信息技术在林火探测中的应用

张仕响 武 刚

[摘 要] 本文在介绍信息技术的基础上,搜集了大量的林火探测方法,分析了人为探测的优缺点以及利用信息技术进行林火探测的必要性。信息技术在林火探测中的应用主要包括4个方面:红外探测、感烟探测、卫星遥感探测和视频图像探测。本文分析了各种信息技术的探火原理以及优缺点,并指出在不同的环境背景下应该选择不同的信息技术进行林火探测,必要的时候可以使用复合型的林火探测方式。一般来说,红外探测和感烟探测比较适合近距离的林火探测,因为红外和烟雾容易受周围环境的影响而有不同程度的削减;对于大面积的森林监测应该采用卫星遥感技术,但由于其覆盖周期长,应用于林火探测上尚有一定距离,在林火灾后评估方面有很好的应用效果;视频图像林火探测是一门新兴的信息技术,虽然有其他方法所不可比拟的优越性,但在应用过程中,其缺点也应受到人们的重视。随着信息技术日新月异的发展,林火探测技术将会越来越科学、准确。

[关键词] 信息技术;林火探测;卫星感烟;视频图像

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2009 . 21 . 036

[中图分类号]F270.7[文献标识码]A[文章编号]1673 - 0194(2009)21 - 0114 - 04

1信息技术及其在林业管理系统中的应用概述

信息技术(Information Technology,IT),是主要用于管理和处理信息所采用的各种技术的总称。它主要是应用计算机科学和通信技术来设计、开发、安装和实施信息系统及应用软件。它也常被称为信息和通信技术(Information and Communications Technology, ICT),主要包括传感技术、计算机技术和通信技术。

在林业管理系统中,计算机已逐步应用在许多方面,如森林资源管理,造林辅助设计,木材销售管理等。然而,在林火探测方面却一直是一个薄弱环节,这是因为森林火灾的发生很不确定,很难找到它的规律,有组织地针对森林火灾所开展的预防、控制和扑救工作,是一项涉及多部门、多要素、多学科的复杂过程[1]。

2林火探测概述

森林火灾是森林资源的主要灾害之一,森林火灾对经济、社会和生态环境的可持续发展造成了较大的威胁。据统计数据显示,从2008年年初到3月31日,全国共发生森林火灾6 351起,火场总面积 59 776公顷,受害森林面积24 910公顷 。

“预防重于救险”。火灾探测技术的目的就是要在火灾发生的早期,准确地判断林火、预报林火。为了避免火灾的灾难性后果,火灾探测技术越来越受到重视。

比较传统的林火探测方式是人为探测,主要是指附近居民、游人或者森林工作者通过地面巡护进行林火探测,此后发展起来的瞭望台探测、瞭望塔探测也是基于人为探测的。在防火期内,护林员的任务繁重,一天24小时全天候进行森林监测,消除火灾隐患,防止森林火灾的发生。

利用人为方式进行林火探测,观测范围广、盲区少、效果真实。但因为技术手段落后,信息传送慢,24小时全天候监测任务繁重,且观测效果易受人为因素影响。为了进一步提高林火探测的真实性和科学性,在森林防火体系中,信息技术的应用越来越广泛:红外探测技术、感烟探测技术、卫星遥感探测技术及视频图像探测技术发挥着越来越重要的作用,为保障人民的生命财产安全做出了很大贡献。

3信息技术在林火探测中的应用现状研究

3.1 红外探测

3.1.1 红外探测的技术原理

火焰是一个高温体,除了发射可见光外,同时也放出大量的红外线,红外遥感或热感成像制图就是通过仪器记录地物的红外能,以探测不同物体的状态,根据探测到的物体的辐射能的大小,经系统处理转变为目标物体的热图像,以灰度级或伪彩色显示出来,即得到被测目标的温度分布,从而判断物体所处的状态[2]。

林区背景温度一般在-40 ℃～60 ℃,辐射波长为1.5～30μm,峰值波长为3～20μm,辐射能量为0.0173W/ cm2;森林可燃物产生的火焰温度为627℃,辐射波长为0.8～80μm,峰值波长2～6μm,辐射能量为1.43W/ cm2。两者温度相差较大,在热图像中很容易将可燃物的燃烧情况从地形背景中分离出来,从而达到林火探测的目的。

3.1.2红外探测优缺点

利用红外探测林火,有较大的灵活性,既可以在白天使用,也可以在夜间使用;受天气影响小,可以在小雨、小雪和烟雾的条件下实时观察,不受火炮烟雾和闪电的干扰;红外探测技术的控测能力强,作用距离远,利用红外线探测器不仅能够发现小火,而且还能发现阴燃物和扑火后的余火,它能准确地探测出林火的火点、火线的位置、火场的面积,从而估测火势。

然而,由于红外线通过大气时,被空气中的水气吸收而减弱,严重地影响了红外线的透射率;此外,红外热成像对比度低,分辨细节能力差;且成本高、价格贵。

3.2感烟探测

3.2.1感烟探测的技术原理

感烟探测的原理是利用烟雾感测技术,采集森林的烟雾信号,判断其是否超过某一阈值,从而进行林火的探测。

感烟探测器包括3种。一种是离子感烟探测器,其电离室内的放射源241镅电离所产生的正、负离子,在电场的作用下,各向正负电极移动。一旦有烟雾窜进外电离室,干扰了带电粒子的正常运行,使电流、电压有所改变,破坏了内外电离室之间的平衡,探测器就会对此产生感应,发出报警信号。另一种是光电感应探测器,它有一个发光元件和一个光敏元件,平常由发光元件发出的光,通过透镜射到光敏元件上,电路维持正常,如有烟雾从中阻隔,到达光敏元件上的光就会显著减弱,于是光敏元件就把光强的变化转换成电流的变化,通过放大电路发出报警信号。还有一种是管道抽吸式感烟探测器,它的工作原理与散射式光电感应探测器相似,通过烟雾的反射或散射作用产生光感电流。此外,随着信息技术的发展,近年来还出现了激光感烟探测器,它也是利用光电感应原理,不同的是光源改为激光束。这种探测器采用半导体元件,体积小、价格低、耐震强、寿命长,很有发展前景[3]。

总体来说,烟雾识别的火灾探测技术的关键是如何提取火灾烟雾和非火灾气溶胶的识别特征。目前的火灾探测技术已经掌握了丰富的烟特性,可全部纳入该系统中,并涵盖了每一种偶然性。

3.2.2感烟探测的优缺点

感烟探测器以响应速度快得到了广泛的应用,但由于空间高度较大,空气流通性较强等原因,烟气无法到达探测器,或者即使到达探测器也会出现烟气浓度降低的情况,从而产生误报警或不报警。另外当粉尘浓度过大也会使感烟探测器失去效用。总体来讲,控制范围窄、稳定性差、误报率高、受天气等环境影响大等原因限制了感烟探测在林火探测中的广泛应用。

3.3卫星遥感探测

3.3.1卫星遥感探测原理

NOAA/AVHRR(高级甚高分辨率辐射仪)林火卫星监测是以美国NOAA 系列卫星作为空间平台,通过光电光谱传感器信息传输、接收、解译、监测发现林火并监测其行为的航天遥感技术手段。林火监测的信息源来自NOAA气象卫星上的AVHRR高级甚态分辨率辐射仪。气象卫星虽然对地面线性地物分辨率低,星下点分辨率1.1 km,但对温度分辨率却颇强,能分辨0.1hm2大小的火点。特别是对同一地区的覆盖频率竟高达每天4次之多。气象卫星监测林火时效性强,成本低廉,优于其他资源卫星。

EOS卫星设计为近太阳同步极轨的双星系统,由上午卫星和下午卫星组成,单星设计寿命5年。其轨道高度705 km,扫描轨道宽2 330km,一颗卫星24小时扫描全球两遍。MODIS 是EOS 卫星上搭载的关键光学探测设备,共有36个通道。其中对热源敏感、可用于林火监测的通道7个(7通道和20~25通道)。可见光通道的星下点分辨率为250～500 m,可以较好地显示地面的地形地貌,甚至是地物。红外通道的星下点分辨率为500～1 000 m。将可见光和热红外等多个通道云图复合用于林火监测,可以提供诸如火头分布、云烟走向、火烧强度和火的发展趋势等信息,为指挥部门打烧阻火隔离带和兵力分配等提供参考[4]。

3.3.2卫星遥感探测优缺点

利用卫星遥感技术进行林火探测,监测面积大,可掌握林火发生、发展动态,并能确定火场边界,测得森林火灾面积。但由于卫星覆盖周期长,因此,卫星遥感技术在林火探测上直接应用还有一定距离。目前,卫星遥感数据在森林火灾领域主要用于近实时的林火监测和定位、估算火灾面积、森林火险预测、估算森林燃烧中CO2气体的排放量和评价火灾后森林的生态系统变化。

3.4视频图像探测

3.4.1视频图像探测原理

目前,国内许多省市林业部门已经或正开始建立基于无线远程视频监控的林火视频监控系统,以实现可视化监控。视频图像的实时传输,是解决或缓解林火信息不及时、信息处理手段单一、森林防火监控不力等问题的有效途径。

利用图像处理技术和智能报警技术,将视频摄像头采集到的森林实时图像数据进行图像处理和分析,若发现实时图像中有异常,则记录此时摄像头的仰角和转角,以确定火点位置,排除非林区火点;如果判定该异常发生在林区,则对可疑林火点进行面积测算,推算火险等级并报警。利用视频图像进行林火探测的系统流程如图1所示。

3.4.2视频图像探测优缺点

通过自动摄像,把信号直接传输到林火信息指挥中心并进行实时显示,便于及时高效做出指挥部署。其优点为技术先进,信息传送及时、高效,24小时全天候自动实时监测,并可实现室内指挥扑火;同时,在边远山区无人居住区使用方便,投资低。

但该技术对图像要求较高,尤其在夜间,弱可见光使得探测难度增大,在不利的气候条件下,也难以准确进行视频判断。

4信息技术在林火探测中的展望

近年来人们积极研究火灾深层次的机制,并不断提出新的火灾探测技术,基于视频的烟火探测、基于知识发现的林火探测、基于计算机视觉的林火探测等复合型的林火探测技术越来越受到人们的青睐。随着信息技术在视频图像领域应用水平的不断提高,可视化林火探测技术将会有更大的发展空间。

针对视频图像在林火探测中的缺点,进行算法修正,并进行多层次的林火特征筛选和判定,不同的火情采取不同的报警方式,可以更大幅度地降低误报概率,从而大大减少森林防护员的工作量并提高林火探测的科学性和准确性。

主要参考文献

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[3] 高爱莲. 基于视频的火焰检测方法研究[D]. 昆明:昆明理工大学,2008.

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The Application of Information Technology

in Forest Fire Detection

ZHANG Shi-xiang, WU Gang

(School of Information,Beijing Forestry University,Beijing 100083, China)

Abstract: The article introduces the meaning of information technology and collects a large number of forest fire detection methods, analyzes the advantages and disadvantages of the human detection and the need of information technology.

The application of information technology in forest fire detection includes four aspects: infrared detection, smoke detection, satellite remote sensing and video-images detection. The article analyzes the principles of a variety of information technology, as well as the advantages and disadvantages, pointing out that we should choose the right information technology method for forest fire detection considering the different conditions and backgrounds, complex of forest fire detection methods can be used when necessary. In general, infrared detection and smoke detection are more suitable for close-up of forest fire detection, because the infrared and smoke are easily affected by the surrounding environment on different levels; large areas of forest should be monitored by the satellite remote sensing technology, However, due to its long-term coverage, there is a certain distance to detect forest fires, after all, it has a good assessment of the bush afterfire; video-images detection is an emerging information technology, although it has the advantages that can not be compared by other methods, in the application process, its shortcomings should be paid much attention. With the rapid development of information technology, forest fire detection technology will become more and more scientific and accurate.

Key words: Information Technology; Forest Fire Detection; Satellite Remote Sensing; Video Image