‧ 紅外成像技術在森林防火中的應用

來源:中安往 作者:王洋

 　

　　　

森林火災是一種受天氣條件和生態環境影響的嚴重自然災害，突發性強，破壞性大，撲救難度大，是森林災害之首。傳統的森 林火災監測以瞭望台為主, 巡航飛機和衛星測報為輔。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資料誤差較大, 尤其在夜間觀測困難。因此，採用影像監控方式第一時間發現火情就顯得十分必要。由於普通CCD 受大霧、光線等環境影響嚴重，觀測範圍比較小火災辨識率不高。如在大面積的森林中，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。用現有的普通監視系統很難發現這種隱性火災苗頭。

而紅外熱像儀應用在森林防火中，相比於普通的的影像監控方式的最大優點，就是不需要可見光的支援，這對於受光線限制的林區，或者是在夜間探測的情況下，極大的便於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。並且由於紅外熱像儀的感熱特性，應用紅外熱像儀的影像監控系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

紅外輻射是物體的固有屬性，其本質是物質內部微觀粒子的熱運動，任何高於絕對零度以上的物體(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。根據普朗克定理，從熱力學溫度為 的物體的單位面積上，在單位波長範圍內所輻射的電磁波的功為：

　　

因而任何物體在任何時刻都要源源不斷地向外輻射電磁波。物體輻射的電磁波是其溫度的函數，通常還與物體的輻射本領有關。紅外輻射是介於可見光與微波之間的電磁波，其波長在0.75um-1000um之間。由於人的眼睛看不到紅外輻射，需要借助紅外探測系統才能進行觀測。被動式紅外探測系統就是利用物體溫度及其輻射本領的差異製成的，用它可以對物體進行探測、測量、跟蹤、搜索和成像等。

　　

來自目標或輻射源的紅外輻射，經大氣傳輸後，被光學系統接收，調焦並聚焦到紅外探測器的回應平面上，然後把輸入的紅外輻射信號轉變為電信號，再經過放大和處理，最後在顯示系統中顯示出來，或者驅動執行機構工作。這種紅外探測系統結構簡單，能夠直接反映物體的特徵參量。如物體的溫度或物體的各部分溫度的分佈情況，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後，使熱敏元件溫度升高，從而引起與溫度有關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，與物質內部電子相互作用，產生電子能態變化而完成光電轉換的探測器，分為光導型與光伏型兩類。

光導型探測器是當半導體吸收光子能量後，產生非平衡載流子，參與導電使半導體的電導率增加;光伏型探測器是在非本征半導體上形成P-N結，在入射光子的作用下產生電子-空穴對，結間電場使兩類載流子分開而產生電動勢。根據探測器單元數，探測器分為單元探測器、線陣列探測器和麵陣探測器。

二、預警監控系統組成

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，不同於其它技術，紅外熱像儀無需光線亦可產生鮮明圖像，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端監控的絕佳選擇。除了基本的熱成像功能之外，紅外熱像儀還具有測溫功能，數位圖像增強技術和偽彩色功能。

測溫功能可以幫助工作人員即時瞭解，所觀測點的溫度資訊，並分析圖像最高溫度點出現區域;數位細節增強技術可以提高紅外成像系統的細節分辨能力，方便人工辨識火源及其他高溫目標;偽彩色技術可以將黑白熱圖像，轉換為彩色圖像，進一步增強圖像的對比度。

　　

2、可見光高清攝影機

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，及時有效的辨識火源;同時，在後臺運行透霧演算法，可以有效減弱霧霾天氣對可見光成像的影響，最大限度地為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，與預警網路影像監控系統採用一體化雙光譜設計，同時集雲台護罩、視訊轉碼器於一體，兼有可見光和紅外夜視功能。可對視場範圍內觀測物體進行全天候即時監測，自動發現視場中的高溫目標，並發送目標溫度及報警資訊。

設備採用高強度特殊材料，經過特殊加固及密封處理，具有良好的抗震、抗衝擊、防塵等特性，可滿足室外架設條件，是全天候安防監控的必備設備，產品可與目前常用平臺和控制設備相容，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，雲台在掃描過程中，通過資料通道即時回傳雲台當前水準、俯仰的方位角位置，通過無線網路對影像資訊和控制資訊進行傳輸。

　　

4、資料傳輸

前端由採集定位系統、傳輸系統、設備防盜監控系統、避雷接地系統、智慧太陽能供電系統等組成;中繼由無線橋接器、傳輸天線、智慧太陽能供電系統、避雷接地系統等組成;中心控制設備終端由網路影像管理系統、地理資訊系統、林火自動辨識報警系統、簡訊發佈平臺、傳輸系統、電視牆系統、U P S電源等組成。

　　

三、森林防火關鍵技術

1、紅外圖像編碼

MPEG4是ISO 及IEC 聯合技術委員會下設一個工作組， 它開發的標準通常稱為MPEG 標準，主要有MPEG-1(VCD)，MPEG-2(DVD 和數位電視)，MPEG-4(internet 影像應用)，在影像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 以下碼率的數位儲存媒體應用的活動圖像，及其伴音編碼;MPEG-2 標準制定了影像網上傳播協訂，當MPEG 的視訊訊號打包傳輸流(Transport Stream，TS)後，可以在廣域網路或局域網上，實現影像的流式播放， 它可以適應不同應用的需要，和不同終端接收設備的限制，其影像碼率範圍是220Mbit/s;MPEG-4 標準主要是提供極低速率的影像流，使影像流在Internet以及行動通信網上實現影像應用。

　　

2、圖像預處理

系統抓取的是一幅384×288 大小的RGB 紅外圖像， 在對圖像進行火點辨識之前，必須先將圖像轉換為灰度圖像。經試驗表明R、G、B3個分量，採用如下公式進行轉換得到的灰度圖像效果最好：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 三個分量值。

　　

3、火點辨識　　

預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可見光圖像，而是目標表面溫度分佈圖像。由於森林火災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影機的亮度和對比度，使溫度為100°C 的點在圖像上的灰度值為150，因此，可以根據試驗事先設置著火點溫度的閥值，當灰度值高於這一閥值時系統便認為發現著火點。

為了提高系統靈敏度和可靠性，火點辨識時還可以對圖像中發現異常點的個數設置閥值。當發現的異常點超過閥值之後才認為發現著火點。這樣不僅可以儘量減少系統誤報次數，還可以提高系統工作的可靠性。

　　

森林火災是世界性的林業重要災害之一，隨著中國造林事業的不斷發展，防火工作成為首要任務。紅外成像應用在森林防火中相比于傳統的防火方式最大優點就是不需要可見光的支援，這對於受光線限制的林區或者是在夜間探測的情況下，極大的便於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。

由於中國大陸生態建設進程加快，森林資源豐富，風景旅遊區林草茂密，以森林景觀為主的風景旅遊區面積不斷擴大，林區可燃物增多，面臨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準，及時掌握瞭解各個林區、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最小，是目前急需解決的。基於紅外熱成像原理的森林防火預警系統，利用熱成像原理與視頻監控系統結合監測火災及其他異常事件，易於集成，並實現了網路化，是現代森林防護系統的有效解決方案。