森林(lín)火災是一種受天氣條件和(hé)生态環境影(yǐng)響的(de)嚴重自然災害，突發性強，破壞性大(dà)，撲救難度大(dà)，是森林(lín)災害之首。傳統的(de)森 林(lín)火災監測以瞭望台爲主, 巡航飛(fēi)機和(hé)衛星測報爲輔。瞭望台通(tōng)過用(yòng)肉眼觀察煙(yān)霧來(lái)發現森林(lín)火情, 一般小火時(shí)煙(yān)霧不易發現, 發現時(shí)往往已釀成火災, 此時(shí)煙(yān)霧彌漫很難發現火災發生的(de)位置和(hé)發展方向。通(tōng)過觀察煙(yān)霧測定的(de)數據誤差較大(dà), 尤其在夜間觀測困難。因此，采用(yòng)視頻(pín)監控方式第一時(shí)間發現火情就顯得(de)十分(fēn)必要。由于普通(tōng)CCD 受大(dà)霧、光(guāng)線等環境影(yǐng)響嚴重，觀測範圍比較小火災識别率不高(gāo)。如在大(dà)面積的(de)森林(lín)中，火災往往是由不明(míng)顯的(de)隐火引發的(de)，這(zhè)是毀滅性火災的(de)根源。用(yòng)現有的(de)普通(tōng)監視系統很難發現這(zhè)種隐性火災苗頭。而紅外熱(rè)像儀應用(yòng)在森林(lín)防火中，相比于普通(tōng)的(de)的(de)視頻(pín)監控方式的(de)最大(dà)優點就是不需要可(kě)見光(guāng)的(de)支持，這(zhè)對(duì)于受光(guāng)線限制的(de)林(lín)區(qū)或者是在夜間探測的(de)情況下(xià)，極大(dà)的(de)便于火情的(de)早期發現和(hé)預防，而且大(dà)大(dà)降低了(le)森林(lín)防火工作中的(de)成本。并且由于紅外熱(rè)像儀的(de)感熱(rè)特性，應用(yòng)紅外熱(rè)像儀的(de)視頻(pín)監控系統可(kě)以更迅速地對(duì)濃煙(yān)、地下(xià)火、隐性火等火情進行預警，及時(shí)将火災消滅在萌芽階段。

　　一、紅外技術原理(lǐ)

　　紅外輻射是物(wù)體的(de)固有屬性，其本質是物(wù)質内部微觀粒子的(de)熱(rè)運動，任何高(gāo)于絕對(duì)零度以上的(de)物(wù)體(包括固體、液體和(hé)氣體)都有紅外輻射，物(wù)體的(de)溫度越高(gāo)，分(fēn)子或原子運動越劇烈，其紅外輻射越多(duō)。當物(wù)體與周圍背景之間、以及物(wù)體本身不同部位之間存在著(zhe)溫差，就會輻射出不同的(de)能量，紅外成像器利用(yòng)物(wù)體間的(de)紅外輻射差來(lái)探測成像。根據普朗克定理(lǐ)，從熱(rè)力學溫度爲 的(de)物(wù)體的(de)單位面積上，在單位波長(cháng)範圍内所輻射的(de)電磁波的(de)功爲：

　　因而任何物(wù)體在任何時(shí)刻都要源源不斷地向外輻射電磁波。物(wù)體輻射的(de)電磁波是其溫度的(de)函數，通(tōng)常還(hái)與物(wù)體的(de)輻射本領有關。紅外輻射是介于可(kě)見光(guāng)與微波之間的(de)電磁波，其波長(cháng)在0.75um-1000um之間。由于人(rén)的(de)眼睛看不到紅外輻射，需要借助紅外探測系統才能進行觀測。被動式紅外探測系統就是利用(yòng)物(wù)體溫度及其輻射本領的(de)差異制成的(de)，用(yòng)它可(kě)以對(duì)物(wù)體進行探測、測量、跟蹤、搜索和(hé)成像等。

　　來(lái)自目标或輻射源的(de)紅外輻射，經大(dà)氣傳輸後，被光(guāng)學系統接收，調焦并聚焦到紅外探測器的(de)響應平面上，然後把輸入的(de)紅外輻射信号轉變爲電信号，再經過放大(dà)和(hé)處理(lǐ)，最後在顯示系統中顯示出來(lái)，或者驅動執行機構工作。這(zhè)種紅外探測系統結構簡單，能夠直接反映物(wù)體的(de)特征參量。如物(wù)體的(de)溫度或物(wù)體的(de)各部分(fēn)溫度的(de)分(fēn)布情況，物(wù)體的(de)空間方位及其運動情況等等。

　　紅外探測器是紅外熱(rè)像儀的(de)核心器件可(kě)分(fēn)爲熱(rè)探測器和(hé)光(guāng)子探測器兩大(dà)類。熱(rè)探測器是指吸收紅外輻射後，使熱(rè)敏元件溫度升高(gāo)從而引起與溫度有關的(de)物(wù)理(lǐ)參數改變的(de)探測器，如：熱(rè)敏電阻、熱(rè)電耦、熱(rè)釋電電測器等;光(guāng)子探測器是通(tōng)過光(guāng)子與物(wù)質内部電子相互作用(yòng)，産生電子能态變化(huà)而完成光(guāng)電轉換的(de)探測器，分(fēn)爲光(guāng)導型與光(guāng)伏型兩類。光(guāng)導型探測器是當半導體吸收光(guāng)子能量後産生非平衡載流子，參與導電使半導體的(de)電導率增加;光(guāng)伏型探測器是在非本征半導體上形成P-N結，在入射光(guāng)子的(de)作用(yòng)下(xià)産生電子-空穴對(duì)，結間電場(chǎng)使兩類載流子分(fēn)開而産生電動勢。根據探測器單元數，探測器分(fēn)爲單元探測器、線陣列探測器和(hé)面陣探測器。

　　二、預警監控系統組成

　　1、紅外熱(rè)像儀

　　紅外熱(rè)像儀能夠在漆黑(hēi)的(de)夜晚生成鮮明(míng)的(de)圖像，不同于其它技術，紅外熱(rè)像儀無需光(guāng)線亦可(kě)産生鮮明(míng)圖像，其可(kě)穿透薄霧和(hé)煙(yān)霧，在任何天氣條件下(xià)進行拍(pāi)攝，這(zhè)就使其成爲全天候不間斷遠(yuǎn)程監控的(de)絕佳選擇。除了(le)基本的(de)熱(rè)成像功能之外，紅外熱(rè)像儀還(hái)具有測溫功能，數字圖像增強技術和(hé)僞彩色功能。測溫功能可(kě)以幫助工作人(rén)員(yuán)實時(shí)了(le)解所觀測點的(de)溫度信息并分(fēn)析圖像最高(gāo)溫度點出現區(qū)域;數字細節增強技術可(kě)以提高(gāo)紅外成像系統的(de)細節分(fēn)辨能力，方便人(rén)工識别火源及其他(tā)高(gāo)溫目标;僞彩色技術可(kě)以将黑(hēi)白熱(rè)圖像轉換爲彩色圖像，進一步增強圖像的(de)對(duì)比度。

　　2、可(kě)見光(guāng)高(gāo)清相機

　　可(kě)見光(guāng)高(gāo)清相機作爲紅外熱(rè)像儀的(de)輔助，可(kě)以進一步幫助工作人(rén)員(yuán)及時(shí)有效的(de)識别火源;同時(shí)，在後台運行透霧算(suàn)法，可(kě)以有效減弱霧霾天氣對(duì)可(kě)見光(guāng)成像的(de)影(yǐng)響，最大(dà)限度地爲工作人(rén)員(yuán)呈現鮮明(míng)清晰的(de)可(kě)見光(guāng)圖像。

　　3、前端設備

　　紅外可(kě)見光(guāng)雙目熱(rè)源探測與預警網絡視頻(pín)監控系統采用(yòng)一體化(huà)雙光(guāng)譜設計，同時(shí)集雲台護罩、視頻(pín)編碼器于一體，兼有可(kě)見光(guāng)和(hé)紅外夜視功能。可(kě)對(duì)視場(chǎng)範圍内觀測物(wù)體進行全天候實時(shí)監測，自動發現視場(chǎng)中的(de)高(gāo)溫目标并發送目标溫度及報警信息。設備采用(yòng)高(gāo)強度特殊材料，經過特殊加固及密封處理(lǐ)，具有良好的(de)抗震、抗沖擊、防塵等特性，可(kě)滿足室外架設條件，是全天候安防監控的(de)必備設備，産品可(kě)與目前常用(yòng)平台和(hé)控制設備兼容，根據不同監控需求，增加了(le)自動巡航、削蘋果皮、360度螺旋掃描等多(duō)種掃描模式，雲台在掃描過程中通(tōng)過數據通(tōng)道實時(shí)回傳雲台當前水(shuǐ)平、俯仰的(de)方位角位置，通(tōng)過無線網絡對(duì)視頻(pín)信息和(hé)控制信息進行傳輸。

　　4、數據傳輸

　　前端由采集定位系統、傳輸系統、設備防盜監控系統、避雷接地系統、智能太陽能供電系統等組成;中繼由無線網橋、傳輸天線、智能太陽能供電系統、避雷接地系統等組成;中心控制設備終端由網絡視頻(pín)管理(lǐ)系統、地理(lǐ)信息系統、林(lín)火自動識别報警系統、短信發布平台、傳輸系統、電視牆系統、U P S電源等組成。

　　三、森林(lín)防火關鍵技術

　　1、紅外圖像編碼

　　MPEG4是ISO 及IEC 聯合技術委員(yuán)會下(xià)設一個(gè)工作組， 它開發的(de)标準通(tōng)常稱爲MPEG 标準，主要有MPEG-1(VCD)，MPEG-2(DVD 和(hé)數字電視)，MPEG-4(internet 視頻(pín)應用(yòng))，在視頻(pín)監控領域均可(kě)按照(zhào)需求，選用(yòng)這(zhè)些标準。其中MPEG-1 主要針對(duì)1.5Mbit/s 以下(xià)碼率的(de)數字存儲媒體應用(yòng)的(de)活動圖像及其伴音(yīn)編碼;MPEG-2 标準制定了(le)視頻(pín)網上傳播協議(yì)，當MPEG 的(de)視頻(pín)信号打包傳輸流(Transport Stream，TS)後，可(kě)以在廣域網或局域網上實現視頻(pín)的(de)流式播放， 它可(kě)以适應不同應用(yòng)的(de)需要和(hé)不同終端接收設備的(de)限制，其視頻(pín)碼率範圍是220Mbit/s;MPEG-4 标準主要是提供極低速率的(de)視頻(pín)流，使視頻(pín)流在Internet以及移動通(tōng)信網上實現視頻(pín)應用(yòng)。

　　2、圖像預處理(lǐ)

　　系統抓取的(de)是一幅384×288 大(dà)小的(de)RGB 紅外圖像， 在對(duì)圖像進行火點識别之前必須先将圖像轉換爲灰度圖像。經試驗表明(míng)R、G、B3個(gè)分(fēn)量采用(yòng)如下(xià)公式進行轉換得(de)到的(de)灰度圖像效果最好：bmpdata[x,y]= 0.299×red + 0.587×green + 0.114×blue 式中bmpdata [x,y] 表示灰度圖像第x 行第y 列像素的(de)灰度值(大(dà)小是0～255);red、green、blue 分(fēn)别代表RGB 圖像中第x 行第y 列像素的(de)R、G、B 三個(gè)分(fēn)量值。

　　3、火點識别

　　預處理(lǐ)完的(de)灰度圖像與普通(tōng)相機圖片明(míng)顯不同，它不是人(rén)眼能看到的(de)目标可(kě)見光(guāng)圖像，而是目标表面溫度分(fēn)布圖像。由于森林(lín)火災的(de)火焰溫度一般遠(yuǎn)在600°C 以上，在波長(cháng)爲：3～5μm 紅外線的(de)波段上有較強的(de)輻射，而背景的(de)林(lín)地植被的(de)地表溫度一般僅有20～30°C，甚至更低，與火焰有較大(dà)的(de)反差，在圖像上可(kě)清晰的(de)顯示出來(lái)。溫度越高(gāo)的(de)區(qū)域圖像的(de)灰度值就越大(dà)，表現在圖像上就越亮。根據試驗調整紅外攝像機的(de)亮度和(hé)對(duì)比度，使溫度爲100°C 的(de)點在圖像上的(de)灰度值爲150，因此，可(kě)以根據試驗事先設置著(zhe)火點溫度的(de)閥值，當灰度值高(gāo)于這(zhè)一閥值時(shí)系統便認爲發現著(zhe)火點。爲了(le)提高(gāo)系統靈敏度和(hé)可(kě)靠性，火點識别時(shí)還(hái)可(kě)以對(duì)圖像中發現異常點的(de)個(gè)數設置閥值。當發現的(de)異常點超過閥值之後才認爲發現著(zhe)火點。這(zhè)樣不僅可(kě)以盡量減少系統誤報次數，還(hái)可(kě)以提高(gāo)系統工作的(de)可(kě)靠性。

　　四、結束語

　　森林(lín)火災是世界性的(de)林(lín)業重要災害之一，随著(zhe)中國造林(lín)事業的(de)不斷發展，防火工作成爲首要任務。紅外成像應用(yòng)在森林(lín)防火中相比于傳統的(de)防火方式最大(dà)優點就是不需要可(kě)見光(guāng)的(de)支持，這(zhè)對(duì)于受光(guāng)線限制的(de)林(lín)區(qū)或者是在夜間探測的(de)情況下(xià)，極大(dà)的(de)便于火情的(de)早期發現和(hé)預防，而且大(dà)大(dà)降低了(le)森林(lín)防火工作中的(de)成本。

　　由于我國生态建設進程加快(kuài)，森林(lín)資源豐富，風景旅遊區(qū)林(lín)草(cǎo)茂密，以森林(lín)景觀爲主的(de)風景旅遊區(qū)面積不斷擴大(dà)，林(lín)區(qū)可(kě)燃物(wù)增多(duō)，面臨著(zhe)林(lín)火隐患和(hé)森林(lín)火災威脅，防火任務日益艱巨。森林(lín)防火工作仍存在野外火源管理(lǐ)難度大(dà)，林(lín)區(qū)火災隐患增多(duō)等薄弱環節。如何提升森林(lín)防火現代化(huà)水(shuǐ)平，及時(shí)掌握了(le)解各個(gè)林(lín)區(qū)、風景旅遊區(qū)的(de)現狀，及早發現火情，将森林(lín)火災帶來(lái)的(de)損失減少到最小，是目前急需解決的(de)。基于紅外熱(rè)成像原理(lǐ)的(de)森林(lín)防火預警系統，利用(yòng)熱(rè)成像原理(lǐ)與視頻(pín)監控系統結合監測火災及其他(tā)異常事件，易于集成，并實現了(le)網絡化(huà)，是現代森林(lín)防護系統的(de)有效解決方案。

　　【作者單位：天津市公共安全技術防範行業協會】

文章(zhāng)來(lái)自中安網

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