烟火自动识别预警与定位系统在造林减排作业区的应用

[摘 要] 林区烟火自动识别预警与定位系统是一套集林区烟火智能识别、火点目标精确定位以及短信自动烟火信息为一体的智能视频监控系统。本文在详细介绍系统体系结构工作原理的基础上，结合作业区的林区特点和发展需求，阐述了系统在造林减排作业区功能的实现，并指出系统在今后应用中的发展方向。

[关键词] 林区工程；造林减排作业区；林区防火；烟火识别

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 04. 023

[中图分类号] F272.7 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）04- 0041- 03

1 引 言

新疆油田公司供水公司造林减排作业区地处于准噶尔盆地西北缘的半荒漠湖积平原上，是克拉玛依50万亩生态农业开发项目的一部分。自2001年建设以来，林区种植面积已达10万亩，基本上满足了克拉玛依绿化、碳汇以及生态环境服务的需求。为巩固作业区的造林成果，实现造林减排基地的可持续健康发展及区域生态安全，开发和应用林区烟火自动识别预警与定位系统，成为减排基地稳定建设的基础保障。（1亩≈666.7平方米）

林区烟火自动识别预警与定位系统是一套应用光电技术、电子技术、高精度机械设计技术、图像处理技术、计算机视觉技术、模式识别技术、地理信息（GIS）技术、遥感（GPS）信息技术等开发的智能视频监控系统[1]，集林区烟火智能识别、火点目标精确定位以及短信自动烟火信息为一体，为及时地发现林火行为，准确合理地分析判断，进而制定科学的决策措施提供依据，真正实现林区防火工作的规范化、科学化和信息化。

2 系统的功能构成

林区烟火自动识别预警与定位系统主要由硬件系统和软件系统组成。硬件系统主要包括：视频采集子系统、讯号传输子系统、气象信息子系统、防雷子系统、供电子系统以及中心分析子系统；软件系统主要包括：林区烟火自动识别与预警子系统、地理信息定位子系统以及智能短信子系统。

2.1 硬件系统构成

视频采集子系统中林区防火专用摄像机采用激光热成像一体化全天候监控系统[2-3]，黑白探测器与激光照明系统同步工作，具备预置位功能，可穿透雾、霾、雨、雪天气。在监视区域周边发现异常情况后，快速锁定目标，达到在设备标称距离范围内无盲区监视的目的，道路口摄像机采用红外一体化云台摄像机；讯号传输子系统采用有线传输，由视频服务器将输入的模拟视频信号数字化处理后，以数字信号的模式传送至网络上，并将前端视频和云台状态信息经行回传，从而实现远程实时监控的目的；气象信息子系统将当前的气象信息进行采集，并通过无线网络回馈给地理信息子系统，以便于地理信息系统进行辅助决策；林区防火以室外工程为主，且距离监控中心遥远，为防止室外设备遭受雷击，在发射机和天线之间串接避雷器，电源接地，系统采用单独接地极；监控点采用就近取电，系统安全保护子系统主要包括UPS电源和电源控制板，保障系统的正常运行；由于监控点较多，中心分析子系统配置3台计算机：1台执行森林烟火智能识别与预警系统，1台执行地理信息定位系统，1台执行智能短信系统。

2.2 软件系统构成

林区烟火自动识别与预警子系统主要分为3部分：图像预处理、图像光照增强及匹配、烟火目标识别，其结构流程图如图1所示。

2.2.1 林区烟火自动识别与预警子系统

林区烟火自动识别与预警子系统应用图像分割和识别技术，自动区分并标记出森林区域和天际线，以降低火情虚警率。在自动监测状态下，云台自动转动，程序实时地抓取基本照片、比较图片，经图像处理提取烟火特征（如烟火的灰度分布特征、形状和烟火的运动特征等），应用模式识别技术进行烟火自动判别。通过相应的算法，其他的非烟火目标（如飞行物、车辆等）将被排除。林区烟火自动识别算法[4]主要利用色彩迁移理论、计算机视觉、图像形态学以及图像相关和匹配等处理手段减小时间变化（图像明暗变化）[5]、早晚霞、树影晃动、光影、雨雪以及像素偏移等因素造成的影响，降低烟火识别误报率，提高准确率。

2.2.2 地理信息定位子系统

地理信息定位子系统主要是根据云台返回的角度结合地理信息（GIS）技术和遥感（GPS）信息技术对林区烟火目标实现精确定位，给出经纬度（同时将其发送给智能短信平台系统）、火情目标地点的地形信息（坡度等）和最佳扑救路线，同时结合气象信息子系统返回的气象信息分析出林区火情蔓延趋势。根据实际需求，它可分为如下几个子功能模块：

（1）地形图管理、显示、查询、控制模块

该模块是在各比例尺矢量地形图数据安装的基础上，实现地形图的检索、符号化显示及显示控制、信息查询、图上量算等功能。

（2）TM正射影象图管理、显示、控制模块

系统采用TM正射影像图是由3个波段合成的接近自然色的假彩色图像，分辨率为15米，并进行了定位、几何纠正、拼接、裁剪、色彩均衡等处理。

（3）三维电子沙盘

依据数字高程模型数据（DEM）、矢量地形数据、TM正射影像数据，计算生成有光影效果的正射或透视效果的三维电子沙盘，逼真形象的实地地形的仿真，使对平面地形观察不习惯的用户更直观地观察理解地形地貌。

（4）防火专题信息管理、定位显示、信息查询、统计报表模块

防火专题信息通过数据库进行管理，对显示在图上的防火设施和防火信息符号，都有相应的数据库与之对应。在显示图标符号地形图上，通过鼠标捡取某一图标符号，并醒目显示该图标，同时根据关键字查询对应的数据库，将查询到的信息通过信息框显示。

2.2.3 智能短信子系统

智能短信平台系统主要是将地理信息系统传递的林区烟火目标的经纬度通过网络自动发送给林区烟火扑救部门，以便其组织扑救。其主要功能为：进行短信数据库管理、发送报警信息给固定的手机、将手机和电脑进行通信连接。

2.3 系统功能的实现

①视频采集子系统采集当前的视频，云台控制子系统执行和查询当前的命令和状态，气象信息子系统获取当前的气象信息；②通过网络传输子系统将当前的视频、云台的状态以及气象信息回馈给中心分析子系统（PC机或服务器）；③森林烟火自动识别与预警子系统对当前的视频进行分析、判断是否有疑似火情发生，若有火情发生则将回馈的云台状态信息（角度信息等）传递给地理信息子系统；④地理信息子系统根据接收的云台状态信息计算出火情目标的精确经纬度，对其进行精确定位，并给出火点的地形信息（海拔、坡度等）以及最佳扑救路线，并将这些信息传递给短信平台子系统；⑤短信平台将获取的火情信息通过无线网络发送给林区火灾扑救部门，以便其部门进行组织扑救。其系统结构图如图2所示。