關(guān)鍵詞：紅外熱成像儀； 林火監(jiān)測,；屏蔽

近年來,，利用紅外熱成像儀進(jìn)行森林火災(zāi)智能遠(yuǎn)程監(jiān)測逐漸成為林火視頻監(jiān)測的研究熱點(diǎn)^[1-2] 。這種林火監(jiān)測方法具有火情自動識別,、響應(yīng)速度快,、晝夜都可以監(jiān)測、可有效降低監(jiān)控管理人員的勞動強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)^[3-4],。然而,，在利用紅外熱成像儀智能識別林火過程中卻經(jīng)常發(fā)生誤報(bào)，這是因?yàn)楸O(jiān)測區(qū)域的環(huán)境會對林火識別的準(zhǔn)確率造成影響,，許多物體都會發(fā)射或反射過量紅外線觸發(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)測參數(shù)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(nèi)紅外或其他光學(xué)林火監(jiān)測系統(tǒng)中尚無實(shí)現(xiàn)局部屏蔽方法的先例,。本文針對現(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)控中能夠利用動態(tài)更新屏蔽點(diǎn)來排除非監(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,、圖像智能識別等技術(shù),，通過安裝在林區(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，并通過智能識別軟件對影像進(jìn)行自動分析處理,，一旦發(fā)現(xiàn)疑似林火警情,，則自動觸發(fā)報(bào)警^[8-9]。在一些人員活動頻率較高的林區(qū)，車輛,、鍋爐和反光金屬等都會發(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)測員工作量的同時(shí)還容易導(dǎo)致人們對系統(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)無法通過軟件參數(shù)或算法調(diào)整來實(shí)現(xiàn),，只能通過屏蔽已知干擾源來實(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(shè)定一組屏蔽區(qū)域,，這一功能無法在林火監(jiān)測這種需要使用云臺進(jìn)行大范圍動態(tài)拍攝的情況下應(yīng)用,，因?yàn)楫?dāng)云臺的角度發(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)測系統(tǒng)并沒有動態(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(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,，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,，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)測系統(tǒng)能夠動態(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,，并通過軟硬件聯(lián)動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、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)通過無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)及處理云臺操作指令外，還可進(jìn)行屏蔽處理,?？蛻舳藙t接收服務(wù)器圖像服務(wù),，發(fā)送屏蔽及云臺操作指令,。

2.2 數(shù)據(jù)模型

要實(shí)現(xiàn)對不斷移動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,，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面必定可以在一個(gè)圓球上無縫拼貼形成球形,。將紅外熱成像儀采集的移動數(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)識碼,，屏蔽標(biāo)識碼默認(rèn)為0,，即不屏蔽，當(dāng)屏蔽標(biāo)識碼被修改為1的時(shí)候,，就將這個(gè)屏蔽單元對應(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,。由于云臺的不斷移動和攝像頭輕微抖動變化，柵格選框會隨攝像設(shè)備進(jìn)行移動,，此時(shí)柵格選框會依據(jù)云臺位置計(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,。客戶端柵格選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應(yīng)，會產(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,，在后期使用過程中，隨著時(shí)間的推移和地物的變化,，會發(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),，則通過客戶端柵格選框?qū)⒂跋裰袩o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,，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開發(fā),，Oracle 數(shù)據(jù)庫管理軟件進(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,，對清新縣八面山林區(qū)進(jìn)行監(jiān)測,，該監(jiān)測區(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透霧鏡頭,，可同時(shí)獲取紅外和可見光視頻,，視頻信息通過網(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發(fā)送指令到服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)云臺遠(yuǎn)程控制,，每個(gè)客戶端還可以通過軟件自行通過發(fā)送屏蔽指令實(shí)現(xiàn)對非監(jiān)控區(qū)域的屏蔽,。

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

4 結(jié)語

首次研究在林火紅外熱成像儀監(jiān)測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)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(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入數(shù)據(jù)庫，通過將影像信息與數(shù)據(jù)模型中交疊的屏蔽單元相對應(yīng)來選擇屏蔽點(diǎn),，實(shí)現(xiàn)對林區(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)測系統(tǒng)的誤報(bào)率,，提高火情識別準(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視頻林火監(jiān)測技術(shù)水平,。