基于紅外熱成像攝像機(jī)的秸稈焚燒監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用研究

摘要：以預(yù)防秸稈焚燒為出發(fā)點(diǎn)，采用熱成像雙光譜云臺(tái)攝像機(jī)，通過智能圖像識(shí)別技術(shù)、地理信息技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、熱成像等高新技術(shù)，建立秸稈焚燒監(jiān)測火情處置系統(tǒng)，能夠?qū)斩挿贌M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、高效監(jiān)管、快速處置，提高秸稈焚燒治理工作成效，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人與自然和諧共處。

關(guān)鍵詞：秸稈焚燒；紅外熱成像；地理信息系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.054

中圖分類號(hào)：TN 948.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-03

Development and Application Research of Straw Incineration Monitoring System Based on Infrared Thermal Imaging Camera

LI Wei

（Jiangxi Huayu Software Co.， Ltd.， Nanchang 330096， China）

Abstract： In order to prevent straw burning， a straw burning monitoring fire disposal system is established by using thermal imaging dual spectrum PTZ camera， intelligent image recognition technology， geographic information technology， mobile Internet technology， thermal imaging and other high-tech technologies， which can conduct real-time monitoring， efficient supervision and rapid disposal of straw burning， improve the effectiveness of straw burning management， protect the ecological environment， and promote harmonious coexistence between man and nature.

Keywords： straw incineration; infrared thermal imaging; geographic information systems

我國有非常豐富的秸稈資源，經(jīng)常出現(xiàn)大面積焚燒秸稈的現(xiàn)象，不僅造成資源浪費(fèi)，而且會(huì)毀壞樹木和耕地，污染空氣，甚至引發(fā)森林火災(zāi)等重大安全生產(chǎn)事故[1]。為了保護(hù)環(huán)境，維護(hù)生態(tài)安全，制止秸稈焚燒行為，各地政府開展了積極工作，日夜巡視，雖然付出了巨大的成本，但是成效并不明顯。為了提高秸稈焚燒處置的效率，以預(yù)防秸稈焚燒為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)秸稈焚燒進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、高效監(jiān)管，利用熱成像監(jiān)測技術(shù)、地理信息技術(shù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、煙火智能識(shí)別等先進(jìn)的技術(shù)手段，建立自動(dòng)化、信息化、智能化的焚燒監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)秸稈焚燒的全天候監(jiān)控、火情實(shí)時(shí)預(yù)覽、火點(diǎn)定位精準(zhǔn)、告警處置及時(shí)顯得非常迫切[2]。

1 熱成像雙光譜云臺(tái)攝像機(jī)

傳統(tǒng)的單可見光視頻監(jiān)控設(shè)備，很難探測到隱性火災(zāi)苗頭。熱成像攝像機(jī)可以快速有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，及時(shí)控制災(zāi)情，杜絕隱患。熱成像雙光譜云臺(tái)攝像機(jī)采用一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)具有紅外光波段成像和可見光波段成像的功能，以及云臺(tái)控制功能，可廣泛用于森林防火、秸稈焚燒、國土資源保護(hù)等領(lǐng)域。在秸稈焚燒監(jiān)測方面，采用熱紅外智能煙火檢測技術(shù)，并結(jié)合后端算法，可實(shí)現(xiàn)煙火智能識(shí)別并自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)定位、自動(dòng)推送，助力于秸稈焚燒的早期處置。

1.1 紅外熱成像實(shí)現(xiàn)原理

自然界中，一切高于絕對(duì)零度的物質(zhì)每時(shí)每刻都在輻射電磁波，這一現(xiàn)象被稱為熱輻射現(xiàn)象。不同溫度下，物體所發(fā)出熱輻射的波長不一樣。熱成像攝像機(jī)可以通過測量目標(biāo)與背景或目標(biāo)各部分之間的輻射差異，將物體輻射的功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過放大處理形成視頻圖像。其不借助可見光，通過被動(dòng)接收物體熱輻射而形成圖像，又稱被動(dòng)紅外成像。波長范圍在8～14 μm的紅外波段具有穩(wěn)定的大氣透射率，被廣泛用于熱成像監(jiān)控與紅外技術(shù)測量。

1.2 紅外熱成像技術(shù)和可見光對(duì)比分析

與可見光監(jiān)控相比，熱成像紅外監(jiān)控采用被動(dòng)式工作方式，不受光線及電磁干擾影響，具有監(jiān)控范圍大，探測距離遠(yuǎn)，在大氣窗口中可以穿透煙霧等惡劣天氣，并且可直觀顯示物體表面的溫度差等諸多優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于測溫、森林火災(zāi)監(jiān)測、秸稈焚燒監(jiān)測等應(yīng)用場景[3]。

1.3 火點(diǎn)識(shí)別

熱成像雙光譜攝像機(jī)可基于原有設(shè)備采集的可見光視頻和圖片數(shù)據(jù)，以及紅外熱成像測溫?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析，結(jié)合煙火識(shí)別算法，對(duì)煙火告警進(jìn)行分析處理。同時(shí)，可根據(jù)煙火光譜特征，進(jìn)行火焰特征提取，從幾何形態(tài)、火焰顏色等不同維度建立特征向量，避免了單可見光或者單熱成像誤報(bào)率高的問題，能在極短的時(shí)間內(nèi)識(shí)別煙火并觸發(fā)報(bào)警，并將云臺(tái)信息以及告警圖片發(fā)送給后端平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)識(shí)別能力。

1.4 深度學(xué)習(xí)算法模型

為提高煙火識(shí)別準(zhǔn)確率，系統(tǒng)建立了一套深度學(xué)習(xí)算法模型，并基于區(qū)域提取的目標(biāo)檢測和基于回歸分析的目標(biāo)檢測實(shí)現(xiàn)告警信息的提取。相比于傳統(tǒng)的煙火檢測算法模型，基于深度學(xué)習(xí)的煙火檢測算法模型可以減少圖像分割和人工提取特征等煩雜的處理過程，通過配置基本參數(shù)，對(duì)前端回傳的視頻數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抽幀轉(zhuǎn)換，完成圖像特征提取、煙火特征分析等，避免了人工提取圖像特征引入的誤差并降低了目標(biāo)檢測的復(fù)雜度，同時(shí)也降低了系統(tǒng)的使用難度，更加利于推廣應(yīng)用[3]。

2 監(jiān)測系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

秸稈焚燒監(jiān)測系統(tǒng)基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、熱成像雙光譜攝像機(jī)，結(jié)合衛(wèi)星監(jiān)測、人員巡護(hù)等方式實(shí)現(xiàn)全天候、全方位的秸稈焚燒業(yè)務(wù)監(jiān)管，并基于后端算法對(duì)接收的告警數(shù)據(jù)進(jìn)行研判分析，以圖片加文字的形式實(shí)時(shí)推送給App端的網(wǎng)格員，網(wǎng)格員可根據(jù)報(bào)警圖片并調(diào)取監(jiān)控視頻進(jìn)行火情查看，同時(shí)也可以根據(jù)火點(diǎn)位置，自動(dòng)規(guī)劃導(dǎo)航路線到現(xiàn)場核查，并以文字、圖片、視頻等方式反饋核查結(jié)果。PC端可以完成火情核查反饋統(tǒng)計(jì)、報(bào)表導(dǎo)出等業(yè)務(wù)。通過應(yīng)用，本系統(tǒng)可有效解決監(jiān)管區(qū)域大、人力監(jiān)管困難的難題[4]。

2.1 地圖應(yīng)用

系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng)為核心，支持WGS84、CGCS2000坐標(biāo)系，以天地圖衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為底圖，疊加各類WMTS地圖服務(wù)，通過地圖的方式顯示行政邊界信息、告警信息、火情信息、視頻監(jiān)控信息、人員定位信息、土地利用現(xiàn)狀信息等多種信息內(nèi)容，對(duì)圖層進(jìn)行分組顯示，可以根據(jù)需要打開關(guān)閉對(duì)應(yīng)的圖層；并提供必要的地圖工具和測量工具，如距離測量、面積測量、方位測量、高差測量等。其以“一張圖”的形式管理秸稈焚燒監(jiān)測業(yè)務(wù)相關(guān)的各類資源數(shù)據(jù)，為整個(gè)系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)底座。

2.2 視頻監(jiān)控

系統(tǒng)對(duì)視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，以列表和視頻墻模式展示監(jiān)控畫面，并根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以不同圖標(biāo)顯示在地圖上。點(diǎn)擊圖標(biāo)可查看監(jiān)控詳情和視頻圖像。支持云臺(tái)操控和鏡頭變倍、變焦以及光圈調(diào)整。還設(shè)計(jì)了地圖控制云臺(tái)功能，將整個(gè)地圖作為云臺(tái)的控制區(qū)，通過點(diǎn)擊地圖的方位來控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)地圖與視頻的聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)可根據(jù)指定的經(jīng)緯度，自動(dòng)將一定范圍內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備轉(zhuǎn)向該經(jīng)緯度所在位置，并打開視頻預(yù)覽窗口，用于交叉定位火點(diǎn)和綜合研判火情。系統(tǒng)能夠接收前端熱成像告警和可見光煙火告警，并基于深度學(xué)習(xí)算法模型進(jìn)行火情初判，支持告警視頻錄制、實(shí)時(shí)預(yù)覽以及錄像回放，為火情研判提供可靠依據(jù)。同時(shí)，也支持通過國標(biāo)協(xié)議接入監(jiān)控設(shè)備和告警數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容能力。

2.3 衛(wèi)星監(jiān)測

衛(wèi)星遙感監(jiān)測具有覆蓋范圍廣、時(shí)效高等特點(diǎn)，針對(duì)沒有視頻監(jiān)控覆蓋的區(qū)域，可作為熱成像雙光譜云臺(tái)攝像機(jī)監(jiān)測的一種補(bǔ)充方式。系統(tǒng)接收NOAA-20、SNPP、MODIS、葵花9號(hào)等衛(wèi)星熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，并針對(duì)獲取的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)與土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行二次研判，將耕地、草地以外的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行屏蔽，提高熱點(diǎn)預(yù)警的準(zhǔn)確性。可實(shí)現(xiàn)最快以10～15 min的頻次推送熱點(diǎn)信息，支持按區(qū)域范圍查詢，支持熱點(diǎn)核實(shí)反饋的業(yè)務(wù)閉環(huán)管理[5]。

2.4 火點(diǎn)定位

系統(tǒng)自動(dòng)接收前端設(shè)備回傳的告警數(shù)據(jù)，基于接收的數(shù)字云臺(tái)水平角和俯仰角、焦距，結(jié)合地理信息系統(tǒng)和數(shù)字高程模型，采用定位算法進(jìn)行火點(diǎn)位置計(jì)算，求解當(dāng)前視角下的真實(shí)地理坐標(biāo)，并在軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)自動(dòng)精確定位。同時(shí)，系統(tǒng)還提供了多種參數(shù)校正功能，以解決前端設(shè)備安裝不水平、云臺(tái)方位角不匹配等問題，滿足不同地形條件下的定位需求，最大程度提高定位精度。

2.5 告警處置

系統(tǒng)支持告警提示，并提供了圖片和視頻列表研判模式。系統(tǒng)具有多種推送方式，支持App推送、短信推送等。告警信息一經(jīng)研判并下發(fā)給網(wǎng)格員將自動(dòng)生成火情信息。當(dāng)推送的火情超過一定時(shí)間未簽收，將自動(dòng)發(fā)送給督察員。當(dāng)督察員超過一定時(shí)間未處置，再次發(fā)送給上級(jí)監(jiān)管員，直到該條火情被處置。用戶可根據(jù)App規(guī)劃的導(dǎo)航路線前往現(xiàn)場進(jìn)行核實(shí)反饋。支持圖片反饋、視頻反饋以及語音和文字反饋。平臺(tái)實(shí)時(shí)接收反饋信息，值班人員可根據(jù)反饋詳情對(duì)火情進(jìn)行審查，完成火情的閉環(huán)管理。

2.6 網(wǎng)格化管理

以鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃圖為基礎(chǔ)，根據(jù)視頻監(jiān)控所在位置，將村鎮(zhèn)網(wǎng)格員和視頻監(jiān)控進(jìn)行關(guān)聯(lián)，給每個(gè)視頻監(jiān)控設(shè)備都綁定了網(wǎng)格員、督察員、監(jiān)管員等不同層級(jí)的工作人員，實(shí)現(xiàn)了火情核查處置責(zé)任名單，確保每一條火情告警都有人核實(shí)反饋，以提高秸稈焚燒監(jiān)測業(yè)務(wù)效率。

2.7 信息查詢

系統(tǒng)為用戶提供了豐富的查詢功能，支持在地圖上進(jìn)行聯(lián)動(dòng)顯示，包括坐標(biāo)查詢，地名查詢、告警查詢、火情查詢、視頻監(jiān)控查詢、土地利用現(xiàn)狀查詢等，滿足用戶不同的業(yè)務(wù)需求。可以查看對(duì)應(yīng)的火情處置流程以及反饋內(nèi)容。可在地圖上顯示秸稈焚燒火情信息分布圖，幫助用戶進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域的監(jiān)管和監(jiān)控選址設(shè)計(jì)。

2.8 統(tǒng)計(jì)報(bào)表

系統(tǒng)具有統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，支持按時(shí)間、設(shè)備、火情類型、處置結(jié)果等不同維度進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)。支持將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以各類圖表進(jìn)行展示，并且可導(dǎo)出為電子表格和PDF文件，便于文件流轉(zhuǎn)和信息共享。

2.9 系統(tǒng)管理

提供用戶、部門、角色、權(quán)限、日志、菜單配置等功能模塊，以滿足系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)編程語言采用c#，數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL 12.9+PostGIS 3.1.4。PostgreSQL是一款功能強(qiáng)大的開源數(shù)據(jù)庫，而PostGIS是PostgreSQL的一個(gè)擴(kuò)展模塊，PostGIS提供了空間索引、空間對(duì)象存儲(chǔ)、空間操作函數(shù)等，適合存儲(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)。同時(shí)，PostGIS還提供了強(qiáng)大的分析函數(shù)，節(jié)約了開發(fā)應(yīng)用成本。

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按照三層體系架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)訪問層提供數(shù)據(jù)庫訪問接口，為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)；業(yè)務(wù)邏輯層對(duì)系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)能力進(jìn)行封裝，并提供統(tǒng)一的服務(wù)接口；表示層則按照業(yè)務(wù)邏輯和處置流程，通過UI進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層的功能接口，從系統(tǒng)層面給用戶提供對(duì)應(yīng)的功能。針對(duì)不同的設(shè)備廠商，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了視頻報(bào)警服務(wù)模塊，并制定了標(biāo)準(zhǔn)的接口。系統(tǒng)既支持通過私有協(xié)議連接熱成像攝像機(jī)，又支持以國標(biāo)協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)z像機(jī)的級(jí)聯(lián)。系統(tǒng)采用了插件式的框架設(shè)計(jì)，小到功能按鈕，大到業(yè)務(wù)模塊，都是以插件的形式動(dòng)態(tài)加載到系統(tǒng)平臺(tái)。這樣的設(shè)計(jì)大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，真正做到高內(nèi)聚低耦合，不僅可以保證每個(gè)模塊更新負(fù)擔(dān)進(jìn)一步減小，還從一定程度上降低了維護(hù)成本。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用

系統(tǒng)可以采用中心部署、分級(jí)應(yīng)用的方式，根據(jù)權(quán)限加載對(duì)應(yīng)區(qū)域的數(shù)據(jù)資源。同時(shí)，系統(tǒng)也提供了開放接口，支持將告警數(shù)據(jù)、火情數(shù)據(jù)、視頻資源推送給其他平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通、資源共享。目前本系統(tǒng)已在雄安新區(qū)、張家口市、江西南昌等地部署應(yīng)用，運(yùn)行狀況良好，促進(jìn)了秸稈焚燒監(jiān)管工作向規(guī)范化、常態(tài)化、高效化、智能化轉(zhuǎn)變提升。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)雖然能夠滿足秸稈焚燒監(jiān)測的基本應(yīng)用，但是由于野外環(huán)境復(fù)雜，對(duì)于水面反光、云霧和水汽等也會(huì)產(chǎn)生一定的誤報(bào)，后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化深度學(xué)習(xí)算法，通過定期采集一定的背景數(shù)據(jù)、持續(xù)迭代訓(xùn)練以提高煙火檢測識(shí)別率，同時(shí)降低誤報(bào)。針對(duì)定位誤差也應(yīng)進(jìn)行改進(jìn)。一方面可采用高精度數(shù)字高程模型，另一方面可優(yōu)化定位算法，從而提高火點(diǎn)定位精度。此外，還需擴(kuò)展App應(yīng)用功能，集成日常辦公、考勤打卡等功能，以提升基層工作人員的工作效率，更好地服務(wù)于秸稈焚燒監(jiān)管行業(yè)應(yīng)用。

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