紅外熱成像儀林火監測干擾源智能屏蔽技術研究

關鍵詞：紅外熱成像儀； 林火監測；屏蔽

近年來，利用紅外熱成像儀進行森林火災智能遠程監測逐漸成為林火視頻監測的研究熱點^[1-2] 。這種林火監測方法具有火情自動識別、響應速度快、晝夜都可以監測、可有效降低監控管理人員的勞動強度等優點^[3-4]。然而，在利用紅外熱成像儀智能識別林火過程中卻經常發生誤報，這是因為監測區域的環境會對林火識別的準確率造成影響，許多物體都會發射或反射過量紅外線觸發誤報^[5]。這種類型的誤報難以依靠調整軟件算法或監測參數來減少，最好的方式是將這些已知的干擾源屏蔽掉^[6-7]，而目前國內紅外或其他光學林火監測系統中尚無實現局部屏蔽方法的先例。本文針對現有技術的不足，提出和實現了一種在林火紅外監控中能夠利用動態更新屏蔽點來排除非監控區域以提高監控效率的方法。

1 現狀及分析

紅外熱成像儀森林火災智能遠程監測主要運用紅外熱成像監控、網絡傳輸、GIS、圖像智能識別等技術，通過安裝在林區的紅外熱成像儀將林區的影像信息實時傳輸到森林防火指揮中心，并通過智能識別軟件對影像進行自動分析處理，一旦發現疑似林火警情，則自動觸發報警^[8-9]。在一些人員活動頻率較高的林區，車輛、鍋爐和反光金屬等都會發射或反射紅外線，造成與林火十分類似的影像數據，導致在紅外熱成像森林火災警報系統中出現干擾熱源的可能性非常大，誤報率很高。誤報率高，這在增加監測員工作量的同時還容易導致人們對系統的不信任，甚至忽略真正的火災警報，釀成生態災難^[5]。這種類型的誤報無法通過軟件參數或算法調整來實現，只能通過屏蔽已知干擾源來實現^[6-7]。

在其它一些安防系統中，紅外熱成像儀監控可以實現對指定范圍的屏蔽，但這種屏蔽功能非常有限，不但鏡頭的觀測方向要固定不變，而且也只能設定一組屏蔽區域，這一功能無法在林火監測這種需要使用云臺進行大范圍動態拍攝的情況下應用，因為當云臺的角度發生改變的同時，需要屏蔽的區域也隨之變化，原本的一組屏蔽范圍也要隨著這一變化而加以動態更新，傳統的紅外熱成像儀或基于其它光學鏡頭的林火監測系統并沒有動態更新屏蔽點的功能。

為了實現紅外熱成像儀林火監測干擾源的智能屏蔽，可以從軟件方面入手，為攝像拍攝的全景畫面建立一個球狀分割模型，并將分割的各個大小相同的矩形屏蔽單元賦以編號，建立起以屏蔽單元為地址編碼的數據模型并存入數據庫，最終形成干擾源智能屏蔽功能模塊并加以實現#以這種方法建立的紅外熱成像儀林火監測系統能夠動態更新屏蔽點，并可全方位排除非監控區域，有效提高監控效率。

2 設計與實現

紅外熱成像儀林火監測干擾源智能屏蔽的實現，需要硬件和軟件的相互支持和密切配合，并通過軟硬件聯動組合的方式形成分析屏蔽功能。

2.1 組成結構

紅外熱成像儀林火監測干擾源智能屏蔽功能實現所依托的系統組成結構如圖1所示。與大部分紅外熱成像儀林火監測系統類似，其主要組成結構包括前端攝像系統、傳輸網絡、服務器和客戶端，所不同的主要是在服務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測干擾源智能屏蔽系統組成結構

前端攝像系統與屏蔽功能的實現主要依靠紅外熱成像儀、云臺、解碼器、傳輸設備等。紅外熱成像儀用于獲取紅外視頻，云臺用于控制紅外熱成像儀監控方向，解碼器用于解碼操控指令，傳輸設備用于傳輸視頻圖像及操控指令等。傳輸網絡通過無線或有線傳輸方式在因特網或專網上進行信息傳輸。服務器除了處理視頻信息、發出警報及處理云臺操作指令外，還可進行屏蔽處理?？蛻舳藙t接收服務器圖像服務，發送屏蔽及云臺操作指令。

2.2 數據模型

要實現對不斷移動的紅外鏡頭獲取的圖像局部區域進行屏蔽，首先要將紅外熱成像儀監控區域的圖像表示出來，這樣才能使用戶在圖像上選定屏蔽區域進行屏蔽操作。本研究采用球型分割模型作為全景圖生成模型，這是因為紅外熱成像儀所能拍攝到的全景畫面必定可以在一個圓球上無縫拼貼形成球形。將紅外熱成像儀采集的移動數據圖像進行球型分割，即采用一個球形面作為分割數據圖像的界面，生成監測全景圖。圖2即紅外熱成像全景圖所采用的球形分割模型。

為了實現林火監測系統的干擾源智能屏蔽功能，研究創造了屏蔽單元的概念，即將紅外熱成像儀所監控的全景圖分割為一定大小的屏蔽單元，每個屏蔽單元為包含一定圖像像元的矩形區域。為每個屏蔽單元賦予一個固定的地址編碼和一個屏蔽標識碼，屏蔽標識碼默認為0，即不屏蔽，當屏蔽標識碼被修改為1的時候，就將這個屏蔽單元對應的圖像區域屏蔽掉，此后發生在該屏蔽單元區域的火警警報將直接被忽略掉。

圖2 球形分割模型

在客戶端每張獲取的實時圖像上，需要建立與屏蔽單元相同大小的柵格選框。由于云臺的不斷移動和攝像頭輕微抖動變化，柵格選框會隨攝像設備進行移動，此時柵格選框會依據云臺位置計算獲取當前地址編碼，并將之與全景圖上的屏蔽單元地址編碼進行匹配?？蛻舳藮鸥襁x框與屏蔽單元之間關系如圖3所示。

圖3 客戶端柵格選框與屏蔽單元之間關系

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應，會產生4種情況：第一種情況是柵格選框和屏蔽單元完全重合，則柵格選框直接對應該屏蔽單元取值；第二種情況是柵格單元與2個或4個屏蔽單元交疊，且交疊面積不一樣，則此時認為柵格選框對應交疊面積最大的屏蔽單元；第三種情況是柵格單元與兩個屏蔽單元交疊，且交疊面積一樣，此時認為柵格選框對應左方或上方的那個屏蔽單元；最后一種情況是柵格單元與4個屏蔽單元交疊，且交疊面積一樣，則此時認為柵格選框對應左上方的那個屏蔽單元。

2.3 流程設計

紅外熱成像儀林火監測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測干擾源智能屏蔽工作流程

當紅外熱成像儀安裝完畢后，可在初始階段先將當前很明顯的非監測區域，如樓房、道路、天空等先行在全景圖的屏蔽單元中加以預屏蔽，在后期使用過程中，隨著時間的推移和地物的變化，會發現疑似火情并報警，這時首先要觀察當前影像，查看該報警位置是否已經變成非監控區，若因為地物變化變成非監控區，則通過客戶端柵格選框將影像中無需監控范圍的屏蔽單元選中屏蔽，并在服務器端進行存儲更新。

2.4 研發實現

研究采用FLIR 60mm鏡頭紅外熱成像儀進行監測，利用電信專網傳輸數據，功能實現所依托的系統采用python開發，Oracle 數據庫管理軟件進行數據管理，在軟件模型上采用了 NASA全球數字高程地形圖（ASTDEM）建立3D地形模型，遙感影像數據采用 NaturaLVue數據。最終建立的可進行干擾源智能屏蔽的紅外熱成像儀林火監測系統可在windows或Linux操作系統中應用。

3 應用實例

在廣東省清遠市清新縣建立紅外熱成像儀林火監測系統，該系統前端視頻監控設備設立于清新縣電信大樓，對清新縣八面山林區進行監測，該監測區域很大一部分與城區相鄰，城市高熱金屬、鍋爐、玻璃反光等極易造成誤報。前端攝像系統采用當前使用較多的雙視頻^[10]，包括一套紅外熱成像儀和一臺透霧鏡頭，可同時獲取紅外和可見光視頻，視頻信息通過網絡實時傳輸至服務器，清新縣林業局和廣東森林防火研究中心等客戶端可以通過發送指令到服務器來實現云臺遠程控制，每個客戶端還可以通過軟件自行通過發送屏蔽指令實現對非監控區域的屏蔽。

圖5為系統的全景圖查看模式，圖6表示對非觀測區域的屏蔽操作，被標示為灰色區域的火險警報將會被直接屏蔽掉。

4 結語

首次研究在林火紅外熱成像儀監測系統中實現干擾源智能屏蔽功能#通過將紅外熱成像儀的可視范圍以球形分割模型建立全景圖，并以編號的形式分割為多個屏蔽單元，生成屏蔽單元地址編碼的數據模型，并將用戶需要屏蔽的區域連同所獲得的影像拍攝角度信息一并寫入數據庫，通過將影像信息與數據模型中交疊的屏蔽單元相對應來選擇屏蔽點，實現對林區已知干擾源區域進行屏蔽，從而大量減少林火視頻監測系統的誤報率，提高火情識別準確率。隨著該項技術的推廣應用，必將極大地提高我國視頻林火監測技術水平。