紅外熱成像儀技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用
●發(fā)布時間：2013-2-9 ●
●信息來源：上海皇龍自動化工程公司 ●作者：站長
森林火災(zāi)具有突發(fā)性、隨機性、破壞時間短等特點，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，決策是否得當(dāng)，最重要取決于對林火的發(fā)現(xiàn)是否及時，分析是否準(zhǔn)確合理，決策措施是否得當(dāng)。傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)一般基于紅外傳感器和煙霧傳感器，探測火災(zāi)發(fā)生時生成的煙、溫度和光等參量，經(jīng)信號處理、比較、判斷后發(fā)出火災(zāi)報警信號；其缺點是無法迅速采集火災(zāi)發(fā)出的煙溫變化信息，難以滿足早期探測并預(yù)報此類火災(zāi)的要求。
近年來，紅外熱成像檢測和可見光圖像檢測在火焰檢測中有一定程度的應(yīng)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，影響用戶使用，使得這一技術(shù)的推廣受到了阻礙。基于這種現(xiàn)象，雙光譜探測森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)，采用兩種光譜的圖像智能檢測技術(shù)最大程度發(fā)揮了各自優(yōu)勢，取長補短，能有效準(zhǔn)確地檢測出火焰，彌補傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)與單一檢測模式所存在的不足，以達到森林防火智能預(yù)警的效果。
雙光譜探測森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)是基于當(dāng)前林火監(jiān)測技術(shù)的不足的基礎(chǔ)上研發(fā)的成果，也是一套針對性很強的系統(tǒng)，其具有高精度、高可靠等特點，多種技術(shù)手段共同確保林火預(yù)警功能的實現(xiàn)。
國外森林防火技術(shù)發(fā)展
從19世紀(jì)90年代至20世紀(jì)50年代感溫探測器一直占主導(dǎo)地位，火災(zāi)自動報警系統(tǒng)處于初級發(fā)展階段;20世紀(jì)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(jì)70年代末，光電元器件技術(shù)取得突破，光電感煙探測器應(yīng)運而生;20世紀(jì)80年代初，日本開始研究實驗?zāi)M量火災(zāi)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)用于火源探測的問題;1994年瑞士推出AlgoRex火災(zāi)探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯相結(jié)合，共同決策。
20世紀(jì)70年代末，我國的一些軍工企業(yè)、部屬企業(yè)開始研制火災(zāi)自動報警產(chǎn)品;進入80年代后為了縮短與國外同類產(chǎn)品的差距，滿足國內(nèi)市場需要，開始引進或仿制國外產(chǎn)品;90年代后，國外企業(yè)進入中國市場，帶來了先進的技術(shù)，在一定程度上促進了市場的發(fā)展。
隨著科學(xué)技術(shù)的進步和森林防火信息化需求的逐漸升級，新的火災(zāi)探測器也不斷出現(xiàn);但目前國內(nèi)所有的火災(zāi)自動報警技術(shù)主要是基于傳感器的檢測，在現(xiàn)有的各種火災(zāi)報警和消防監(jiān)控設(shè)備中，大多數(shù)場所的火災(zāi)檢測，都采用常規(guī)的火災(zāi)探測的方法，其性能優(yōu)劣直接會影響火災(zāi)自動報警的準(zhǔn)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、光的特性來對火災(zāi)進行探測。在大面積森林應(yīng)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(zāi)探測報警系統(tǒng)都無法迅速采集火災(zāi)發(fā)出的煙溫變化信息，即使是高精度的傳感器也會由于種種噪聲干擾而無法正常工作，導(dǎo)致火情誤報或錯報，無法滿足森林火災(zāi)的及時檢測需求。
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,各類自然保護區(qū)1551個，對森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)有著不同程度的需求，防止森林火災(zāi)發(fā)生的最好辦法就是預(yù)防。世界各國對火災(zāi)的預(yù)警檢測越來越重視，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(tǒng)的缺失將導(dǎo)致森林火災(zāi)發(fā)生時要么束手無策，要么聽之任之，因此，俄羅斯生態(tài)學(xué)家指出應(yīng)盡快恢復(fù)國家森林保護系統(tǒng)，實用、快速、全面的預(yù)警系統(tǒng)尤為重要。
雙光譜探測森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)，采用雙光譜探測方法，將先進的紅外熱成像儀圖像采集和可見光圖像探測通過智能分析算法結(jié)合應(yīng)用，取長補短，最大限度發(fā)揮各自優(yōu)勢，再加上網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)及顯示系統(tǒng)組成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的智能森林防火指揮系統(tǒng)。與普通網(wǎng)絡(luò)視頻檢測系統(tǒng)相比，雙光譜探測森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)是一種更高端、視頻檢測更智能、更準(zhǔn)確可靠的防火檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守，自動對視頻圖像信息進行分析判斷，及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的異常煙霧和火災(zāi)苗頭，準(zhǔn)確檢測出火焰，以最快、最佳的方式告警并提供防火預(yù)警信息，達到早期預(yù)警的目的。能夠有效的協(xié)助消防人員處理火災(zāi)危機，并最大限度的降低誤報和漏報現(xiàn)象;同時還可查看現(xiàn)場實時圖像，根據(jù)直觀的畫面直接指揮調(diào)度救火。
該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于森林等戶外火災(zāi)的預(yù)警監(jiān)測中，同時結(jié)合林業(yè)管理的專業(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(jiān)測系統(tǒng)，針對性地解決用戶的各種個性化需求。通過紅外熱成像和可見光雙光譜的檢測，以及云臺精確智能定位系統(tǒng)，獲得林區(qū)的清晰圖像，利用視頻分析技術(shù)，根據(jù)火焰光譜特征判斷是否產(chǎn)生火情，一旦發(fā)現(xiàn)疑似火情，立即觸發(fā)報警，林區(qū)視頻回傳至監(jiān)控中心，如果確認報警屬實，攝像系統(tǒng)鎖定目標(biāo)，精確判斷火點位置，并根據(jù)已建立的林業(yè)防火信息數(shù)據(jù)資源做出滅火方案。
解決方案PYROVIEW FDS
本系統(tǒng)是一種具有紅外光、可見光雙光譜探測的森林防火智能預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了紅外熱成像儀系統(tǒng)、超溫檢測系統(tǒng)、可見光攝像機、火災(zāi)監(jiān)測分析儀、云臺精確定位系統(tǒng)、視頻服務(wù)系統(tǒng)、監(jiān)控主機等部分組成。可同時輸出兩路視頻信號，具有紅外熱成像超溫檢測和可見光火災(zāi)檢測功能，并根據(jù)置信度系數(shù)模型進行分析，自動給出報警信息，有效提高了報警的準(zhǔn)確率。探測設(shè)備可根據(jù)用戶在場景中畫出的任意路徑自動掃描，并可在運動掃描過程中進行快速煙火檢測。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸并向遠程監(jiān)控主機發(fā)送報警機器ID、云臺水平和俯仰角度、超溫區(qū)域的坐標(biāo)(左上角和右下角)等信息。遠程監(jiān)控主機根據(jù)回傳信息，經(jīng)過分析判斷確認報警后產(chǎn)生報警信號、記錄報警信息，并提供日志查詢和錄像等功能。
連續(xù)變焦紅外熱成像儀PYROVIEW 380L
連續(xù)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(xù)變焦紅外鏡頭制成，既能大范圍搜索，又能識別遠處目標(biāo)。該產(chǎn)品克服了目前國內(nèi)外固定焦距式或雙視場式熱成像儀的缺陷，在變焦的過程中成像清晰，功能強大，性能穩(wěn)定。具有堅固且密封性能極好的外殼，內(nèi)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、最先進的電子和光學(xué)系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)
在大面積的森林中，火災(zāi)往往是由隱火引發(fā)，這是毀滅性火災(zāi)的根源，而用現(xiàn)有的普通檢測方法，很難發(fā)現(xiàn)這種隱性火災(zāi)苗頭。而應(yīng)用紅外熱成像儀可以快速有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，并且可以準(zhǔn)確判定火災(zāi)的地點和范圍。
自然界中任何溫度高于絕對零度的物體，都會不停地向周圍空間輻射包括紅外波段在內(nèi)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范圍為8.5-12.2μm，在熱成像儀8-14μm的探測范圍之內(nèi)。目標(biāo)溫度越高，從熱成像探測器組件輸出的數(shù)字信號值越大,即數(shù)字圖像的灰度值越大，根據(jù)此特點，超溫檢測工作過程如下：圖像采集模塊將探測器輸出的高精度圖像數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，圖像處理模塊運行超溫檢測算法，首先根據(jù)目標(biāo)和背景的對比度計算出原始閾值，再結(jié)合用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度等級，計算出二值化閾值，將圖像二值化后進行連通域檢測，計算出目標(biāo)區(qū)域面積和坐標(biāo)，在畫面上標(biāo)識出超溫區(qū)域并通過串口發(fā)出報警信息。
由于探測器接收到的紅外輻射能量受監(jiān)控距離和工作環(huán)境的影響，被檢測目標(biāo)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(jù)用戶的具體使用環(huán)境設(shè)定被監(jiān)控目標(biāo)的溫度等級，即目標(biāo)與背景的溫度差別等級。
可見光圖像檢測系統(tǒng)
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(tǒng)又引入可見光圖像檢測，通過檢測火焰的靜態(tài)特征(顏色)和形態(tài)特征(閃爍性)兩個特征進行檢測。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(qū)域，再利用形態(tài)特征對上面提取出來的區(qū)域進行檢測，通過視頻圖像分析算法，檢測出火焰產(chǎn)生二級報警信號。可見光攝像機模擬視頻信號接入到圖像檢測模塊，通過圖像采集單元的視頻解碼電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，被基于DSP的圖像處理單元處理，根據(jù)火災(zāi)火焰的圖像特性，探測出畫面中出現(xiàn)的火焰，加入火焰識別標(biāo)記后，再通過視頻編碼電路轉(zhuǎn)換為模擬視頻信號輸出。由于監(jiān)測場景不同，火焰所呈現(xiàn)的顏色、狀態(tài)也會不同。因此，在監(jiān)測時，可以根據(jù)環(huán)境要求，調(diào)整檢測模塊的工作狀態(tài)，通過設(shè)置相應(yīng)參數(shù)閾值，如顏色靈敏度、動態(tài)靈敏度等，使檢測模塊可以更準(zhǔn)確及時地識別出火焰。
具體參見： 紅外熱像儀火災(zāi)監(jiān)視系統(tǒng)FDS
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