煙火自動識別預警與定位系統在造林減排作業區的應用

王培 羅德洪 任利萍 戴雙玲

[摘 要] 林區煙火自動識別預警與定位系統是一套集林區煙火智能識別、火點目標精確定位以及短信自動發布煙火信息為一體的智能視頻監控系統。本文在詳細介紹系統體系結構工作原理的基礎上，結合作業區的林區特點和發展需求，闡述了系統在造林減排作業區功能的實現，并指出系統在今后應用中的發展方向。

[關鍵詞] 林區工程；造林減排作業區；林區防火；煙火識別

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

[中圖分類號] F272.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2014）04- 0041- 03

1 引 言

新疆油田公司供水公司造林減排作業區地處于準噶爾盆地西北緣的半荒漠湖積平原上，是克拉瑪依50萬畝生態農業開發項目的一部分。自2001年建設以來，林區種植面積已達10萬畝，基本上滿足了克拉瑪依綠化、碳匯以及生態環境服務的需求。為鞏固作業區的造林成果，實現造林減排基地的可持續健康發展及區域生態安全，開發和應用林區煙火自動識別預警與定位系統，成為減排基地穩定建設的基礎保障。（1畝≈666.7平方米）

林區煙火自動識別預警與定位系統是一套應用光電技術、電子技術、高精度機械設計技術、圖像處理技術、計算機視覺技術、模式識別技術、地理信息（GIS）技術、遙感（GPS）信息技術等開發的智能視頻監控系統[1]，集林區煙火智能識別、火點目標精確定位以及短信自動發布煙火信息為一體，為及時地發現林火行為，準確合理地分析判斷，進而制定科學的決策措施提供依據，真正實現林區防火工作的規范化、科學化和信息化。

2 系統的功能構成

林區煙火自動識別預警與定位系統主要由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統主要包括：視頻采集子系統、訊號傳輸子系統、氣象信息子系統、防雷子系統、供電子系統以及中心分析子系統；軟件系統主要包括：林區煙火自動識別與預警子系統、地理信息定位子系統以及智能短信發布子系統。

2.1 硬件系統構成

視頻采集子系統中林區防火專用攝像機采用激光熱成像一體化全天候監控系統[2-3]，黑白探測器與激光照明系統同步工作，具備預置位功能，可穿透霧、霾、雨、雪天氣。在監視區域周邊發現異常情況后，快速鎖定目標，達到在設備標稱距離范圍內無盲區監視的目的，道路口攝像機采用紅外一體化云臺攝像機；訊號傳輸子系統采用有線傳輸，由視頻服務器將輸入的模擬視頻信號數字化處理后，以數字信號的模式傳送至網絡上，并將前端視頻和云臺狀態信息經行回傳，從而實現遠程實時監控的目的；氣象信息子系統將當前的氣象信息進行采集，并通過無線網絡回饋給地理信息子系統，以便于地理信息系統進行輔助決策；林區防火以室外工程為主，且距離監控中心遙遠，為防止室外設備遭受雷擊，在發射機和天線之間串接避雷器，電源接地，系統采用單獨接地極；監控點采用就近取電，系統安全保護子系統主要包括UPS電源和電源控制板，保障系統的正常運行；由于監控點較多，中心分析子系統配置3臺計算機：1臺執行森林煙火智能識別與預警系統，1臺執行地理信息定位系統，1臺執行智能短信發布系統。

2.2 軟件系統構成

林區煙火自動識別與預警子系統主要分為3部分：圖像預處理、圖像光照增強及匹配、煙火目標識別，其結構流程圖如圖1所示。

2.2.1 林區煙火自動識別與預警子系統

林區煙火自動識別與預警子系統應用圖像分割和識別技術，自動區分并標記出森林區域和天際線，以降低火情虛警率。在自動監測狀態下，云臺自動轉動，程序實時地抓取基本照片、比較圖片，經圖像處理提取煙火特征（如煙火的灰度分布特征、形狀和煙火的運動特征等），應用模式識別技術進行煙火自動判別。通過相應的算法，其他的非煙火目標（如飛行物、車輛等）將被排除。林區煙火自動識別算法[4]主要利用色彩遷移理論、計算機視覺、圖像形態學以及圖像相關和匹配等處理手段減小時間變化（圖像明暗變化）[5]、早晚霞、樹影晃動、光影、雨雪以及像素偏移等因素造成的影響，降低煙火識別誤報率，提高準確率。

2.2.2 地理信息定位子系統

地理信息定位子系統主要是根據云臺返回的角度結合地理信息（GIS）技術和遙感（GPS）信息技術對林區煙火目標實現精確定位，給出經緯度（同時將其發送給智能短信平臺系統）、火情目標地點的地形信息（坡度等）和最佳撲救路線，同時結合氣象信息子系統返回的氣象信息分析出林區火情蔓延趨勢。根據實際需求，它可分為如下幾個子功能模塊：

（1）地形圖管理、顯示、查詢、控制模塊

該模塊是在各比例尺矢量地形圖數據安裝的基礎上，實現地形圖的檢索、符號化顯示及顯示控制、信息查詢、圖上量算等功能。

（2）TM正射影象圖管理、顯示、控制模塊

系統采用TM正射影像圖是由3個波段合成的接近自然色的假彩色圖像，分辨率為15米，并進行了定位、幾何糾正、拼接、裁剪、色彩均衡等處理。

（3）三維電子沙盤

依據數字高程模型數據（DEM）、矢量地形數據、TM正射影像數據，計算生成有光影效果的正射或透視效果的三維電子沙盤，逼真形象的實地地形的仿真，使對平面地形觀察不習慣的用戶更直觀地觀察理解地形地貌。

（4）防火專題信息管理、定位顯示、信息查詢、統計報表模塊

防火專題信息通過數據庫進行管理，對顯示在圖上的防火設施和防火信息符號，都有相應的數據庫與之對應。在顯示圖標符號地形圖上，通過鼠標撿取某一圖標符號，并醒目顯示該圖標，同時根據關鍵字查詢對應的數據庫，將查詢到的信息通過信息框顯示。

2.2.3 智能短信發布子系統

智能短信平臺系統主要是將地理信息系統傳遞的林區煙火目標的經緯度通過網絡自動發送給林區煙火撲救部門，以便其組織撲救。其主要功能為：進行短信數據庫管理、發送報警信息給固定的手機、將手機和電腦進行通信連接。

2.3 系統功能的實現

①視頻采集子系統采集當前的視頻，云臺控制子系統執行和查詢當前的命令和狀態，氣象信息子系統獲取當前的氣象信息；②通過網絡傳輸子系統將當前的視頻、云臺的狀態以及氣象信息回饋給中心分析子系統（PC機或服務器）；③森林煙火自動識別與預警子系統對當前的視頻進行分析、判斷是否有疑似火情發生，若有火情發生則將回饋的云臺狀態信息（角度信息等）傳遞給地理信息子系統；④地理信息子系統根據接收的云臺狀態信息計算出火情目標的精確經緯度，對其進行精確定位，并給出火點的地形信息（海拔、坡度等）以及最佳撲救路線，并將這些信息傳遞給短信平臺子系統；⑤短信平臺將獲取的火情信息通過無線網絡發送給林區火災撲救部門，以便其部門進行組織撲救。其系統結構圖如圖2所示。