红外成像技术在森林防火中的应用

■ 王洋

火灾往往是由不明显的隐火引发的，用现有的普通监视系统很难发现这种隐性火灾苗头。而红外热像仪不需要可见光的支持。由于红外热像仪的感热特性，应用红外热像仪的视频监控系统可以更迅速地对浓烟、地下火、隐性火等火情进行预警，及时将火灾消灭在萌芽阶段。

森林火灾是一种受天气条件和生态环境影响的严重自然灾害，突发性强，破坏性大，扑救难度大，是森林灾害之首。传统的森林火灾监测以瞭望台为主, 巡航飞机和卫星测报为辅。瞭望台通过用肉眼观察烟雾来发现森林火情, 一般小火时烟雾不易发现, 发现时往往已酿成火灾, 此时烟雾弥漫很难发现火灾发生的位置和发展方向。通过观察烟雾测定的数据误差较大, 尤其在夜间观测困难。因此，采用视频监控方式第一时间发现火情就显得十分必要。由于普通CCD受大雾、光线等环境影响严重，观测范围比较小火灾识别率不高。如在大面积的森林中，火灾往往是由不明显的隐火引发的，这是毁灭性火灾的根源。用现有的普通监视系统很难发现这种隐性火灾苗头。而红外热像仪应用在森林防火中，相比于普通的的视频监控方式的最大优点就是不需要可见光的支持，这对于受光线限制的林区或者是在夜间探测的情况下，极大的便于火情的早期发现和预防，而且大大降低了森林防火工作中的成本。并且由于红外热像仪的感热特性，应用红外热像仪的视频监控系统可以更迅速地对浓烟、地下火、隐性火等火情进行预警，及时将火灾消灭在萌芽阶段。

一、红外技术原理

红外辐射是物体的固有属性，其本质是物质内部微观粒子的热运动，任何高于绝对零度以上的物体（包括固体、液体和气体）都有红外辐射，物体的温度越高，分子或原子运动越剧烈，其红外辐射越多。当物体与周围背景之间、以及物体本身不同部位之间存在着温差，就会辐射出不同的能量，红外成像器利用物体间的红外辐射差来探测成像。根据普朗克定理，从热力学温度为 的物体的单位面积上，在单位波长范围内所辐射的电磁波的功率为：

因而任何物体在任何时刻都要源源不断地向外辐射电磁波。物体辐射的电磁波是其温度的函数，通常还与物体的辐射本领有关。红外辐射是介于可见光与微波之间的电磁波，其波长在0．75um-1000um之间。由于人的眼睛看不到红外辐射，需要借助红外探测系统才能进行观测。被动式红外探测系统就是利用物体温度及其辐射本领的差异制成的，用它可以对物体进行探测、测量、跟踪、搜索和成像等。

来自目标或辐射源的红外辐射，经大气传输后，被光学系统接收，调焦并聚焦到红外探测器的响应平面上，然后把输入的红外辐射信号转变为电信号，再经过放大和处理，最后在显示系统中显示出来，或者驱动执行机构工作。这种红外探测系统结构简单，能够直接反映物体的特征参量。如物体的温度或物体的各部分温度的分布情况，物体的空间方位及其运动情况等等。

红外探测器是红外热像仪的核心器件可分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器是指吸收红外辐射后，使热敏元件温度升高从而引起与温度有关的物理参数改变的探测器，如：热敏电阻、热电耦、热释电电测器等；光子探测器是通过光子与物质内部电子相互作用，产生电子能态变化而完成光电转换的探测器，分为光导型与光伏型两类。光导型探测器是当半导体吸收光子能量后产生非平衡载流子，参与导电使半导体的电导率增加；光伏型探测器是在非本征半导体上形成P-N结，在入射光子的作用下产生电子－空穴对，结间电场使两类载流子分开而产生电动势。根据探测器单元数，探测器分为单元探测器、线阵列探测器和面阵探测器。

图1：红外热像仪组成

二、预警监控系统组成

1、红外热像仪

红外热像仪能够在漆黑的夜晚生成鲜明的图像，不同于其它技术，红外热像仪无需光线亦可产生鲜明图像，其可穿透薄雾和烟雾，在任何天气条件下进行拍摄，这就使其成为全天候不间断远程监控的绝佳选择。除了基本的热成像功能之外，红外热像仪还具有测温功能，数字图像增强技术和伪彩色功能。测温功能可以帮助工作人员实时了解所观测点的温度信息并分析图像最高温度点出现区域；数字细节增强技术可以提高红外成像系统的细节分辨能力，方便人工识别火源及其他高温目标；伪彩色技术可以将黑白热图像转换为彩色图像，进一步增强图像的对比度。

2、可见光高清相机

可见光高清相机作为红外热像仪的辅助，可以进一步帮助工作人员及时有效的识别火源；同时，在后台运行透雾算法，可以有效减弱雾霾天气对可见光成像的影响，最大限度地为工作人员呈现鲜明清晰的可见光图像。

图2：可见光开启透雾算法效果图

3、前端设备

红外可见光双目热源探测与预警网络视频监控系统采用一体化双光谱设计，同时集云台护罩、视频编码器于一体，兼有可见光和红外夜视功能。可对视场范围内观测物体进行全天候实时监测，自动发现视场中的高温目标并发送目标温度及报警信息。设备采用高强度特殊材料，经过特殊加固及密封处理，具有良好的抗震、抗冲击、防尘等特性，可满足室外架设条件，是全天候安防监控的必备设备，产品可与目前常用平台和控制设备兼容，根据不同监控需求，增加了自动巡航、削苹果皮、360度螺旋扫描等多种扫描模式，云台在扫描过程中通过数据通道实时回传云台当前水平、俯仰的方位角位置，通过无线网络对视频信息和控制信息进行传输。

4、数据传输

前端由采集定位系统、传输系统、设备防盗监控系统、避雷接地系统、智能太阳能供电系统等组成；中继由无线网桥、传输天线、智能太阳能供电系统、避雷接地系统等组成；中心控制设备终端由网络视频管理系统、地理信息系统、林火自动识别报警系统、短信发布平台、传输系统、电视墙系统、UPS电源等组成。

三、森林防火关键技术

1、红外图像编码

MPEG4是ISO 及IEC 联合技术委员会下设一个工作组，它开发的标准通常称为MPEG 标准，主要有MPEG-1（VCD），MPEG-2（DVD 和数字电视），MPEG-4(internet 视频应用)，在视频监控领域均可按照需求，选用这些标准。其中MPEG-1 主要针对1．5Mbit/s 以下码率的数字存储媒体应用的活动图像及其伴音编码；MPEG-2 标准制定了视频网上传播协议，当MPEG 的视频信号打包传输流（Transport Stream，TS）后，可以在广域网或局域网上实现视频的流式播放， 它可以适应不同应用的需要和不同终端接收设备的限制，其视频码率范围是220Mbit/s；MPEG-4 标准主要是提供极低速率的视频流，使视频流在Internet以及移动通信网上实现视频应用。

2、图像预处理

系统抓取的是一幅384×288 大小的RGB 红外图像， 在对图像进行火点识别之前必须先将图像转换为灰度图像。经试验表明R、G、B3个分量采用如下公式进行转换得到的灰度图像效果最好：

bmpdata[x,y]= 0.299×red + 0.587×green + 0.114×blue

式中bmpdata [x,y] 表示灰度图像第x 行第y 列像素的灰度值（大小是0～255）；red、green、blue 分别代表RGB 图像中第x 行第y 列像素的R、G、B 三个分量值。

3、火点识别

预处理完的灰度图像与普通相机图片明显不同，它不是人眼能看到的目标可见光图像，而是目标表面温度分布图像。由于森林火灾的火焰温度一般远在600°C 以上，在波长为：3～5μm红外线的波段上有较强的辐射，而背景的林地植被的地表温度一般仅有20～30°C，甚至更低，与火焰有较大的反差，在图像上可清晰的显示出来。温度越高的区域图像的灰度值就越大，表现在图像上就越亮。根据试验调整红外摄像机的亮度和对比度，使温度为100°C 的点在图像上的灰度值为150，因此，可以根据试验事先设置着火点温度的阀值，当灰度值高于这一阀值时系统便认为发现着火点。为了提高系统灵敏度和可靠性，火点识别时还可以对图像中发现异常点的个数设置阀值。当发现的异常点超过阀值之后才认为发现着火点。这样不仅可以尽量减少系统误报次数，还可以提高系统工作的可靠性。

四、结束语

森林火灾是世界性的林业重要灾害之一，随着中国造林事业的不断发展，防火工作成为首要任务。红外成像应用在森林防火中相比于传统的防火方式最大优点就是不需要可见光的支持，这对于受光线限制的林区或者是在夜间探测的情况下，极大的便于火情的早期发现和预防，而且大大降低了森林防火工作中的成本。

由于我国生态建设进程加快，森林资源丰富，风景旅游区林草茂密，以森林景观为主的风景旅游区面积不断扩大，林区可燃物增多，面临着林火隐患和森林火灾威胁，防火任务日益艰巨。森林防火工作仍存在野外火源管理难度大，林区火灾隐患增多等薄弱环节。如何提升森林防火现代化水平，及时掌握了解各个林区、风景旅游区的现状，及早发现火情，将森林火灾带来的损失减少到最小，是目前急需解决的。基于红外热成像原理的森林防火预警系统，利用热成像原理与视频监控系统结合监测火灾及其他异常事件，易于集成，并实现了网络化，是现代森林防护系统的有效解决方案。