關(guān)鍵詞：紅外熱成像儀； 林火監(jiān)測(cè)；屏蔽

近年來(lái)，利用紅外熱成像儀進(jìn)行森林火災(zāi)智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)逐漸成為林火視頻監(jiān)測(cè)的研究熱點(diǎn)^[1-2] 。這種林火監(jiān)測(cè)方法具有火情自動(dòng)識(shí)別、響應(yīng)速度快、晝夜都可以監(jiān)測(cè)、可有效降低監(jiān)控管理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)^[3-4]。然而，在利用紅外熱成像儀智能識(shí)別林火過(guò)程中卻經(jīng)常發(fā)生誤報(bào)，這是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)區(qū)域的環(huán)境會(huì)對(duì)林火識(shí)別的準(zhǔn)確率造成影響，許多物體都會(huì)發(fā)射或反射過(guò)量紅外線觸發(fā)誤報(bào)^[5]。這種類型的誤報(bào)難以依靠調(diào)整軟件算法或監(jiān)測(cè)參數(shù)來(lái)減少，最好的方式是將這些已知的干擾源屏蔽掉^[6-7]，而目前國(guó)內(nèi)紅外或其他光學(xué)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中尚無(wú)實(shí)現(xiàn)局部屏蔽方法的先例。本文針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出和實(shí)現(xiàn)了一種在林火紅外監(jiān)控中能夠利用動(dòng)態(tài)更新屏蔽點(diǎn)來(lái)排除非監(jiān)控區(qū)域以提高監(jiān)控效率的方法。

1 現(xiàn)狀及分析

紅外熱成像儀森林火災(zāi)智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)主要運(yùn)用紅外熱成像監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)傳輸、GIS、圖像智能識(shí)別等技術(shù)，通過(guò)安裝在林區(qū)的紅外熱成像儀將林區(qū)的影像信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴址阑鹬笓]中心，并通過(guò)智能識(shí)別軟件對(duì)影像進(jìn)行自動(dòng)分析處理，一旦發(fā)現(xiàn)疑似林火警情，則自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警^[8-9]。在一些人員活動(dòng)頻率較高的林區(qū)，車(chē)輛、鍋爐和反光金屬等都會(huì)發(fā)射或反射紅外線，造成與林火十分類似的影像數(shù)據(jù)，導(dǎo)致在紅外熱成像森林火災(zāi)警報(bào)系統(tǒng)中出現(xiàn)干擾熱源的可能性非常大，誤報(bào)率很高。誤報(bào)率高，這在增加監(jiān)測(cè)員工作量的同時(shí)還容易導(dǎo)致人們對(duì)系統(tǒng)的不信任，甚至忽略真正的火災(zāi)警報(bào)，釀成生態(tài)災(zāi)難^[5]。這種類型的誤報(bào)無(wú)法通過(guò)軟件參數(shù)或算法調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)，只能通過(guò)屏蔽已知干擾源來(lái)實(shí)現(xiàn)^[6-7]。

在其它一些安防系統(tǒng)中，紅外熱成像儀監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定范圍的屏蔽，但這種屏蔽功能非常有限，不但鏡頭的觀測(cè)方向要固定不變，而且也只能設(shè)定一組屏蔽區(qū)域，這一功能無(wú)法在林火監(jiān)測(cè)這種需要使用云臺(tái)進(jìn)行大范圍動(dòng)態(tài)拍攝的情況下應(yīng)用，因?yàn)楫?dāng)云臺(tái)的角度發(fā)生改變的同時(shí)，需要屏蔽的區(qū)域也隨之變化，原本的一組屏蔽范圍也要隨著這一變化而加以動(dòng)態(tài)更新，傳統(tǒng)的紅外熱成像儀或基于其它光學(xué)鏡頭的林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并沒(méi)有動(dòng)態(tài)更新屏蔽點(diǎn)的功能。

為了實(shí)現(xiàn)紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)干擾源的智能屏蔽，可以從軟件方面入手，為攝像拍攝的全景畫(huà)面建立一個(gè)球狀分割模型，并將分割的各個(gè)大小相同的矩形屏蔽單元賦以編號(hào)，建立起以屏蔽單元為地址編碼的數(shù)據(jù)模型并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，最終形成干擾源智能屏蔽功能模塊并加以實(shí)現(xiàn)#以這種方法建立的紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)更新屏蔽點(diǎn)，并可全方位排除非監(jiān)控區(qū)域，有效提高監(jiān)控效率。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)干擾源智能屏蔽的實(shí)現(xiàn)，需要硬件和軟件的相互支持和密切配合，并通過(guò)軟硬件聯(lián)動(dòng)組合的方式形成分析屏蔽功能。

2.1 組成結(jié)構(gòu)

紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)干擾源智能屏蔽功能實(shí)現(xiàn)所依托的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。與大部分紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)類似，其主要組成結(jié)構(gòu)包括前端攝像系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器和客戶端，所不同的主要是在服務(wù)器和客戶端增加了處理屏蔽的功能模塊。

圖1 紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)干擾源智能屏蔽系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

前端攝像系統(tǒng)與屏蔽功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠紅外熱成像儀、云臺(tái)、解碼器、傳輸設(shè)備等。紅外熱成像儀用于獲取紅外視頻，云臺(tái)用于控制紅外熱成像儀監(jiān)控方向，解碼器用于解碼操控指令，傳輸設(shè)備用于傳輸視頻圖像及操控指令等。傳輸網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線或有線傳輸方式在因特網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)上進(jìn)行信息傳輸。服務(wù)器除了處理視頻信息、發(fā)出警報(bào)及處理云臺(tái)操作指令外，還可進(jìn)行屏蔽處理。客戶端則接收服務(wù)器圖像服務(wù)，發(fā)送屏蔽及云臺(tái)操作指令。

2.2 數(shù)據(jù)模型

要實(shí)現(xiàn)對(duì)不斷移動(dòng)的紅外鏡頭獲取的圖像局部區(qū)域進(jìn)行屏蔽，首先要將紅外熱成像儀監(jiān)控區(qū)域的圖像表示出來(lái)，這樣才能使用戶在圖像上選定屏蔽區(qū)域進(jìn)行屏蔽操作。本研究采用球型分割模型作為全景圖生成模型，這是因?yàn)榧t外熱成像儀所能拍攝到的全景畫(huà)面必定可以在一個(gè)圓球上無(wú)縫拼貼形成球形。將紅外熱成像儀采集的移動(dòng)數(shù)據(jù)圖像進(jìn)行球型分割，即采用一個(gè)球形面作為分割數(shù)據(jù)圖像的界面，生成監(jiān)測(cè)全景圖。圖2即紅外熱成像全景圖所采用的球形分割模型。

為了實(shí)現(xiàn)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的干擾源智能屏蔽功能，研究創(chuàng)造了屏蔽單元的概念，即將紅外熱成像儀所監(jiān)控的全景圖分割為一定大小的屏蔽單元，每個(gè)屏蔽單元為包含一定圖像像元的矩形區(qū)域。為每個(gè)屏蔽單元賦予一個(gè)固定的地址編碼和一個(gè)屏蔽標(biāo)識(shí)碼，屏蔽標(biāo)識(shí)碼默認(rèn)為0，即不屏蔽，當(dāng)屏蔽標(biāo)識(shí)碼被修改為1的時(shí)候，就將這個(gè)屏蔽單元對(duì)應(yīng)的圖像區(qū)域屏蔽掉，此后發(fā)生在該屏蔽單元區(qū)域的火警警報(bào)將直接被忽略掉。

圖2 球形分割模型

在客戶端每張獲取的實(shí)時(shí)圖像上，需要建立與屏蔽單元相同大小的柵格選框。由于云臺(tái)的不斷移動(dòng)和攝像頭輕微抖動(dòng)變化，柵格選框會(huì)隨攝像設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)，此時(shí)柵格選框會(huì)依據(jù)云臺(tái)位置計(jì)算獲取當(dāng)前地址編碼，并將之與全景圖上的屏蔽單元地址編碼進(jìn)行匹配?？蛻舳藮鸥襁x框與屏蔽單元之間關(guān)系如圖3所示。

圖3 客戶端柵格選框與屏蔽單元之間關(guān)系

由于這些柵格選框與屏蔽單元并不一定完全重合，要將柵格選框和屏蔽單元一一對(duì)應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生4種情況：第一種情況是柵格選框和屏蔽單元完全重合，則柵格選框直接對(duì)應(yīng)該屏蔽單元取值；第二種情況是柵格單元與2個(gè)或4個(gè)屏蔽單元交疊，且交疊面積不一樣，則此時(shí)認(rèn)為柵格選框?qū)?yīng)交疊面積最大的屏蔽單元；第三種情況是柵格單元與兩個(gè)屏蔽單元交疊，且交疊面積一樣，此時(shí)認(rèn)為柵格選框?qū)?yīng)左方或上方的那個(gè)屏蔽單元；最后一種情況是柵格單元與4個(gè)屏蔽單元交疊，且交疊面積一樣，則此時(shí)認(rèn)為柵格選框?qū)?yīng)左上方的那個(gè)屏蔽單元。

2.3 流程設(shè)計(jì)

紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)干擾源智能屏蔽工作流程如圖4所示。

圖4 紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)干擾源智能屏蔽工作流程

當(dāng)紅外熱成像儀安裝完畢后，可在初始階段先將當(dāng)前很明顯的非監(jiān)測(cè)區(qū)域，如樓房、道路、天空等先行在全景圖的屏蔽單元中加以預(yù)屏蔽，在后期使用過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移和地物的變化，會(huì)發(fā)現(xiàn)疑似火情并報(bào)警，這時(shí)首先要觀察當(dāng)前影像，查看該報(bào)警位置是否已經(jīng)變成非監(jiān)控區(qū)，若因?yàn)榈匚镒兓兂煞潜O(jiān)控區(qū)，則通過(guò)客戶端柵格選框?qū)⒂跋裰袩o(wú)需監(jiān)控范圍的屏蔽單元選中屏蔽，并在服務(wù)器端進(jìn)行存儲(chǔ)更新。

2.4 研發(fā)實(shí)現(xiàn)

研究采用FLIR 60mm鏡頭紅外熱成像儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用電信專網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，功能實(shí)現(xiàn)所依托的系統(tǒng)采用python開(kāi)發(fā)，Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，在軟件模型上采用了 NASA全球數(shù)字高程地形圖（ASTDEM）建立3D地形模型，遙感影像數(shù)據(jù)采用 NaturaLVue數(shù)據(jù)。最終建立的可進(jìn)行干擾源智能屏蔽的紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可在windows或Linux操作系統(tǒng)中應(yīng)用。

3 應(yīng)用實(shí)例

在廣東省清遠(yuǎn)市清新縣建立紅外熱成像儀林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)前端視頻監(jiān)控設(shè)備設(shè)立于清新縣電信大樓，對(duì)清新縣八面山林區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該監(jiān)測(cè)區(qū)域很大一部分與城區(qū)相鄰，城市高熱金屬、鍋爐、玻璃反光等極易造成誤報(bào)。前端攝像系統(tǒng)采用當(dāng)前使用較多的雙視頻^[10]，包括一套紅外熱成像儀和一臺(tái)透霧鏡頭，可同時(shí)獲取紅外和可見(jiàn)光視頻，視頻信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至服務(wù)器，清新縣林業(yè)局和廣東森林防火研究中心等客戶端可以通過(guò)發(fā)送指令到服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)云臺(tái)遠(yuǎn)程控制，每個(gè)客戶端還可以通過(guò)軟件自行通過(guò)發(fā)送屏蔽指令實(shí)現(xiàn)對(duì)非監(jiān)控區(qū)域的屏蔽。

圖5為系統(tǒng)的全景圖查看模式，圖6表示對(duì)非觀測(cè)區(qū)域的屏蔽操作，被標(biāo)示為灰色區(qū)域的火險(xiǎn)警報(bào)將會(huì)被直接屏蔽掉。

4 結(jié)語(yǔ)

首次研究在林火紅外熱成像儀監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)干擾源智能屏蔽功能#通過(guò)將紅外熱成像儀的可視范圍以球形分割模型建立全景圖，并以編號(hào)的形式分割為多個(gè)屏蔽單元，生成屏蔽單元地址編碼的數(shù)據(jù)模型，并將用戶需要屏蔽的區(qū)域連同所獲得的影像拍攝角度信息一并寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)將影像信息與數(shù)據(jù)模型中交疊的屏蔽單元相對(duì)應(yīng)來(lái)選擇屏蔽點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)林區(qū)已知干擾源區(qū)域進(jìn)行屏蔽，從而大量減少林火視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的誤報(bào)率，提高火情識(shí)別準(zhǔn)確率。隨著該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用，必將極大地提高我國(guó)視頻林火監(jiān)測(cè)技術(shù)水平。