[精品论文] 双波段森林火灾探测及预警技术研究.pdf

分类号： i ! ldc ：6 2 13 密级：卫坌珏 编号： 双波段森林火灾探测及预警技术研究 t h er e s e a r c ho ff o r e s tf i r ed e t e c t i o na n de a r l ) w a r n i n g t e c h n o l o g yw i t hd o u b l ew a v e b a n d s 学位授予单位及代码：量蚕型兰盔堂! ! q ! 堑2 学科瓠名称及代码：熊塞塑型皇置韭墨堑i q ! ! 业2 研究方向：槿耋监型当里堡丝堡申请学位级别：熊 指导教师：型塑熬援 研究生：王生 论文起l l 时间：q 1 q ! 二2 q ! l ! ! 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的碗上学位论文，双波段森林火炎探洲厦预警技术 研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究 _ 作所取得的成果。除文中 已经注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 1 惭 作者签名：4j 墨知堡年立月2 同 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“陡春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n 日系列数据库及其它国家有关部f 或机构送交学 位论文的复e 件和电子版，允许论文被查阅和借闻。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作扦麓# ：王篮 导师签名 j 监r 玉j 】丛i 诅王年罗 西h 墒覃 森林火灾是世界性的林业重要灾害之一，每年都有一定数量发生，造成森林资源 的重大损失和全球性的环境污染。如何较早的发现森林火灾威胁并进行报警和扑灭已 成为研究的热点。因此本文提出一种新型的早期森林图像型森林火灭探测及预警技术。 针对早期森林火灾发生时出现的物理特性，本文提出了一种基于红外与可见光相 机的双波段森林火灾探测及预警系统。在可见光波段对烟雾进行探测在红外波段对 火焰进行探测，系统采用两个d s p 和一个f p g a 的设计方案，设计实现了森林火灾检测 与报警系统。其中f p g a 同时控制红外相机和可见光相机采集视频图像，井对视频图像 进行预处理，然后，把采集到的视频图像，根据林火在红外图像和可见光图像的特征， 在d s p 中应用相应的智能图像处理和模式识别算法进行处理。最后根据红外和可见光 相机的探测结粜综合判断是否有早期火灾发生。 本论文进行野外林火识别实验进行试验分析，确定了最佳的报警策略。研究表明 基于红外与可见光相机的取波段森林火灾探测及预警系统，具有结构灵活、通用性强 的特点，能够准确快速地实现森林火灾的识别。实验结果表明本文所给出的算法能 够较好地实现对早期森林火灾的探测和识别。 关键词：双波段d s pf p g a 火灾探测图像处理 a b s t r a c t f o r e s tf i r e o n eo f t h ed e a d l yd i s a s t e r st ot h eg l o b a lf o r e s t r y c a u s e sf o r e s tr e s e r v e sl o s s a n dt h ew o r l d w i d ee n v i r o r t m e n t a lp o l l u t i o na tac e r t a i nf r e q u e n c yr a t ee a c hy e a r t h e r eh a v e b e e nn t l m e r o u sr e s e a r c h e so np r e w a r n i n ga n ds u p p r e s s i o nm e a s u r e sa ss o o na sf o r e s tf i r ei s d e t e c t e d i nr e c e n ty e a r st h e t e c h n i q u eo f f o r e s t f i r ed e t e c t i o n a n de a r l y w a r n i n gb a s e do na n e wm o d e lo f f o r e s ti m a g ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lf e a t u r e so ff o r e s tf i r ea ti t se a r l ) rs t a g et h es y s t e mo fd u a l b a n df o r e s tf i r ed e t e c t i o na n dp r e w a r n i n gb a s e do ni n f r a r e da n dv i s i b l el i g h tc a n l e r a si s p r e s e n t e di nt h i ss t u d ) s m o g i sd e t e c t e di nt h ev i s i b l eb a n da n df l a m e si nt h ei n f r a r e db a n d t w od s pa n do n ef p g aa r ea d o p t e di nt h ed e s i g ns c h e m et or e a l i z et h eu l t i m a t ep u r p o s eo f t h ef o r e s tf i r ed e t e c t i o na n dp r e w a r n i n gs y s t e mf p g ai su s e dt o f i r s to fa 1 1 m o n i t o rt h e c o l l e c t i o no fv i s u a li m a g e sb yi n f r a r e da n dv i s i b l el i g h tc a l s n e r a sa n dt h e nc a r r yo u tv i d e o i m a g ep r e t r e a t m e n ta f t e r w a r d st h eg a t h e r e dv i d e oi m a g e sa r ep r o c e s s e dw i t ht h ea s s i s t a n c e o f i n t e l l i g e n ti m a g ep r o c e s s i n ga n dp a t i e r nr e o r g a n i z a t i o na l g o r i t h m b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fi n f r a r e da n dv i s i b l el i g h ti m a g e sf i n a l l y ，ac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no n w h e t h e ra l le a r l y s t a g ef o r e s tf i r eo c c u r si sm a d eb a s e do nd e t e c t i o nr e s u l t so fi n f r a r e da n d v i s i b l el i g h tc a m e r a s b yc o n d u c t i n gal a r g en u m b e ro f o u t d o o r f o r e s tf i r ed e t e c t i o ne x p e r i m e n t st h eb e s t p r e w a r n i n gs y s t e mi si d e n t i f i e di nt h i sp a p e r t h er e s e a r c hs h o w s t h es y s t e mo f d u a lb a n d f o r e s tf i r ed e t e c t i o na n dp r e w a r n i n gb a s e do ni n f r a r e da n dv i s i b l el i g h tc a m e l 2 1 si sf l e x i b l ei n s t r u c t u r ea n do f h i g hg e n e r a l i t yi tc a nd e t e c tf o r e s tf i r eq u i e k l ) w i t hh i g ha c c u r a c yt h e e x p e r i m e n tr e s u l ti n d i c a t e st h ep r e s e n ta l g o r i t h mc a nb ea p p l i e d t ob e a e rd e t e c ta n d r e c o g n i z el b r e s tf i r ea tt h ee a r l ) s t a g e k e yw o r d s ：d u a l b a n d d s pf p g af i r ed e t e c t i o ni m a g ep r o e e s s i n g 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 12 森林火灾防火系统简介及发展趋势 l 13 森林火灾探测及预警系统的国内外发展现状 3 14 论文研究内容和组织结构5 第二章森林火灾特性分析7 2 1 森林火灾的分析 7 22 森林火灾的特征 8 23 森林火灾图像分析 9 第三章森林防火监控系统总体方案分析和识别板卡设计 1 2 3 i系统功能描述 1 2 3 2前端采集模块设计方案 1 2 33前端采集模块的硬件组成分析 1 3 3 4森林火灾识别板卡设计方案分析1 4 3 5 前端采集探测器关键技术指标 1 6 3 6 森林火灭圈像识别板卡硬件总体结构 1 8 37森林火灾识别板卡的硬件结构分析 1 8 38森林火灾识别板卡调试和测试 2 2 森林火灾图像识别系统的算法研宄2 5 图像的采集 2 5 森林火灾图像处理 2 6 红外光图像对火焰的识别算法分析 2 8 可见光图像对烟雾的识别算法分析 3 8 综合判断森林火灾探测报警实验与问题分析 4 1 实验与结果分析 4 1 问题分析与解决方法 4 6 总结与展望 4 8 6 1 论文完成主要工作 62未来展望 致谢 ， 参考文献 踔毪翁碑鎏樟 第 第 第 牾姑 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 森林火灾是发生在全球性林业方面的重要灾害之一，每年都有一定数量发生，灾 害会造成全球性的环境污染和严重的森林资源损失。预防它不仅可以降低全球林木资 源的减少，还可以减少环境污染等方面的问题。森林火灾的不确定性、糖机性和突然 性能在很短的时间内烧毁森林动植物及林业的副产品。同时对火灾的扑救需要浪费消 耗大量的人力物力，还有可能发生人员伤亡事件。一旦发生森林火灾就必须快速的 对火灾进行扑救火灾发现的及时性、判断的准确性和决策的合理性，对火灾扑救和 快速救援有很大帮助 2 1 口 由于我国现有森林面积不多所以现有的森林对于我们来说十分重要我们不仅 要保护现在拥有的一些林地，还要采取一。些政策和措施去扩大林地的面积，这样不仅 可以保护好我们的环境还可以封山育林，造福子孙后代真可谓是功在千秋万代。虽 然我国的林地平均拥有率比较低，但是由于我国地域辽阔所以总的林业面积还是居 世界前五位。可是我国森林火灾保险承保率占森林总面积的比倒不到5 这就导致了 我国的林业火灾时有发生，损害了国家的资源和国家的经济。 现在依靠人工晾望发现火点的准确性和时效并不高一旦发生大火，很难掌握火 场形势。利用飞机航测时由于大火上空烟幕的影响，能见度不高，效果也不理想。利 用卫星监测虽然能够解决这些问题，但是我国大多采用租用国外卫星的方法对我国森 林地区进行监测所付出代价相当昂贵。考虑到经济上因素的制约，并结合我国的具 体情况提出自主开发的森林火灾自动监测技术的研究计划是非常必要的，林火监测 主要目的就是为了在森林火灾发生的早期对其自动识别报警以减少灾害的发生，其 对林火监测在森林保护工作中具有重要地位及深远意义。 1 2 森林火灾防火系统简介及发展趋势 12 i 森林火灾防火系统的简介 森林火灾的发生由于地理分散、位置偏僻、发生之初往往较难发现，如果能够 及时监测到林火的发生，及时补救，产生的破坏和损失就可以大大减低。另一方面 林火发生之后还需要进行林火面积、位置等测算、监测其发展趋势，以便进行救援分 析、灾情分析、损失估计、行政区域责任的界定。森林火灾的蔓延受林区地形、植被、 水系及道路等多种地理因素和复杂多变的气象因素的影响。如何及时、准确了解和掌 握林区内的森林火灾显得尤为重要它不仅能够为工程实施提供科学有效的管理方法， 监督林区建设和发展而且为可持续发展提供必要的前提条件。当前主要的森林火情 监测方式如图1l 所示主要包括防火队员晾望台监测、飞机巡航、地面巡护和航空 巡护等 一蜀鑫 图1i 主要的森林火情监测形 1 地面巡护 地面巡护主要是通过宣传控制人为火源，对死角进行巡逻。地面巡逻存在巡护面 积狭小、受地形道路限制、在地形复杂崎岖的林区里对着火点难以准确确定火灾位置、 森林气候环境对巡视影响大等特点：在没有道路和无人区的森林中巡视人员需要高 额的交通费用和补助费用及各种测试设备的费用。视频检监测能辅助巡视人员提高工 作效率。 2 瞻望台监测 晾望台监测是通过建在林区的晾望台观测森林火灾判断林火发生的区域报告 林区情况这种方法具有现测面积大、识别较好的特点h 】。但是也存在不足，嘹望台在 偏远林区无法搭建；其对林火的观测受地形地貌的约束，不能全面覆盖观测不了死 角：如果是在打雷或者是下雨的时候是不能进行监测的：这种方法主要依靠人员本身 的技能和经验的积累，所以误差是很大的。而且对于在森林中工作的人员来说人身 安全也会受到定的影响。 3 航空巡护 航空巡护是用航空巡航飞机对重要林区进行不定期的逃视1 5 i 。航空巡护在空中视野 开阔、机动和速度比较快，能够全面的观测火情，能够及时采取相应扑救措施。可是 它在夜间的能见度比较低，大风天也不能进行飞行观测，所以巡视受到航线和时间的 约束，进而使观测范围变小，天只能观测一个相应林区，容易错过观测的最佳时期， 台发生当日某林区有火灾而没有观测到的情况。飞机巡航飞行成本很高，租用费用极 其昂贵。这就需要用定点视频监测来弥补它的不足。 1 2 2 我国森林防火现状 我国地域辽阔，地形复杂，气候多样，森林类型各异，社会经济发展水平不一，森 林火灭状况在各地存在很大的差异。一年凹季都有不同程度的森林火灾发生。在新中 国成立初期我国就已经十分重视森林防火但是由于不同时期的社会的芨展不一， 所以也就导致j 各个阶段的防火措施的不同。 大体上我们可以根据国家的宏观政策将森林防火分为三个阶段：首先是初级管理 2 阶段。这个阶段主要是在建国初期，我国的森林防火机构并不健全基础设施也很差， 综台治理能力也不高。所以在这个时期我国的森林火灾时有发生，并且预防和抢救也 很不及时，致使我国在这个时期损失很多森林资源。其次就到了全面发展的阶段。随 着改革开放，国家的富强国家对森林防火方面也加大了投入防火的设施和设备得 到了突破性的加强，还成立了专业的扑火队综台能力得到了很大的提高，森林火灾 发生的频率和损失大幅度下降了。最后也就到了科学治理的阶段了。随着科技的发展， 渐渐发现科学技术可以有效的应用在各个领域，能够很好地解决许多问题，所以可以 很好的应用科技化来解决森林防火问题，来减少国家和人民的损失| b 】。但是我国相较于 国外的科技防火技术还相差很远。 i 2 3 森林防火的发展趋势及新技术 以往的灾情主要是通过长期驻守队员的巡视隙望和应用直升飞机进行监测：常用对 温度和烟雾敏感的传感器面对多变的自然环境时常出现错报没报情况”】。特别在现在还 没有被探索的原始森林，应用这些传感器就更加满足不了森林的需要了。图像型火灾 探测技术和常规判据相比简单易行可以在环境恶劣复杂的林区中运行，大大的增强 了探测的可靠性。图像包含信息多样，是人体视觉的延伸而森林火灾的各种动静特 点可以被采集到视频图像的序列中通过数字图像处理对火灾图像进行分析就能够 完成前期森林火灾的探测及预警。 13 森林火灾探测及预警系统的国内外发展现状 森林防火的主要日标就是在预防森林火灾发生的前提下，对森林进行监测，当发 现森林火灾时能够及时的对它进行预警，并及时的采取扑救行动。所以减少森林火灾 的有效手段就是森林火灾的探测及预警。 1 3 i 森林火灾探测及预警系统简介 现在常见的森林火灾探测及预警系统主要包括感烟型、感温型和复合型等。通过 对各个类型的应用了解到感烟型枉火灾技生后，火灾烟气在上升过程中会随着高度 的增加而温度逐渐降低当空间高度增大时，烟气将h ：能到达顶棚，或者由于空气的 流动使到达顶棚的烟气浓瘦达不到报警极限感烟探头就不会产生报警信号。而且， 长期的粉尘环境和过大的湿度也会使离子感型探测器失效，产生误报警或不报警。感 温型在火灾发生时，由于空间高度或空气的流动等原因，使火灾高温气体无法到达顶 棚，或者当环境温度较高时该类防火探测器容易产生误报。复合型并没有消除前两 种类型的缺点仅仅增加了判据的数目，使探头的整体性能稍有改善但仍无法应用 于大空间或自然环境的火灾的探测报警。所以解决以上的问题，实现森林火灾探测及 预警，需要研究新的技术来满足现在的需求。 1 3 2 国外监测新技术及设备1 9 i 在全球每年都会有很多国家发生森林火灾，每次灾难部将给这个国家乃至这个世 3 界带来一次重刨。所以这么多年来全球各国人民都在想尽各种办法来减少这种灾害的 发生。 上世纪各国根据不同的方式减少火灾的发生，欧盟依据“f w i ”和其他环境特征对 地中海附近做出了火灾风险的预防评估：意大利成立了一个欧洲的火灾信息中心，主 要就是负责欧盟各国的火灾信息，然后大家根据这些信息做出分析和评估报告对多 发地段进行划分，对灾情的蔓延趋势进行预测，这样就把各个国家的消防力量都结台 起来了这样既方便了对灾情的控制又可以迅速有效的减少居民和国家的人员和经济 的损失。在2 】世纪初，一些欧洲国家就是根据这些信息对很多的灾情都得到了有 效地解救大大地减少了欧盟一些成员国的经济损失，同时也为全球的环境和绿色植 被资源的保护工作做出了巨大的贡献。 同样欧洲发达的国家又制作出了一种叫做“森林火灾自动观察系统”的防御火灾 系统，这个系统由4 台黑白相机( 监视范围5 0 0 m 一1 0 k m ) 和一个热敏感应器与烟感应 器组成，起火到发现火灾的时间在3 0 s 以内。在法国南部的马赛和葡萄牙等地按这套系 统，可以监视森林面积1 万平方公里，而且这套系统的误报率很低，所以一些商家准备 把这套系统推向市场。 美国的森林火灾探测预警系统技术也是非常领先的，其预警系统是与消防部门绑 定的短时间内让消防技术部门获取火场信息，使其制定灭火策略。森林防火探测预 警系统已经在美国的各个洲区使用，通过火灾卫星监控在北美的地面接收站可以近 距离查看和记录森林火灾频发的地点。 通过卫星遥感技术森林火灾监测系统，可以在外太空把森林火灾的范围、温度、 蔓延速度、扩散方向等测算出来，然后把在卫星上处理完的数据和图片进行整理发送 到地面接收站之后再传送到林业防火部门。这个系统可以在发现火情不n 2 d , 时内传 送到相关防火部门。 e c p 公司开发的森林火灾监控系统可以通过计算机视觉技术和模式识别的算法， 在短时间内进行识别4 千米外的林火并同时发出警报。b s d s 系统是b o s q u e 公司开发的 红外相机和普通可见光相机的双波段监控系统，该系统误报率低、抗干扰强，能准确 的识别森林火灾。 1 3 3 我国森林火灾探测技术的研究现状 现在我国有很多研宄机构针对火灾的探测技术进行了研究，而在采取相关的技术 上，应用最为广泛的是数字图像处理和模式识别的技术| l ”。它不仅把光电技术和计算 机图像技术相结合，同时还具有灵敏度高智能化高的特点，还不受周遭环境的影响， 能够准确的检测到早期的火茁和烟雾”“。 海普公司研究的防火检测系统是利用独特的可编程三维精确定位摄像系统与森林 林火的智能识别软件相结合，搭配整台户外远程联网监控系统，此系统可实现林区图 像的清晰采集、智能分析和智能预警，有效的降低了林火的误报和漏撤率，实现了目 4 标的精确定位。 上海交通大学、西安交通大学在火灾探测方面做了很多工作并在工程实践中总 结了一些算法，其中西安交通大学开发的自动火灾监控系统是图像处理与识别研究所 研制的该系统的红料 c c d 传感器采用了9 5 0 n m 2 0 0 0 n m 波段的，只有红外波段的 视频信号，火焰燃烧时的红外辐射主要集中在这个波段内。该系统采用简单的算法进 行分类，大大提高了对火焰的识别速度。 中国科技大学的火灾科学国家重点实验室成功研制出双波段早期火灾智能探测系 统，通过有关部门的验收已经在很多林业单位投入使用。应用红外摄像机完成对火灾 火焰的探测，应用可见光摄像机对烟雾进行监测，所以要想实现火灾火焰和烟雾的探 测，需要安装一定数量的红外摄像机和可见光摄像机。 1 4 论文研究内容和组织结构 结合国内外发展的现状，本文提出一种新型双波段图像型火灾探测系统。传统图 像型火灾探测技术的研究一般是在p c 机上处理前段采集的视频图像进行显示识别，多 数图像需要压缩但是压缩使图像质量下降，从而导致后端处理难度加大，探测系统 的算法的稳定性还有待提高。为解决识别率问题，所以基于红外与可见光相机的双波 段森林火灾探测及预警系统系统设计准备采用普通的红外光波段相机和可见光波段相 机埘森林火灾中火焰的段监控i i ”红外相机、可见光相机相互确认以及重点区域覆 盖高精度搜索巡航模式，识别率远大于现有的烟火识别系统。 本文的主要研宄目的就是使用红外相机和可见光相机同时采集森林图像引入图像 监测识别系统中采集不同光谱波段的图像分别实现行监测、对比、识别、报警等功 能。本研究是基于, 叹d s p 的嵌入式平台对森林火灾进行实时图像识别检测的系统本 系统的核心是采用两个d s p 和一个f p g a 的设计方案i ”。应用f p g a 对红外相机和可见 光相机采集到的图像进行采集分析对比处理，然后在两个d s p 中分别将两个相机采集 到的图像进行相垃的算法识别，并结合数字图像处理、计算机图形学等技术和相关知 识从而得到相应的火灾监测信息。 论文的结构安排如下： 第一章：介绍本课题的研究意义，介绍了各种森林火灾探测技术的发展趋势及国 内外图像型火灭探删技术的发展现状。最后阐述论文主要内容和组织结构。 第二章：介绍丁森林火灾的形成过程和特征然后介绍了森林火灾的图像分析。 第三章：首先对双波段图像型火灾探删系统的功能描述、系统总体设计方案和硬 件组成的分析。然后对识别板卡各个主要模块进行分析。 第四章：本章介绍了对森林火灾识别的算法。分别对红外图像的识别算法和可见 光图像的识别算法进行分析。 第五章：本章介绍了双波段图像型火灾探测系统在森林外场的试验分析，以及该 系统在若干常规和复杂环境下的探测效果对于干扰的排除能力及在算法调试中出现 5 的问题和解决办法也进行了阐述。 第六章：对论文进行了总结，并且对该系统的未来进行了展望。 6 第二章森林火灾特性分析 现在小空间室内火灾监测报警技术己经相当的完善和成熟。这个技术主要通过对烟 雾密度、空气温度、光亮强度进行识别判断一旦确定火灾系统自动进行火情报警、 喷水、切断电源等工作。在小空间的火灾判断方式比较多，可以使用单一方式进行判 断t 也可以采用多种模式相结合进行判断。这样可以提高火灾判别精度。在大空间的 情况下，由于探测空间太大，所以它的探测方式比较少，智能的探测技术主要是利用 图像型森林火灾探测技术对火灾进行监测报警。 21 森林火灾的分析 2 1 _ 1 森林火灾的发展 森林火灾主要是发生在大空间野外环境下的燃烧现象，在其燃烧过程中会发生热现 象。根据森林火灾的变化的特点，我们可以将森林火灾发展过程分为三个阶段，即火 灾初期阶段、火灾芨展阶段、火灾熄灭阶段。因为本文是讨论早期森林火灾的探测和 预警，所以只讨论森林火灾的初期阶段和火灾全面发展阶段。 1 初期阶段 烟气是火灾的预兆和伴随产物| 1 q ，在发生森林火灾的初级阶段火灾的主要特点 是在空气中不完全燃烧在这一过程中有大量烟气产生。森林火灾初期阶段这一现象 非常明显和突出。 2 发展阶段 随着火灭的扩大烟气温度的升高。可产生不同于背景的红外辐射。同时伴随着火焰 的产生形成向上扩散的湍流，此时的火焰具有复杂的运动形态和体积变化同时具 有闪烁、背景模糊与扩散等特点。 在我们研宄中的森林火灾的早期探测主要针对森林火灾早期在燃烧中的现象及这 些现象在被相机采集的过程中所表现出来的图像信息进行研究。 3 带图像信息的早期火灾现象 在早期火灾中主要有：无明火燃烧、热湍流、烟雾这几种现象如图21 ( a ) f b l ( c 1 所示。 无明火燃烧是可燃物燃烧在气体和固体之问，还没有火焰现象的燃烧”“。这种燃烧温 度低、速度慢，有一定的隐蔽性不容易被人们发现，因此其危害性非常大。火灾的 热湍流是所有火灾都要产生的一种在火灾初期的现象，随着火灾的变大火灾上面空 气有温度差，就会产生热气流卜升扩散的现象。在火灾发生的开始就会出现热湍流的 现象火灾越大湍流现象越明显。这种热湍流的温度髓着位置变和时间的变化而变化， 同时还会园燃烧材料的不同而发生变化。 7 a 1 无明火燃烧( b ) 热湍流( c ) 烟雾 圉2i 早期火灾中主要几种现象 烟雾的主要组成部分是燃烧的物体在燃烧过程产生的细小颗粒的汇集。但是由于烟 雾在扩散过程中面积的扩大、小颗粒的分散和受到外界温度的影口向其温度会逐渐降 低。这样表明烟雾的最高温度一般都低于热湍流的温度，而烟雾的最低温度一般都 高于外界环境的温度。在产生上面介绍的现象时，由于温度差的存在会产生相应的边 缘和形体上的变化。这种形体的变化所体现形式就是可见光波段图像的图像信息。在 火灾的发生过程研宄中可以利用新型防火探测系统一图像型森林防火系统进行监 测、图像型森林防火系统是将图像处理，测量技术和多媒体技术融合在一起的火灾探 测技术。 22 森林火灾的特征 由火灾的发展过程来看，任何火灾在燃烧过程中都会出现烟雾和火焰如图22 ( a ) 所示是森林火灾烟雾的特征、( b ) 是森林火灾的火焰特征。烟雾和火焰具有自己独特的 物理特性。针对森林火灾的烟雾和火焰的这一特性对火灾进行探测与报警。 伊_ 了罗 豳 ( a ) 森林火灾的烟雾特征( b ) 森林火灾的火焰特征 围22 森林火灾中的特征 2 2 1 早期森林火灾烟雾特征分析 早期森林火灾烟雾特征的研究是早期林火图像探测的基础，它将推动林火探测技术 的进一步的应用和发展。 首先，烟雾的出现预示着要有火灾的发生，同时它也是火灾的伴随产物。火灾燃 烧的过程是随机燃烧，在燃烧物表面会产生大量烟雾。在火灾早期出现的烟雾非常的 8 明显。其次，在火灾发生时的烟雾不仅具有丰富的运动形态和尺寸的变化，而且具有 闪烁、相位起伏及漂移与扩散等光学特征。在森林火灾前期的烟雾当中气体成分复杂 在探测中有很大的价值。一般应用热湍流来描述烟雾的形态。 森林火灾中烟气的特征主要表现为 2 3j ：快速扩散烟雾对森林背景产生遮蔽，一般 与背景产生鲜明对比：烟雾扩散过程中，烟雾的内部不断滚动的特性，在图像中表现 的是像素不断变化，随着烟雾的l 升过程滚动频率也随之减小，这个现象在近距离观 察烟雾时比较明显：烟雾的形态具有不停运动的特性，由此可区分烟雾和一般剐性运 动物体：随着烟雾在扩散过程中其面积也变大。 2 2 2 早期森林火灾火焰特征分析 在大自然中所有物体的表面温度都要比绝对零度高。由于物体内部的分子不停的 做热运动，从而会产生红外辐射。根据物体的辐射能量来进行探测的技术就是红外成 像技术。在应用红外成像技术时，可以将燃烧的物体和森林的背景分离出来。因此我 们可以根据红外的热图像，来对森林火情进行识别判断，还可以根据相应数据计算出 着火点的地理位置，火灾发生的面积，进而统计火灾的火势。 森林中林火燃烧过程中火焰的温度很高，森林背景的红外辐射有别于背景，在森林 火灾中火焰区域特征主要表现为：持续蔓延和不断扩太是在早期火灾中林火的火焰中 的主要过程。在这期间，火焰在燃烧过程中期面积呈现不问断扩大的趋势：在早期森 林火灾中火焰的外形的变化、火焰的抖动等都有相应规则的变化规律：早期森林火焰 不断的变化，随着火灾的燃烧，火灾面积的扩大，火焰的位置不断的移动i ”l 。 23 森林火灾图像分析 为了更直观的分析早期森林火灾的特征本文所用的森林火灭图像均来自野外森林 实地采集。测试相机安装在2 0 米高的防火塔上图23 是红外相机和可见光相机同时 对25 公里距离的模拟火灾进行采集，点火面积一平方米如图22 f b ) 所示。图23 ( a ) 是可见光相机采集的森林火灾图像图23 ( b ) 是红外光相机采集的森林火灾图像为 方便读者观察白框显示林火燃烧点。 a ) 可见光图像中林火烟雾图像( b ) 红补图像中林火火焰图像 图23 森林火灾图像特征 9 2 3 1 可见光图像中森林火灾的特征分析 a ) 可见光相机采集第2 0 0 帧林火图像( b ) 可见光相机采集第4 0 0 帧林火图像 蚪豳 ( c ) 可见光相机采集第6 0 0 帧林火图像 ( d ) 可见光相机采集第8 0 0 帧林火图像 图24 可见光图像林火图像特征 用可见光相机采集的火灾图像中，如图24 ( b ) ( c ) ( d ) 所示，能清晰的看到火灾烟雾 和森林背景及空气环境有着很高的密度差所以烟雾的边缘特性和外形特性非常明显。 烟雾在森林背景的映衬下可以看见烟雾密度的变化，这一现象在烟雾的边缘尤为突出， 在图像处理中烟雾的边缘特性作为探测的重要特征。烟雾在发生过程中的运动是不规 则的可以用差分法来进行识别。图2 4 中的观察距离为25 公里，在可见光图像中对 火焰的观察不是十分明显，但是对烟雾的识别较为显著，所以在远距离采集火灾图像 时可见光相机对烟雾特征识别明显。 2 3 2 红外图像中森林火灾的特征分析 如图24 ( a ) f b ) ( c ) ( d ) 所示，林火火焰的温度高，可以产生有别于背景的红外辐射图像。 在图像中显示的是一个圆形亮点距离越远圆形亮点越小，距离越近圆形亮点越火。 火焰的持续蔓延和不断扩大是早期火灾中火焰的主要过程随着早期森林火焰不断的 变化在红外图像七显示的圆点也随着变犬或者变小。在红外相机对距离25 公里的林 火进行图像采集时由于烟雾的温度没有火焰温度高，对烟雾的显示不是十分明显， 但是对火焰的识别却是十分显著的。 0 a ) 红外光相机采集第2 0 0 帧林火图像( b 1 红外光相机采集第4 0 0 帧林火图像 c ) 红外光相机采集第6 0 0 帧林火图像( d ) 红外光相机采集第8 0 0 帧林火图像 图25 红外图像林火图像特征 第三章森林防火监控系统总体方案分析和识别板卡设计 31 系统功能描述 如图3 】所示，林区视频图像信息进入前端采集监测与报警模块，监测是否有火情 发生，一旦所监视林区发现火情将启动报警。现场图像和报警信息通过光纤传至指 挥室，通知消防人员前来进行扑救。防火系统的整体框图如图3l 。在整个系统运行过 程当中，指挥室可以根据需求调节报警策略及系统识别参数如云台俯仰角和水平角 等，通过光纤发送参数由处理器进行相应配置，以便系统更有效地工作。 林区前端硝目溪块 嫡信摸块总台磷慌统 图3 】防火系统整体框图 如图32 描述的是前段采集模块的结构设计图：主要分图像的采集部分、火情判别 部分、基础设施部分。 r酊墙熏统 仁二 霄壅i 【j 竺i 【竺 j _ 产亏萧赢i 1 l l | l _ j 圈32 前段采集结构设计图 32 前端采集模块设计方案 森林火灾采集监测与报警系统的前端采集模块是由球型转台、红外相机、可见光 相机、硬件火灾识别板卡、伺服转台控制模块系统组成阱i 。总体结构如图33 所示。 图33 采集模块整体框图 通过安装在球型转台装置上的红外与可见光相机对目标区域进行监测，通过森林 火灾识别板卡对图像进行采集和算法处理，再经由通信接口将信息传送到伺服控制系 统上同时伺服系统也可以对整个转台进行相应的控制f “i 。 33 前端采集模块的硬件组成分析 3 3i 红外相机简介 系统采用高灵敏度c c d + 1 2 0 m m 圃定焦距镜头主要技术指标如f ： 靶面尺寸：w * h - 1 01 6 m m + 76 2 m m 像元数：3 2 0 * 2 4 0 灵敏度：0 1 l u x 镜头焦距：1 2 0 r a m 3 3 2 可见光相机简介 方案采用高灵敏度c c d + 7 5 0 m m 长焦镜头作为可见光方案这个方案可姐实现基本 的要求。主要技术指标如下： c c d 类型：彩色1 2 英寸 靶面尺寸：w * h = 6 4 r a m * 48 m m 像元数：7 5 2 * 5 8 2 灵敏度：03 5 1 u x 一01 4 1 u x ( 夜间模式) 最低照度：01 8 1 u x 一00 8 1 u x ( 夜间模式) 镜头焦距：1 25 7 5 0 m m ，具有2 倍光学放大 视场角：l5 5 。4 4 。 3 3 3 转台的介绍 转台采用两轴两框架结构，水平转动机构固定在地面上，俯仰转动机构固定在水平 转动机构上整个转台在运行时通过水平转动机构转动使俯仰机构实现水平转动，再 通过俯仰机构的转动实现前端观瞄设备的俯仰和水平转动”7 i 。 l 转台主要功能体 雾 雾 一 一 一 豇 鬃一 转台使用t c p i p 或r s 4 2 2 串口控制 左、右、左上、右上、左下、右下运动 2 转台的内部构成 如下图34 ： 可以使用速度范围内的任意速度向上、下 可以读取当前角度和令转台转至指定角度； 陋螋删随堂删 皇舅曹曹 一“i 皇! 舅| 一一 皇童寞皇 幽34 转台内部控制组成 3 转台系统的各部分功能 转台中央控制器：主要完成速度和位置的信息采集和处理，井接受巾心控制平台发 送过来的电机相关拉制信息，并通过电机驱动控制电路去执行控制中心的速度和位置 任务。 速度传感器：主要是实时检测电机的转速并反馈给转台中央控制器。 位置编码器：主要是为得到转台的位置参数。 通讯模块：主要是把检测到的速度和位置信息发送给控制中心同时还能接受控制 中心拄来的位置和速度信息。 直流力矩电机：是整个转台和监控系统的转动执行元件。 供电系统模块：主要是给电机和控制器各个模块供电。 4 转台控制器内部工作流程 转台控制器是以转台机械为载体，通过控制安装在转台水平轴及俯仰轴处的力矩电 机实现转台的水平和俯仰转动安装在力矩电机旁边的还有角速度传感器和位置传感 器通过传动机构这些传感器可以实时的将转台的姿态以及速度信息实时传送给控制 以及搜索跟踪组件，同时转台控制维件还可以通过串行通信总线接受转台控制的相关 命令实现转台姿态以及速度的调整。处理器内部采用p & i 方式实现电机的速度调节 通过高速的串行数据传输方式将采集到的角速度以及位置传送到后端并通过该口接 收外部命令，通过转台处理器完成命令解码以及执行工作。 34 森林火灾识别板卡设计方案分析 1 、毗双d s i ) 为核心图像处理的方案，如下图3j 所示： 4 图35 处理器方案一 该方案应用非常广泛d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 作为数字信号处理专用 芯片是数字信号处理的重要技术工具其中d s p 9 0 0 0 系列主要应用在图像处理方面。但 是在本设计中需要配置大量外围芯片同时还要做图像的算法处理脚) 。在同时进行操 作时整个系统在运行中稳定性下降，操作繁琐容易出错，在实时处理图像算法中不适 合本系统的技术要求。 2 、以双f p g a 为核心处理器的方案如下图3 6 所示： 图3g 处理器方案二 方案二的特点是运用f p g a 实现a d 采集的图像进行图像处理运算和外围电路的配 置。此方案的特点是配置模块，算法处理模块在集成在单个f p g a 内，虽然硬件简单， 运算报难满足高速图像处理实时性的要求。所以不推荐使用。 3 、以一个f p g a 和两个d s p 为核心处理器的，d s p 为协处理器的方案1 ”i 如下图37 所示： 图37 处理器方案三 1 5 在高性能、比较复杂的图像处理系统中以f p 6 a 为核心处理器的，d s p 为算法处理 器的方案经常采用。由f p g a 来控审u a d 来采集相机的图像和时序控制，而d s p 专注于图 像处理数据的计算处理【如】，大大提高运算速度，实现快速的实现实时图像处理。这种 方式整体效率很高对于本文的设计而言。所需的图像处理复杂，采用此方案将大大 提高火灾识别的整体速度i “】。因此此方案适台本文的设计要求。 表31 三种方案总结对比表 综卜所示本文将采用方案三的解决方案采用一片逻辑资源丰富的f p g a 芯片完 成对外围器件初始化的配置，两片d s p 分别处理红外和可见光图像数据流的控制和算法 识别工作”“。 35 前端采集探测器关键技术指标 系统前端采集设备采用1 2 0 m m 定焦红外传感器和1 25 m m 至7 5 0 m mx2 变焦可见光 传感器红外传感器和可见光传感器的成像器件尺寸均为1 2 英寸。 表3 - 2 可见光和红外传感器部分技术指标 可见光在不l 可熊距下会产生不同的视场角，如下表33 所示部分焦距下的视场角数 6 表3 - 3 可见光传感器在不同焦距下的视场角 红外传感器在探测距离不同的情况下其成像范围和像素对应尺寸也相应的变化，其 数据如下表34 所示。 表3 - 4 红外传感器在不同探测距离下的成像范围和像素对应尺寸 可见光传感器在1 ：同探测距离和不同焦距的情况下其成像范围和像素对应尺寸也 相应的变化，其数据如下面2 个表。 表3 - 5 可见光传感器在不同探测距离和不同焦距下的成像范围 表3 - 6 可见光传感器在不同探测距离和不同焦距下的像素对应尺寸 7 36 森林火灾图像识别板卡硬件总体结构 森林火灾图像识别板卡核心采用两个d s p 和一个f p g a 为前端的监测与报警模块。 图3 8 为火灾识别板卡p c b 板，图39 为识别板卡的原理框图。其中一个d s p 负责处 理红外相机采集的图像进行算法识别，另一个d s p 负责处理可见光相机采集的图像进 行算法识别。板卡可以同时接收2 路输入模拟视频图像，分别是红外相机和可见光相机 输入的模拟图像。识别板卡识别出火灾，报警信息通过串口选出。该硬件电路主要由 f p g a ( e p 2 s 9 0 f 1 0 2 0 1 4 ) 、两个d s p ( t m s 3 2 0 c _ 6 4 1 6 ) 配置芯片e p c s 6 4 、视频解码芯片 v p 5 1 5 0 、串口发送芯片、视频放大器a d 8 0 6 3 、f l a s h 芯片菩组成。 圈38 火灾识别板卡p c b 板 图39 识别板卡的原理框罔 37 森林火灾识别板卡的硬件结构分析 针对森林火灾识别板卡的总体结构，结合殴计思路分模块作l lf 设计和分析工作 1 8 曰目回圈网 3 7 1 图像采集模块i ”i 高性能的f p g a 和低功耗视频解码芯片构成图像的采集模块f p g a 同时处理两 路视频信号。 系统的图像采集模块主要负责对红外相机和可见光相机的图像采集，给图像处理模 块提供图像数据。在系统的设计中，为了增强本模块的稳定性和火灾图像识别系统的 灵活性，图像采集模块进行了以下几个方面的优化设计。 ( 1 ) 采集模块的图像预处理功能 在很多系统中一般图像预处理的算法都是由d s p 实现。结合本系统的特点和功能， 在执行的时候把图像预处理操作艘到了采集模块上进行。 把图像预处理工作移植到f p g a 上可以提高整个系统的性能p ”。首先，使得d s p 的工作量降低，从而在图像采集模块向图像处理模块传输的数据量减少了，提高了整 个系统运行速度。其次，使系统工作更加灵活。图像处理系统可以根据实际的需要来 进行图像数据的采集，调用在f p g a 中的预处理算法。在实际的设计中图像采集模块 可以由图像处理模块控制可以根据图像处理模块的要求。输送预处理后的图像数据 来代替原始图像的原始数据。体现了采集模块的智能性。 ( 2 ) 该模块核心处理器选用 使用f p g a 作为图像采集模块的核心，相比一般控制器大大提高了图像采集模块 的性能。市场上常用控制器主要有单片机、d s p 、c p l d 、f p g a 等。单片机虽然价格 便宜，但是处理速度慢