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紅外熱成像技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用
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，破壞性大，撲救難度大，是森林災(zāi)害。傳統(tǒng)的森 林火災(zāi)監(jiān)測以瞭望臺為主, 巡航飛機和衛(wèi)星測報為輔。瞭望臺通過用肉眼觀察煙霧來發(fā)現(xiàn)森林火情, 一般小火時煙霧不易發(fā)現(xiàn), 發(fā)現(xiàn)時往往已釀成火災(zāi), 此時煙霧彌漫很難發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生的位置和發(fā)展方向。通過觀察煙霧測定的數(shù)據(jù)誤差較大, 尤其在夜間觀測困難。因此，采用視頻監(jiān)控方式時間發(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，觀測范圍比較小火災(zāi)識別率不高。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)控方式的就是不需要可見光的支持，這對于受光線限制的林區(qū)或者是在夜間探測的情況下，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)可以更迅速地對濃煙、地下火、隱性火等火情進行預(yù)警，及時將火災(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)部微觀粒子的熱運動，任何高于零度以上的物體(包括固體、液體和氣體)都有紅外輻射，物體的溫度越高，分子或原子運動越劇烈，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探測成像。
因而任何物體在任何時刻都要*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光與微波之間的電磁波，其波長在0.75um-1000um之間。由于人的眼睛看不到紅外輻射，需要借助紅外探測系統(tǒng)才能進行觀測。被動式紅外探測系統(tǒng)就是利用物體溫度及其輻射本領(lǐng)的差異制成的，用它可以對物體進行探測、測量、跟蹤、搜索和成像等。
來自目標(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器的響應(yīng)平面上，然后把輸入的紅外輻射信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺俳?jīng)過放大和處理，后在顯示系統(tǒng)中顯示出來，或者驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)工作。這種紅外探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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動情況等等。
紅外探測器是紅外熱像儀的核心器件可分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測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)換的探測器，分為光導(dǎo)型與光伏型兩類。光導(dǎo)型探測器是當(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，結(jié)間電場使兩類載流子分開而產(chǎn)生電動勢。根據(jù)探測器單元數(shù)，探測器分為單元探測器、線陣列探測器和面陣探測器。
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行拍攝，這就使其成為全天候不間斷遠程監(jiān)控的選擇。除了基本的熱成像功能之外，紅外熱像儀還具有測溫功能，數(shù)字圖像增強技術(shù)和偽彩色功能。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并分析圖像高溫度點出現(xiàn)區(qū)域;數(shù)字細節(jié)增強技術(shù)可以提高紅外成像系統(tǒng)的細節(jié)分辨能力，方便人工識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紅外熱像儀的輔助，可以進一步幫助工作人員及時有效的識別火源;同時，在后臺運行透霧算法，可以有效減弱霧霾天氣對可見光成像的影響，限度地為工作人員呈現(xiàn)鮮明清晰的可見光圖像。
3、前端設(shè)備
紅外可見光雙目熱源探測與預(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，同時集云臺護罩、視頻編碼器于一體，兼有可見光和紅外夜視功能。可對視場范圍內(nèi)觀測物體進行全天候?qū)崟r監(jiān)測，自動發(fā)現(xiàn)視場中的高溫目標(biāo)并發(fā)送目標(biāo)溫度及報警信息。設(shè)備采用高強度特殊材料，經(jīng)過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，是全天候視頻監(jiān)控的*設(shè)備，產(chǎn)品可與目前常用平臺和控制設(shè)備兼容，根據(jù)不同監(jiān)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，云臺在掃描過程中通過數(shù)據(jù)通道實時回傳云臺當(dāng)前水平、俯仰的方位角位置，通過無線網(wǎng)絡(luò)對視頻信息和控制信息進行傳輸。
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)、智能太陽能供電系統(tǒng)等組成;中繼由無線網(wǎng)橋、傳輸天線、智能太陽能供電系統(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)、林火自動識別報警系統(tǒng)、短信發(fā)布平臺、傳輸系統(tǒng)、電視墻系統(tǒng)、U P S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)委員會下設(shè)一個工作組， 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1.5Mbit/s 以下碼率的數(shù)字存儲媒體應(yīng)用的活動圖像及其伴音編碼;MPEG-2 標(biāo)準(zhǔn)制定了視頻網(wǎng)上傳播協(xié)議，當(dāng)MPEG 的視頻信號打包傳輸流(Transport Stream，TS)后，可以在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)上實現(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以及移動通信網(wǎng)上實現(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， 在對圖像進行火點識別之前必須先將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像。經(jīng)試驗表明R、G、B3個分量采用如下公式進行轉(zhuǎn)換得到的灰度圖像效果：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 三個分量值。
3、火點識別
預(yù)處理完的灰度圖像與普通相機圖片明顯不同，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)的火焰溫度一般遠在600°C 以上，在波長為：3～5μm 紅外線的波段上有較強的輻射，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)試驗調(diào)整紅外攝像機的亮度和對比度，使溫度為100°C 的點在圖像上的灰度值為150，因此，可以根據(jù)試驗事先設(shè)置著火點溫度的閥值，當(dāng)灰度值高于這一閥值時系統(tǒng)便認(rèn)為發(fā)現(xiàn)著火點。為了提高系統(tǒng)靈敏度和可靠性，火點識別時還可以對圖像中發(fā)現(xiàn)異常點的個數(shù)設(shè)置閥值。當(dāng)發(fā)現(xiàn)的異常點超過閥值之后才認(rèn)為發(fā)現(xiàn)著火點。這樣不僅可以盡量減少系統(tǒng)誤報次數(shù)，還可以提高系統(tǒng)工作的可靠性。