红外热成像仪林火监测干扰源智能屏蔽技术研究

关键词：红外热成像仪； 林火监测；屏蔽

近年来，利用红外热成像仪进行森林火灾智能远程监测逐渐成为林火视频监测的研究热点^[1-2] 。这种林火监测方法具有火情自动识别、响应速度快、昼夜都可以监测、可有效降低监控管理人员的劳动强度等优点^[3-4]。然而，在利用红外热成像仪智能识别林火过程中却经常发生误报，这是因为监测区域的环境会对林火识别的准确率造成影响，许多物体都会发射或反射过量红外线触发误报^[5]。这种类型的误报难以依靠调整软件算法或监测参数来减少，最好的方式是将这些已知的干扰源屏蔽掉^[6-7]，而目前国内红外或其他光学林火监测系统中尚无实现局部屏蔽方法的先例。本文针对现有技术的不足，提出和实现了一种在林火红外监控中能够利用动态更新屏蔽点来排除非监控区域以提高监控效率的方法。

1 现状及分析

红外热成像仪森林火灾智能远程监测主要运用红外热成像监控、网络传输、GIS、图像智能识别等技术，通过安装在林区的红外热成像仪将林区的影像信息实时传输到森林防火指挥中心，并通过智能识别软件对影像进行自动分析处理，一旦发现疑似林火警情，则自动触发报警^[8-9]。在一些人员活动频率较高的林区，车辆、锅炉和反光金属等都会发射或反射红外线，造成与林火十分类似的影像数据，导致在红外热成像森林火灾警报系统中出现干扰热源的可能性非常大，误报率很高。误报率高，这在增加监测员工作量的同时还容易导致人们对系统的不信任，甚至忽略真正的火灾警报，酿成生态灾难^[5]。这种类型的误报无法通过软件参数或算法调整来实现，只能通过屏蔽已知干扰源来实现^[6-7]。

在其它一些安防系统中，红外热成像仪监控可以实现对指定范围的屏蔽，但这种屏蔽功能非常有限，不但镜头的观测方向要固定不变，而且也只能设定一组屏蔽区域，这一功能无法在林火监测这种需要使用云台进行大范围动态拍摄的情况下应用，因为当云台的角度发生改变的同时，需要屏蔽的区域也随之变化，原本的一组屏蔽范围也要随着这一变化而加以动态更新，传统的红外热成像仪或基于其它光学镜头的林火监测系统并没有动态更新屏蔽点的功能。

为了实现红外热成像仪林火监测干扰源的智能屏蔽，可以从软件方面入手，为摄像拍摄的全景画面建立一个球状分割模型，并将分割的各个大小相同的矩形屏蔽单元赋以编号，建立起以屏蔽单元为地址编码的数据模型并存入数据库，最终形成干扰源智能屏蔽功能模块并加以实现#以这种方法建立的红外热成像仪林火监测系统能够动态更新屏蔽点，并可全方位排除非监控区域，有效提高监控效率。

2 设计与实现

红外热成像仪林火监测干扰源智能屏蔽的实现，需要硬件和软件的相互支持和密切配合，并通过软硬件联动组合的方式形成分析屏蔽功能。

2.1 组成结构

红外热成像仪林火监测干扰源智能屏蔽功能实现所依托的系统组成结构如图1所示。与大部分红外热成像仪林火监测系统类似，其主要组成结构包括前端摄像系统、传输网络、服务器和客户端，所不同的主要是在服务器和客户端增加了处理屏蔽的功能模块。

图1 红外热成像仪林火监测干扰源智能屏蔽系统组成结构

前端摄像系统与屏蔽功能的实现主要依靠红外热成像仪、云台、解码器、传输设备等。红外热成像仪用于获取红外视频，云台用于控制红外热成像仪监控方向，解码器用于解码操控指令，传输设备用于传输视频图像及操控指令等。传输网络通过无线或有线传输方式在因特网或专网上进行信息传输。服务器除了处理视频信息、发出警报及处理云台操作指令外，还可进行屏蔽处理。客户端则接收服务器图像服务，发送屏蔽及云台操作指令。

2.2 数据模型

要实现对不断移动的红外镜头获取的图像局部区域进行屏蔽，首先要将红外热成像仪监控区域的图像表示出来，这样才能使用户在图像上选定屏蔽区域进行屏蔽操作。本研究采用球型分割模型作为全景图生成模型，这是因为红外热成像仪所能拍摄到的全景画面必定可以在一个圆球上无缝拼贴形成球形。将红外热成像仪采集的移动数据图像进行球型分割，即采用一个球形面作为分割数据图像的界面，生成监测全景图。图2即红外热成像全景图所采用的球形分割模型。

为了实现林火监测系统的干扰源智能屏蔽功能，研究创造了屏蔽单元的概念，即将红外热成像仪所监控的全景图分割为一定大小的屏蔽单元，每个屏蔽单元为包含一定图像像元的矩形区域。为每个屏蔽单元赋予一个固定的地址编码和一个屏蔽标识码，屏蔽标识码默认为0，即不屏蔽，当屏蔽标识码被修改为1的时候，就将这个屏蔽单元对应的图像区域屏蔽掉，此后发生在该屏蔽单元区域的火警警报将直接被忽略掉。

图2 球形分割模型

在客户端每张获取的实时图像上，需要建立与屏蔽单元相同大小的栅格选框。由于云台的不断移动和摄像头轻微抖动变化，栅格选框会随摄像设备进行移动，此时栅格选框会依据云台位置计算获取当前地址编码，并将之与全景图上的屏蔽单元地址编码进行匹配。客户端栅格选框与屏蔽单元之间关系如图3所示。

图3 客户端栅格选框与屏蔽单元之间关系

由于这些栅格选框与屏蔽单元并不一定完全重合，要将栅格选框和屏蔽单元一一对应，会产生4种情况：第一种情况是栅格选框和屏蔽单元完全重合，则栅格选框直接对应该屏蔽单元取值；第二种情况是栅格单元与2个或4个屏蔽单元交叠，且交叠面积不一样，则此时认为栅格选框对应交叠面积最大的屏蔽单元；第三种情况是栅格单元与两个屏蔽单元交叠，且交叠面积一样，此时认为栅格选框对应左方或上方的那个屏蔽单元；最后一种情况是栅格单元与4个屏蔽单元交叠，且交叠面积一样，则此时认为栅格选框对应左上方的那个屏蔽单元。

2.3 流程设计

红外热成像仪林火监测干扰源智能屏蔽工作流程如图4所示。

图4 红外热成像仪林火监测干扰源智能屏蔽工作流程

当红外热成像仪安装完毕后，可在初始阶段先将当前很明显的非监测区域，如楼房、道路、天空等先行在全景图的屏蔽单元中加以预屏蔽，在后期使用过程中，随着时间的推移和地物的变化，会发现疑似火情并报警，这时首先要观察当前影像，查看该报警位置是否已经变成非监控区，若因为地物变化变成非监控区，则通过客户端栅格选框将影像中无需监控范围的屏蔽单元选中屏蔽，并在服务器端进行存储更新。

2.4 研发实现

研究采用FLIR 60mm镜头红外热成像仪进行监测，利用电信专网传输数据，功能实现所依托的系统采用python开发，Oracle 数据库管理软件进行数据管理，在软件模型上采用了 NASA全球数字高程地形图（ASTDEM）建立3D地形模型，遥感影像数据采用 NaturaLVue数据。最终建立的可进行干扰源智能屏蔽的红外热成像仪林火监测系统可在windows或Linux操作系统中应用。

3 应用实例

在广东省清远市清新县建立红外热成像仪林火监测系统，该系统前端视频监控设备设立于清新县电信大楼，对清新县八面山林区进行监测，该监测区域很大一部分与城区相邻，城市高热金属、锅炉、玻璃反光等极易造成误报。前端摄像系统采用当前使用较多的双视频^[10]，包括一套红外热成像仪和一台透雾镜头，可同时获取红外和可见光视频，视频信息通过网络实时传输至服务器，清新县林业局和广东森林防火研究中心等客户端可以通过发送指令到服务器来实现云台远程控制，每个客户端还可以通过软件自行通过发送屏蔽指令实现对非监控区域的屏蔽。

图5为系统的全景图查看模式，图6表示对非观测区域的屏蔽操作，被标示为灰色区域的火险警报将会被直接屏蔽掉。

4 结语

首次研究在林火红外热成像仪监测系统中实现干扰源智能屏蔽功能#通过将红外热成像仪的可视范围以球形分割模型建立全景图，并以编号的形式分割为多个屏蔽单元，生成屏蔽单元地址编码的数据模型，并将用户需要屏蔽的区域连同所获得的影像拍摄角度信息一并写入数据库，通过将影像信息与数据模型中交叠的屏蔽单元相对应来选择屏蔽点，实现对林区已知干扰源区域进行屏蔽，从而大量减少林火视频监测系统的误报率，提高火情识别准确率。随着该项技术的推广应用，必将极大地提高我国视频林火监测技术水平。