紅外熱成像儀技術(shù)在森林防火中的應用

森林火災具有突發(fā)性、隨機性、破壞時(shí)間短等特點(diǎn)，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(shí)，決策是否得當，最重要取決于對林火的發(fā)現是否及時(shí)，分析是否準確合理，決策措施是否得當。傳統火災報警系統一般基于紅外傳感器和煙霧傳感器，探測火災發(fā)生時(shí)生成的煙、溫度和光等參量，經(jīng)信號處理、比較、判斷后發(fā)出火災報警信號；其缺點(diǎn)是無(wú)法迅速采集火災發(fā)出的煙溫變化信息，難以滿(mǎn)足早期探測并預報此類(lèi)火災的要求。

　　近年來(lái)，紅外熱成像檢測和可見(jiàn)光圖像檢測在火焰檢測中有一定程度的應用，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(hù)使用，使得這一技術(shù)的推廣受到了阻礙�；�于這種現象，雙光譜探測森林防火智能預警系統，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?xún)?yōu)勢，取長(cháng)補短，能有效準確地檢測出火焰，彌補傳統火災報警系統與單一檢測模式所存在的不足，以達到森林防火智能預警的效果。

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

　　國外森林防火技術(shù)發(fā)展

　　從19世紀90年代至20世紀50年代感溫探測器一直占主導地位，火災自動(dòng)報警系統處于初級發(fā)展階段;20世紀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70年代末，光電元器件技術(shù)取得突破，光電感煙探測器應運而生;20世紀80年代初，日本開(kāi)始研究實(shí)驗模擬量火災探測器，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(wèn)題;1994年瑞士推出AlgoRex火災探測系統，該系統采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、模糊邏輯相結合，共同決策。

　　20世紀70年代末，我國的一些軍工企業(yè)、部屬企業(yè)開(kāi)始研制火災自動(dòng)報警產(chǎn)品;進(jìn)入80年代后為了縮短與國外同類(lèi)產(chǎn)品的差距，滿(mǎn)足國內市場(chǎng)需要，開(kāi)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(chǎng)，帶來(lái)了先進(jìn)的技術(shù)，在一定程度上促進(jìn)了市場(chǎng)的發(fā)展。

　　隨著(zhù)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，新的火災探測器也不斷出現;但目前國內所有的火災自動(dòng)報警技術(shù)主要是基于傳感器的檢測，在現有的各種火災報警和消防監控設備中，大多數場(chǎng)所的火災檢測，都采用常規的火災探測的方法，其性能優(yōu)劣直接會(huì )影響火災自動(dòng)報警的準確度和可靠性，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(lái)對火災進(jìn)行探測。在大面積森林應用中，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、感溫火災探測報警系統都無(wú)法迅速采集火災發(fā)出的煙溫變化信息，即使是高精度的傳感器也會(huì )由于種種噪聲干擾而無(wú)法正常工作，導致火情誤報或錯報，無(wú)法滿(mǎn)足森林火災的及時(shí)檢測需求。

　　目前世界森林面積達40億公頃，其中我國森林面積是1.75億公頃,各類(lèi)自然保護區1551個(gè)，對森林防火智能預警系統有著(zhù)不同程度的需求，防止森林火災發(fā)生的最好辦法就是預防。世界各國對火災的預警檢測越來(lái)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，森林保護系統的缺失將導致森林火災發(fā)生時(shí)要么束手無(wú)策，要么聽(tīng)之任之，因此，俄羅斯生態(tài)學(xué)家指出應盡快恢復國家森林保護系統，實(shí)用、快速、全面的預警系統尤為重要。

　　雙光譜探測森林防火智能預警系統，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(jiàn)光圖像探測通過(guò)智能分析算法結合應用，取長(cháng)補短，最大限度發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢，再加上網(wǎng)絡(luò )傳輸系統及顯示系統組成數字化、網(wǎng)絡(luò )化的智能森林防火指揮系統。與普通網(wǎng)絡(luò )視頻檢測系統相比，雙光譜探測森林防火智能預警系統是一種更高端、視頻檢測更智能、更準確可靠的防火檢測系統，能夠實(shí)現無(wú)人值守，自動(dòng)對視頻圖像信息進(jìn)行分析判斷，及時(shí)發(fā)現監控區域內的異常煙霧和火災苗頭，準確檢測出火焰，以最快、最佳的方式告警并提供防火預警信息，達到早期預警的目的。能夠有效的協(xié)助消防人員處理火災危機，并最大限度的降低誤報和漏報現象;同時(shí)還可查看現場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像，根據直觀(guān)的畫(huà)面直接指揮調度救火。

　　該系統可廣泛應用于森林等戶(hù)外火災的預警監測中，同時(shí)結合林業(yè)管理的專(zhuān)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測系統，針對性地解決用戶(hù)的各種個(gè)性化需求。通過(guò)紅外熱成像和可見(jiàn)光雙光譜的檢測，以及云臺精確智能定位系統，獲得林區的清晰圖像，利用視頻分析技術(shù)，根據火焰光譜特征判斷是否產(chǎn)生火情，一旦發(fā)現疑似火情，立即觸發(fā)報警，林區視頻回傳至監控中心，如果確認報警屬實(shí)，攝像系統鎖定目標，精確判斷火點(diǎn)位置，并根據已建立的林業(yè)防火信息數據資源做出滅火方案。

　　解決方案PYROVIEW FDS

　　本系統是一種具有紅外光、可見(jiàn)光雙光譜探測的森林防火智能預警系統，系統集成了紅外熱成像儀系統、超溫檢測系統、可見(jiàn)光攝像機、火災監測分析儀、云臺精確定位系統、視頻服務(wù)系統、監控主機等部分組成�？赏瑫r(shí)輸出兩路視頻信號，具有紅外熱成像超溫檢測和可見(jiàn)光火災檢測功能，并根據置信度系數模型進(jìn)行分析，自動(dòng)給出報警信息，有效提高了報警的準確率。探測設備可根據用戶(hù)在場(chǎng)景中畫(huà)出的任意路徑自動(dòng)掃描，并可在運動(dòng)掃描過(guò)程中進(jìn)行快速煙火檢測。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸并向遠程監控主機發(fā)送報警機器ID、云臺水平和俯仰角度、超溫區域的坐標(左上角和右下角)等信息。遠程監控主機根據回傳信息，經(jīng)過(guò)分析判斷確認報警后產(chǎn)生報警信號、記錄報警信息，并提供日志查詢(xún)和錄像等功能。

　　連續變焦紅外熱成像儀PYROVIEW 380L

　　連續變焦紅外熱像儀由384×288非制冷焦平面陣列探測器配合75-150mm連續變焦紅外鏡頭制成，既能大范圍搜索，又能識別遠處目標。該產(chǎn)品克服了目前國內外固定焦距式或雙視場(chǎng)式熱成像儀的缺陷，在變焦的過(guò)程中成像清晰，功能強大，性能穩定。具有堅固且密封性能極好的外殼，內部充氮，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80mK，增加圖像細節增強功能、輸出熱白/熱黑/偽彩色圖像。

　　熱成像超溫檢測報警系統

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

　　自然界中任何溫度高于絕對零度的物體，都會(huì )不停地向周?chē)�空間輻射包括紅外波段在內的電磁波，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，屬于遠紅外波段，正常森林的輻射波長(cháng)范圍為8.5-12.2μm，在熱成像儀8-14μm的探測范圍之內。目標溫度越高，從熱成像探測器組件輸出的數字信號值越大,即數字圖像的灰度值越大，根據此特點(diǎn)，超溫檢測工作過(guò)程如下：圖像采集模塊將探測器輸出的高精度圖像數據寫(xiě)入內存，圖像處理模塊運行超溫檢測算法，首先根據目標和背景的對比度計算出原始閾值，再結合用戶(hù)設定的目標溫度等級，計算出二值化閾值，將圖像二值化后進(jìn)行連通域檢測，計算出目標區域面積和坐標，在畫(huà)面上標識出超溫區域并通過(guò)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控距離和工作環(huán)境的影響，被檢測目標的溫度范圍也各不相同，所以為了達到理想的報警效果，可以根據用戶(hù)的具體使用環(huán)境設定被監控目標的溫度等級，即目標與背景的溫度差別等級。

　　可見(jiàn)光圖像檢測系統

　　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，因此系統又引入可見(jiàn)光圖像檢測，通過(guò)檢測火焰的靜態(tài)特征(顏色)和形態(tài)特征(閃爍性)兩個(gè)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域，再利用形態(tài)特征對上面提取出來(lái)的區域進(jìn)行檢測，通過(guò)視頻圖像分析算法，檢測出火焰產(chǎn)生二級報警信號�？梢�(jiàn)光攝像機模擬視頻信號接入到圖像檢測模塊，通過(guò)圖像采集單元的視頻解碼電路轉換為數字信號后，被基于DSP的圖像處理單元處理，根據火災火焰的圖像特性，探測出畫(huà)面中出現的火焰，加入火焰識別標記后，再通過(guò)視頻編碼電路轉換為模擬視頻信號輸出。由于監測場(chǎng)景不同，火焰所呈現的顏色、狀態(tài)也會(huì )不同。因此，在監測時(shí)，可以根據環(huán)境要求，調整檢測模塊的工作狀態(tài)，通過(guò)設置相應參數閾值，如顏色靈敏度、動(dòng)態(tài)靈敏度等，使檢測模塊可以更準確及時(shí)地識別出火焰。

      具體參見(jiàn)： 紅外熱像儀火災監視系統FDS

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