公共安全是政府和百姓都特別關(guān)注、十分重要的社會問題，而在公共安全系統(tǒng)工程中，森林防火更是關(guān)系到國計民生，與人類的生存息息相關(guān)。火災(zāi)是森林最危險的敵人，也是林業(yè)的最大災(zāi)害，它能給森林帶來最具毀滅性的后果。

　　森林火災(zāi)具有突發(fā)性、隨機(jī)性、破壞時間短等特點，因此一旦有火警發(fā)生，就必須速度采取撲救措施。而撲救是否及時，決策是否得當(dāng)，最重要取決于對林火的發(fā)現(xiàn)是否及時，分析是否準(zhǔn)確合理，決策措施是否得當(dāng)。傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)一般基于紅外傳感器和煙霧傳感器，探測火災(zāi)發(fā)生時生成的煙、溫度和光等參量，經(jīng)信號處理、比較、判斷后發(fā)出火災(zāi)報警信號;其缺點是無法迅速采集火災(zāi)發(fā)出的煙溫變化信息，難以滿足早期探測并預(yù)報此類火災(zāi)的要求。

　　近年來，紅外熱成像檢測和可見光圖像檢測在火焰檢測中有一定程度的應(yīng)用，但由于自身成像和檢測原理，只是單一的檢測模式極容易產(chǎn)生誤報、漏報，影響用戶使用，使得這一技術(shù)的推廣受到了阻礙?；谶@種現(xiàn)象，雙光譜探測森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)，采用兩種光譜的圖像智能檢測技術(shù)最大程度發(fā)揮了各自優(yōu)勢，取長補(bǔ)短，能有效準(zhǔn)確地檢測出火焰，彌補(bǔ)傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)與單一檢測模式所存在的不足，以達(dá)到森林防火智能預(yù)警的效果。

　　國內(nèi)外基本情況及發(fā)展趨勢

　　從19世紀(jì)90年代至20世紀(jì)50年代感溫探測器一直占主導(dǎo)地位，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)處于初級發(fā)展階段;20世紀(jì)50年代初，瑞士物理學(xué)家埃斯特邁爾成功研制出離子型感煙探測器;到20世紀(jì)70年代末，光電元器件技術(shù)取得突破，光電感煙探測器應(yīng)運(yùn)而生;20世紀(jì)80年代初，日本開始研究實驗?zāi)M量火災(zāi)探測器，最為典型的是1991年日本學(xué)者提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于火源探測的問題;1994年瑞士推出Algo Rex火災(zāi)探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯相結(jié)合，共同決策，如圖1所示。

　　20世紀(jì)70年代末，我國的一些軍工企業(yè)、部屬企業(yè)開始研制火災(zāi)自動報警產(chǎn)品;進(jìn)入80年代后為了縮短與國外同類產(chǎn)品的差距，滿足國內(nèi)市場需要，開始引進(jìn)或仿制國外產(chǎn)品;90年代后，國外企業(yè)進(jìn)入中國市場，帶來了先進(jìn)的技術(shù)，在一定程度上促進(jìn)了市場的發(fā)展。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和森林防火信息化需求的逐漸升級，新的火災(zāi)探測器也不斷出現(xiàn);但目前國內(nèi)所有的火災(zāi)自動報警技術(shù)主要是基于傳感器的檢測，在現(xiàn)有的各種火災(zāi)報警和消防監(jiān)控設(shè)備中，大多數(shù)場所的火災(zāi)檢測，都采用常規(guī)的火災(zāi)探測的方法，其性能優(yōu)劣直接會影響火災(zāi)自動報警的準(zhǔn)確度和可靠性，例如感煙、感溫、感光探測器，它們分別利用火焰的煙霧、溫度、光的特性來對火災(zāi)進(jìn)行探測。在大面積森林應(yīng)用中，上述傳感器由于空間距離大，信號變得十分微弱。大空間使得普通的感煙、感溫火災(zāi)探測報警系統(tǒng)都無法迅速采集火災(zāi)發(fā)出的煙溫變化信息，即使是高精度的傳感器也會由于種種噪聲干擾而無法正常工作，導(dǎo)致火情誤報或錯報，無法滿足森林火災(zāi)的及時檢測需求。

　　目前世界森林面積達(dá)40億公頃，其中我國森林面積是1.75億公頃, 各類自然保護(hù)區(qū)1551個，對森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)有著不同程度的需求，防止森林火災(zāi)發(fā)生的最好辦法就是預(yù)防。世界各國對火災(zāi)的預(yù)警檢測越來越重視，2010年6月俄羅斯大火給各國敲響了森林防火的警鐘，森林保護(hù)系統(tǒng)的缺失將導(dǎo)致森林火災(zāi)發(fā)生時要么束手無策，要么聽之任之，因此，俄羅斯生態(tài)學(xué)家指出應(yīng)盡快恢復(fù)國家森林保護(hù)系統(tǒng)，實用、快速、全面的預(yù)警系統(tǒng)尤為重要。

　　雙光譜探測森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)，采用雙光譜探測方法，將先進(jìn)的紅外熱成像儀圖像采集和可見光圖像探測通過智能分析算法結(jié)合應(yīng)用，取長補(bǔ)短，最大限度發(fā)揮各自優(yōu)勢，再加上網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)組成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的智能森林防火指揮系統(tǒng)。與普通網(wǎng)絡(luò)視頻檢測系統(tǒng)相比，雙光譜探測森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)是一種更高端、視頻檢測更智能、更準(zhǔn)確可靠的防火檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守，自動對視頻圖像信息進(jìn)行分析判斷，及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的異常煙霧和火災(zāi)苗頭，準(zhǔn)確檢測出火焰，以最快、最佳的方式告警并提供防火預(yù)警信息，達(dá)到早期預(yù)警的目的。能夠有效的協(xié)助消防人員處理火災(zāi)危機(jī)，并最大限度的降低誤報和漏報現(xiàn)象;同時還可查看現(xiàn)場實時圖像，根據(jù)直觀的畫面直接指揮調(diào)度救火。

　　該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于森林等戶外火災(zāi)的預(yù)警監(jiān)測中，同時結(jié)合林業(yè)管理的專業(yè)知識和林業(yè)防火的經(jīng)驗，建立新一代森林防火智能分析監(jiān)測系統(tǒng)，針對性地解決用戶的各種個性化需求。通過紅外熱成像和可見光雙光譜的檢測，以及云臺精確智能定位系統(tǒng)，獲得林區(qū)的清晰圖像，利用視頻分析技術(shù)，根據(jù)火焰光譜特征判斷是否產(chǎn)生火情，一旦發(fā)現(xiàn)疑似火情，立即觸發(fā)報警，林區(qū)視頻回傳至監(jiān)控中心，如果確認(rèn)報警屬實，攝像系統(tǒng)鎖定目標(biāo)，精確判斷火點位置，并根據(jù)已建立的林業(yè)防火信息數(shù)據(jù)資源做出滅火方案。[nextpage]

　　方案設(shè)計

　　本系統(tǒng)是一種具有紅外光、可見光雙光譜探測的森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了紅外熱成像儀系統(tǒng)、超溫檢測系統(tǒng)、可見光攝像機(jī)、火災(zāi)監(jiān)測分析儀、云臺精確定位系統(tǒng)、視頻服務(wù)系統(tǒng)、監(jiān)控主機(jī)等部分組成?？赏瑫r輸出兩路視頻信號，具有紅外熱成像超溫檢測和可見光火災(zāi)檢測功能，并根據(jù)置信度系數(shù)模型進(jìn)行分析，自動給出報警信息，有效提高了報警的準(zhǔn)確率。探測設(shè)備可根據(jù)用戶在場景中畫出的任意路徑自動掃描，并可在運(yùn)動掃描過程中進(jìn)行快速煙火檢測。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并向遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)發(fā)送報警機(jī)器ID、云臺水平和俯仰角度、超溫區(qū)域的坐標(biāo)(左上角和右下角)等信息。遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)根據(jù)回傳信息，經(jīng)過分析判斷確認(rèn)報警后產(chǎn)生報警信號、記錄報警信息，并提供日志查詢和錄像等功能。

　　連續(xù)變焦紅外熱成像儀

　　連續(xù)變焦紅外熱像儀由324×256非制冷焦平面陣列探測器配合75-150mm連續(xù)變焦紅外鏡頭制成，既能大范圍搜索，又能識別遠(yuǎn)處目標(biāo)。該產(chǎn)品克服了目前國內(nèi)外固定焦距式或雙視場式熱成像儀的缺陷，在變焦的過程中成像清晰，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定。具有堅固且密封性能極好的外殼，內(nèi)部充氮，不受雨雪、灰塵的破壞，能夠在惡劣的環(huán)境中正常工作。集第4代非制冷型焦平面紅外探測器、最先進(jìn)的電子和光學(xué)系統(tǒng)于一身的熱成像儀，能夠穿透灰塵、煙霧、雨雪和黑暗，最小溫度分辨率達(dá)50mK，增加圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)功能、輸出熱白/熱黑/偽彩色圖像。

　　熱成像超溫檢測系統(tǒng)

　　在大面積的森林中，火災(zāi)往往是由隱火引發(fā)，這是毀滅性火災(zāi)的根源，而用現(xiàn)有的普通檢測方法，很難發(fā)現(xiàn)這種隱性火災(zāi)苗頭。而應(yīng)用紅外熱成像儀可以快速有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，并且可以準(zhǔn)確判定火災(zāi)的地點和范圍。

　　自然界中任何溫度高于絕對零度的物體，都會不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)的電磁波，物體表面的溫度越高，紅外輻射能量就越多，因此可以利用紅外輻射測量物體表面的熱狀態(tài)。

　　熱像儀工作在8-14μm，屬于遠(yuǎn)紅外波段，正常森林的輻射波長范圍為8.5-12.2μm，在熱成像儀8-14μm的探測范圍之內(nèi)。目標(biāo)溫度越高，從熱成像探測器組件輸出的數(shù)字信號值越大,即數(shù)字圖像的灰度值越大，根據(jù)此特點，超溫檢測工作過程如下：圖像采集模塊將探測器輸出的高精度圖像數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，圖像處理模塊運(yùn)行超溫檢測算法，首先根據(jù)目標(biāo)和背景的對比度計算出原始閾值，再結(jié)合用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度等級，計算出二值化閾值，將圖像二值化后進(jìn)行連通域檢測，計算出目標(biāo)區(qū)域面積和坐標(biāo)，在畫面上標(biāo)識出超溫區(qū)域并通過串口發(fā)出報警信息。

　　由于探測器接收到的紅外輻射能量受監(jiān)控距離和工作環(huán)境的影響，被檢測目標(biāo)的溫度范圍也各不相同，所以為了達(dá)到理想的報警效果，可以根據(jù)用戶的具體使用環(huán)境設(shè)定被監(jiān)控目標(biāo)的溫度等級，即目標(biāo)與背景的溫度差別等級。

　　可見光圖像檢測系統(tǒng)

　　由于紅外熱成像儀成像清晰度差，可能存在一定程度上的誤報，因此系統(tǒng)又引入可見光圖像檢測，通過檢測火焰的靜態(tài)特征(顏色)和形態(tài)特征(閃爍性)兩個特征進(jìn)行檢測。先利用靜態(tài)特征從視頻圖像中提取出與火焰顏色相似的區(qū)域，再利用形態(tài)特征對上面提取出來的區(qū)域進(jìn)行檢測，通過視頻圖像分析算法，檢測出火焰產(chǎn)生二級報警信號?？梢姽鈹z像機(jī)模擬視頻信號接入到圖像檢測模塊，通過圖像采集單元的視頻解碼電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，被基于DSP的圖像處理單元處理，根據(jù)火災(zāi)火焰的圖像特性，探測出畫面中出現(xiàn)的火焰，加入火焰識別標(biāo)記后，再通過視頻編碼電路轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號輸出。由于監(jiān)測場景不同，火焰所呈現(xiàn)的顏色、狀態(tài)也會不同。因此，在監(jiān)測時，可以根據(jù)環(huán)境要求，調(diào)整檢測模塊的工作狀態(tài)，通過設(shè)置相應(yīng)參數(shù)閾值，如顏色靈敏度、動態(tài)靈敏度等，使檢測模塊可以更準(zhǔn)確及時地識別出火焰。[nextpage]

　　云臺精確定位系統(tǒng)

　　由于采用自由掃描路徑快速分析技術(shù)，對云臺運(yùn)動精度要求相當(dāng)高。云臺精確定位系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)，可實現(xiàn)變速功能，步長精確，實現(xiàn)攝像機(jī)與熱成像儀的水平和俯仰動作，配有高精度編碼器，使精度指標(biāo)達(dá)到算法所需要的要求。其主要功能有：對云臺電機(jī)的運(yùn)動控制、熱成像儀的變倍聚焦控制、熱成像儀檢測參數(shù)設(shè)置、可見光攝像機(jī)鏡頭控制、可見光檢測參數(shù)設(shè)置、接收監(jiān)控中心的控制命令、將報警信號/角度信息等傳回監(jiān)控中心等。

　　智能控制系統(tǒng)

　　熱成像儀超溫探測、可見光圖像檢測結(jié)合后臺監(jiān)控軟件中搭建智能控制系統(tǒng)中運(yùn)行的雙光譜探測智能分析算法，充分利用各自的優(yōu)勢，有效地降低誤報率。

　　通過前端熱成像儀超溫探測系統(tǒng)產(chǎn)生的報警信號，同時伴有疑似火焰區(qū)域坐標(biāo)。由于熱成像儀探測系統(tǒng)和可見光攝像機(jī)視場角大小不一致，因此，需要對坐標(biāo)信息重新映射。報警信號、區(qū)域坐標(biāo)傳遞到智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動通過視場定位換算，將坐標(biāo)映射到可見光攝像機(jī)視場計算出報警點位置，控制系統(tǒng)根據(jù)傳遞的坐標(biāo)信息，通過控制可見光攝像機(jī)，使疑似火焰區(qū)域自動出現(xiàn)在可見光攝像機(jī)視場中央，然后智能控制系統(tǒng)根據(jù)熱成像儀的檢測信息，結(jié)合場景分析，進(jìn)行雙光譜結(jié)合的置信度進(jìn)行評估，檢測給出火焰置信度，并通知可見光檢測模塊系統(tǒng)，啟動火焰圖像檢測功能，對疑似火焰區(qū)域進(jìn)行確認(rèn)檢測。如果符合火焰圖像特征，則可見光檢測模塊根據(jù)置信度進(jìn)行估檢，輸出報警信息。最終根據(jù)探測結(jié)果，當(dāng)置信度系數(shù)超過警界值時，由智能控制系統(tǒng)結(jié)合雙光譜探測結(jié)果，再根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境綜合分析，通過聲音，屏幕標(biāo)識等手段產(chǎn)生報警信號，并通知監(jiān)控人員，從而做到對火焰早期的預(yù)警功能。

　　后臺監(jiān)控系統(tǒng)

　　通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，將現(xiàn)場視頻和熱成像儀以及可見光檢測的報警信號傳至監(jiān)控中心。根據(jù)熱成像儀和可見光檢測的置信度比較，確定火警信息，通過聲光報警等措施通知監(jiān)控人員，對現(xiàn)場視頻進(jìn)行實時錄像，對報警信息進(jìn)行及時處理。

　　系統(tǒng)可以對兩種光譜檢測進(jìn)行參數(shù)設(shè)置調(diào)整，并且配合自由掃描路徑快速分析技術(shù)，可以在屏幕上隨意設(shè)置掃描曲線和不敏感區(qū)域。

　　系統(tǒng)支持地圖顯示，直觀顯示各個探測器在監(jiān)控區(qū)域的位置和監(jiān)控區(qū)域的大致平面結(jié)構(gòu)，在火警發(fā)生時，可以通過報警信息，快速定位報警地點，做好早期預(yù)警準(zhǔn)備。通過監(jiān)控軟件還可以對云臺系統(tǒng)，熱成像儀探測系統(tǒng)以及可見光攝像機(jī)進(jìn)行靈活控制。

　　結(jié)語

　　雙光譜探測森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)是基于當(dāng)前林火監(jiān)測技術(shù)的不足的基礎(chǔ)上研發(fā)的成果，也是一套針對性很強(qiáng)的系統(tǒng)，其具有高精度、高可靠等特點，多種技術(shù)手段共同確保林火預(yù)警功能的實現(xiàn)。