利用热红外成像仪识别夜间林火

刘柯珍, 舒立福, 杨 光, 陈 锋

(1.南京森林警察学院，江苏 南京 210023；2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091；3.东北林业大学林学院，黑龙江 哈尔滨 150040；4.北京林业大学林学院，北京 100091)

森林火灾是燃烧物质与空气中大量的氧气快速反应且在无焰燃烧阶段也会有大量热能释放的燃烧现象[1]，而且也是一种突发性强、破坏性大、救助较为困难的自然灾害[2].在我国每年发生森林火灾达到6 000多次，被破坏的森林面积约2.58万hm2，其中夜间林火(以2016年为例)发生了3 197起，对国家经济建设造成无法挽回的损失，对森林资源及森林生态系统造成极大危害[3].夜间林火由于难以及时发现，通常会造成大面积火灾，加之复杂的林地环境，使得夜间林火的监测难度更大[4].随着科学技术的发展，高科技不断被应用到林火探测中，如热红外成像仪，其在夜间分辨火点能力高于白天，大大提高了夜间林火探测的时效性和准确性[5].热红外成像仪的工作原理是应用光电技术检测物体因热辐射而向外界发射出的特定的红外波段信号，将波段信号转变成人类视觉可以分辨的图像和图形，具有不受气候及自然条件影响，且体积小、携带方便、能耗小、成本低的优点[6,7].因此，利用热红外成像仪对夜间林火的监测是森林防火的重要工作之一，对降低夜间林火的损失和提升社会经济效益有着重要的作用.

国外早在1969年就对林区背景做过测试，并在直升机上使用红外装置，能从600～1 500 m低空发现阴燃火，以地面红外摄像装置代替了瞭望哨[8].

与国外相比，国内的林火红外监测技术还存在很大差距，上世纪70年代才开始研究红外探火，在地面探火方面取得一定的研究成果，主要根据火焰图像红外动态特征[9-11]、可见光红外成像辐射仪(VIIRS)数据的波段特征[12]对林火进行判别.周宇飞等[13]采用阈值判定法、邻域阈值判定法和均值对比判定法对林火进行分析，邬晓琳[14]建立了基于红外图像处理的测温模型，可以根据测得的图像素值及距离得到火灾温度.王婷婷[15]基于热成像仪对林火地面红外探测图像信号的采集和处理进行了相关研究.金钒石[16]将红外图像和视频分析技术结合，对林火监测的准确率达94%.针对热红外成像仪识别林火误报率较高的问题，周宇飞等[17]提出一种干扰源智能屏蔽方法，极大减少热红外成像仪林火监测系统的误报率.

本文通过夜间点火试验，用热红外探测仪采集点火数据，探讨夜间不同时间点、林火燃烧不同阶段林火温度的波动性，为夜间林火的监测以及预防提供参考.同时，在点火试验中引入干扰源，并利用仪器对引入干扰源前后的红外图像进行分析和处理，比较干扰源与林火之间的温度差异，为夜间林火热红外探测干扰源的排除提供依据.

1 研究区概况

研究区设在南京森林警察学院点烧基地，北纬29°14′—31°37′，东经118°22′—119°14′，属于丘陵地带，亚热带大陆性季风气候，年降水量1 200 mm，年平均气温15.4 ℃.试验位置林分郁闭度0.7，林木均高10 m，腐殖层较厚.研究区的优势树种主要有香樟树(Cinnamomumcamphora)、麻栎(Quercusacutissima)、杨树(Pterocaryastenoptera)等.试验选择在有大量腐殖层和枯落物的区域进行.

2 研究方法

首先在试验基地随机布设2 m×2 m的火场，然后对火场周边的可燃物进行清理，四周清理出2 m宽的隔离带，防止跑火引燃火场周边的可燃物.点火试验前，准备好灭火器材，并做好应对突发情况的措施，以防止在试验过程因跑火、走火造成的不必要的损失和危险.灭火器械主要有二号工具和干粉灭火器.二号工具是用橡胶皮条绑在塑料棍上，呈拖把型.考虑各种气象因素及可燃物类型的影响，在研究区域人工收集了多种不同类型的枯枝落叶.

本研究中使用的手持式热红外成像仪的型号为Fluke-TI480，分辨率640×480像素，测量精度±2 ℃，热灵敏度≤0.05 ℃，能够准确测量-20～800 ℃.以研究区夜间森林可燃物的混合物为试验对象，利用热红外成像仪在21:00、24:00、3：00和6：00，每隔3 h进行一次点火试验，共4次.在前一天晚上的4个时间点使用热红外成像仪对研究区中灌木丛、稀疏树林、草地附近等区域进行前期数据收集，即分别对研究区进行数据采集和引入动物.点火后先近距离采集数据，然后远距离并在一定高度上进行数据采集.对获取的大量红外图像，利用FLKE软件转换成具体的温度数值，并用Excel软件计算温度标准差数据.

森林背景红外图像背景温度的变化范围用标准差来表征，其计算公式为：

(1)

3 结果与分析

3.1 常温林地热红外图像

森林在吸收转化太阳能的同时，也会向外界辐射热量.为获取以森林为背景的热红外图像温度特征，分别提取了夜晚4个时间点、不同地点的森林背景热红外图像，共95幅；并对热红外图像数据进行处理，得到森林背景热红外温度标准差(图1).

图1 不同时间和地点的森林背景温度标准差Fig.1 The standard deviation of forest background temperature at different time and places

由图1分析可看出，即使夜晚观测的时间点和地点均不相同，森林背景温度标准差波动却较为稳定，为1～9.这主要是由于森林的影响，使得太阳短波辐射和林地长波辐射无法自由进出，导致林区日温度差较小，使得森林中一天的温度谷值和峰值偏差不会太大.本试验是在10月份进行，夜间林区背景温度较低，背景温度基本都在0～5 ℃.夏季林间的温度一般为30～60 ℃，而林间产生林火的火焰温度为600～1 200 ℃，明显高于环境温度，因此，林间温度并不影响热红外成像仪对林火的监测.

3.2 林地火源热红外三维立体图像

通过在夜晚时刻监测到林火从开始燃烧到蔓延阶段获取到的热红外图像(图2)，计算出夜间明火温度标准差为85～180(图3)，与森林背景温度标准差相距甚远.森林火灾会随着时间的延长形成不同阶段，大致分为初期阶段(图4a)、发展阶段(图4b)、熄灭阶段(图4c)以及余火阶段(图4d).通过把热红外图像转换成三维立体图像(图4)，可以清晰地看出中心点的温度值，直观地了解森林火源的温度特征.

在前3个阶段中均有明火出现，所拍摄的红外图像能清晰判断出是否为森林火源，而在第4阶段的红外图像(余火阶段)的可见光中没有火焰.

3.3 余火识别

在试验区随机抽取20组试验数据，通过FLKE软件得到火场的华氏温度，利用华氏温度与摄氏温度的转换公式(式2)得到摄氏温度(表1).

C=(F-32)/1.8

(2)

式中：F表示华氏温度/℉;C表示摄氏温度/℃.

从表1可以得到，与试验前环境温度相比，余火具有较高的温度，达到50.8～155.8 ℃.从图5也可以看出不管是火灾的初期阶段、发展阶段还是余火阶段，其红外图像的中心点温度均达到了热红外成像仪所能监测的最高温度(275 ℃).因此，利用热红外成像仪可对夜间林火余火进行判别.

3.4 动物干扰热源的排除

热红外成像仪在对森林火源进行监测时，为了排除动物体表温度对监测数据造成的影响，进行火场温度、余火温度和动物体表温度的对比试验，结果如图6所示.从表1可判断出热红外成像仪所拍摄的红外图像是否为火源，动物体表监测的温度波动幅度较小，为20～30 ℃，而明火阶段温度和余火温度波动幅度较大，而且远超过动物体表温度.表明夜间在林间穿行的动物对林火监测不会造成干扰，用热红外成像仪对夜间林火的监测具有可行性.

图2 夜晚不同地点获取的热红外图像Fig.2 Thermal infrared images obtained at different places at night

图3 夜间明火温度差Fig.3 Standard deviation of the temperature of open flame at night

图4 夜间林火红外图像立体效果图Fig.4 Three-dimensional infrared image of nighttime forest fire

图5 火场中心点温度红外谱图Fig.5 Infrared spectrum of the temperature in fire center

图6 火场温度、余火温度和动物体表温度对比图Fig.6 Comparison among temperatures of fire, smoldering fire and animal

编号试验前环境温度/℃试验时火场温度/℃试验后余火温度/℃编号试验前环境温度/℃试验时火场温度/℃试验后余火温度/℃14156.069.2111254.2135.720195.059.2124275.0141.335189.075.7132275.0146.44177.1114.1143203.6155.851217.558.2153218.5131.261236.051.9164275.092.572203.759.1175240.775.780225.750.8183259.249.792275.063.1195275.059.3102254.262.8205275.063.6

4 小结与讨论

本文应用热红外成像仪的火源热红外三维立体图像分析功能，通过试验前环境温度、试验时火场温度和试验后余火温度的对比，以及引入动物体表温度排除误差，实现热红外成像仪对夜间林火的监测与识别.结果表明：夜晚明火阶段温度标准差为85～180，与环境背景温度相比，具有明显的差异；动物体表监测的温度为20～30 ℃，波动小，而有火(包括余火)存在时，监测温度为50.8～275.0 ℃，波动大，故可以排除动物体表的干扰；余火最高温度275 ℃，根据红外谱图的中心点温度可以判别余火.因此，使用热红外成像仪监测有助于在夜晚光线不好的情况下第一时间发现火情，及时对火灾进行扑救，实现对余火的监测，减少火灾复燃.然而，热成像仪在火灾监测中也存在不足之处，如拍摄图片局域面积有限，对于大面积林火无法进行精准监测.为了弥补缺点，可以将热红外成像仪搭载在无人机上实现大面积火场的监测.该技术在加拿大已经日趋成熟，而且将空中红外探火与地面红外探火连成网络，实现天地空一体化林火监测.