決了上述難題使撲火任務效率得到了極大的提高。