森林火災是一種受天氣條件和生態(tài)環(huán)境影響的嚴重自然災害，突發(fā)性強，破壞性大，撲救難度大，是森林災害。傳統的森 林火災監測以瞭望臺為主, 巡航飛機和衛星測報為輔。瞭望臺通過(guò)用肉眼觀(guān)察煙霧來(lái)發(fā)現森林火情, 一般小火時(shí)煙霧不易發(fā)現, 發(fā)現時(shí)往往已釀成火災, 此時(shí)煙霧彌漫很難發(fā)現火災發(fā)生的位置和發(fā)展方向。通過(guò)觀(guān)察煙霧測定的數據誤差較大, 尤其在夜間觀(guān)測困難。因此，采用視頻監控方式一時(shí)間發(fā)現火情就顯得十分必要。由于普通CCD 受大霧、光線(xiàn)等環(huán)境影響嚴重，觀(guān)測范圍比較小火災識別率不高。如在大面積的森林中，火災往往是由不明顯的隱火引發(fā)的，這是毀滅性火災的根源。用現有的普通監視系統很難發(fā)現這種隱性火災苗頭。而紅外熱像儀應用在森林防火中，相比于普通的的視頻監控方式的大優(yōu)點(diǎn)就是不需要可見(jiàn)光的支持，這對于受光線(xiàn)限制的林區或者是在夜間探測的情況下，極大的便于火情的早期發(fā)現和預防，而且大大降低了森林防火工作中的成本。并且由于紅外熱像儀的感熱特性，應用紅外熱像儀的視頻監控系統可以更迅速地對濃煙、地下火、隱性火等火情進(jìn)行預警，及時(shí)將火災消滅在萌芽階段。

一、紅外技術(shù)原理

紅外輻射是物體的固有屬性，其本質(zhì)是物質(zhì)內部微觀(guān)粒子的熱運動(dòng)，任何高于零度以上的物體(包括固體、液體和氣體)都有紅外輻射，物體的溫度越高，分子或原子運動(dòng)越劇烈，其紅外輻射越多。當物體與周?chē)尘爸g、以及物體本身不同部位之間存在著(zhù)溫差，就會(huì )輻射出不同的能量，紅外成像器利用物體間的紅外輻射差來(lái)探測成像。

因而任何物體在任何時(shí)刻都要*地向外輻射電磁波。物體輻射的電磁波是其溫度的函數，通常還與物體的輻射本領(lǐng)有關(guān)。紅外輻射是介于可見(jiàn)光與微波之間的電磁波，其波長(cháng)在0.75um-1000um之間。由于人的眼睛看不到紅外輻射，需要借助紅外探測系統才能進(jìn)行觀(guān)測。被動(dòng)式紅外探測系統就是利用物體溫度及其輻射本領(lǐng)的差異制成的，用它可以對物體進(jìn)行探測、測量、跟蹤、搜索和成像等。

來(lái)自目標或輻射源的紅外輻射，經(jīng)大氣傳輸后，被光學(xué)系統接收，調焦并聚焦到紅外探測器的響應平面上，然后把輸入的紅外輻射信號轉變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過(guò)放大和處理，后在顯示系統中顯示出來(lái)，或者驅動(dòng)執行機構工作。這種紅外探測系統結構簡(jiǎn)單，能夠直接反映物體的特征參量。如物體的溫度或物體的各部分溫度的分布情況，物體的空間方位及其運動(dòng)情況等等。

紅外探測器是紅外熱像儀的核心器件可分為熱探測器和光子探測器兩大類(lèi)。熱探測器是指吸收紅外輻射后，使熱敏元件溫度升高從而引起與溫度有關(guān)的物理參數改變的探測器，如：熱敏電阻、熱電耦、熱釋電電測器等;光子探測器是通過(guò)光子與物質(zhì)內部電子相互作用，產(chǎn)生電子能態(tài)變化而完成光電轉換的探測器，分為光導型與光伏型兩類(lèi)。光導型探測器是當半導體吸收光子能量后產(chǎn)生非平衡載流子，參與導電使半導體的電導率增加;光伏型探測器是在非本征半導體上形成P-N結，在入射光子的作用下產(chǎn)生電子-空穴對，結間電場(chǎng)使兩類(lèi)載流子分開(kāi)而產(chǎn)生電動(dòng)勢。根據探測器單元數，探測器分為單元探測器、線(xiàn)陣列探測器和面陣探測器。

二、預警監控系統組成

1、紅外熱像儀

紅外熱像儀能夠在漆黑的夜晚生成鮮明的圖像，不同于其它技術(shù)，紅外熱像儀無(wú)需光線(xiàn)亦可產(chǎn)生鮮明圖像，其可穿透薄霧和煙霧，在任何天氣條件下進(jìn)行拍攝，這就使其成為全天候不間斷遠程監控的選擇。除了基本的熱成像功能之外，紅外熱像儀還具有測溫功能，數字圖像增強技術(shù)和偽彩色功能。測溫功能可以幫助工作人員實(shí)時(shí)了解所觀(guān)測點(diǎn)的溫度信息并分析圖像高溫度點(diǎn)出現區域;數字細節增強技術(shù)可以提高紅外成像系統的細節分辨能力，方便人工識別火源及其他高溫目標;偽彩色技術(shù)可以將黑白熱圖像轉換為彩色圖像，進(jìn)一步增強圖像的對比度。

2、可見(jiàn)光高清相機

可見(jiàn)光高清相機作為紅外熱像儀的輔助，可以進(jìn)一步幫助工作人員及時(shí)有效的識別火源;同時(shí)，在后臺運行透霧算法，可以有效減弱霧霾天氣對可見(jiàn)光成像的影響，大限度地為工作人員呈現鮮明清晰的可見(jiàn)光圖像。

3、前端設備

紅外可見(jiàn)光雙目熱源探測與預警網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統采用一體化雙光譜設計，同時(shí)集云臺護罩、視頻編碼器于一體，兼有可見(jiàn)光和紅外夜視功能?？蓪σ晥?chǎng)范圍內觀(guān)測物體進(jìn)行全天候實(shí)時(shí)監測，自動(dòng)發(fā)現視場(chǎng)中的高溫目標并發(fā)送目標溫度及報警信息。設備采用高強度特殊材料，經(jīng)過(guò)特殊加固及密封處理，具有良好的抗震、抗沖擊、防塵等特性，可滿(mǎn)足室外架設條件，是全天候視頻監控的*設備，產(chǎn)品可與目前常用平臺和控制設備兼容，根據不同監控需求，增加了自動(dòng)巡航、削蘋(píng)果皮、360度螺旋掃描等多種掃描模式，云臺在掃描過(guò)程中通過(guò)數據通道實(shí)時(shí)回傳云臺當前水平、俯仰的方位角位置，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對視頻信息和控制信息進(jìn)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(yáng)能供電系統等組成;中繼由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、傳輸天線(xiàn)、智能太陽(yáng)能供電系統、避雷接地系統等組成;中心控制設備終端由網(wǎng)絡(luò )視頻管理系統、地理信息系統、林火自動(dòng)識別報警系統、短信發(fā)布平臺、傳輸系統、電視墻系統、U P S電源等組成。

三、森林防火關(guān)鍵技術(shù)

1、紅外圖像編碼

MPEG4是ISO 及IEC 聯(lián)合技術(shù)委員會(huì )下設一個(gè)工作組， 它開(kāi)發(fā)的標準通常稱(chēng)為MPEG 標準，主要有MPEG-1(VCD)，MPEG-2(DVD 和數字電視)，MPEG-4(internet 視頻應用)，在視頻監控領(lǐng)域均可按照需求，選用這些標準。其中MPEG-1 主要針對1.5Mbit/s 以下碼率的數字存儲媒體應用的活動(dòng)圖像及其伴音編碼;MPEG-2 標準制定了視頻網(wǎng)上傳播協(xié)議，當MPEG 的視頻信號打包傳輸流(Transport Stream，TS)后，可以在廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)上實(shí)現視頻的流式播放， 它可以適應不同應用的需要和不同終端接收設備的限制，其視頻碼率范圍是220Mbit/s;MPEG-4 標準主要是提供極低速率的視頻流，使視頻流在Internet以及移動(dòng)通信網(wǎng)上實(shí)現視頻應用。

2、圖像預處理

系統抓取的是一幅384×288 大小的RGB 紅外圖像， 在對圖像進(jìn)行火點(diǎn)識別之前必須先將圖像轉換為灰度圖像。經(jīng)試驗表明R、G、B3個(gè)分量采用如下公式進(jìn)行轉換得到的灰度圖像效果好：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 列像素的灰度值(大小是0～255);red、green、blue 分別代表RGB 圖像中第x 行第y 列像素的R、G、B 三個(gè)分量值。

3、火點(diǎn)識別

預處理完的灰度圖像與普通相機圖片明顯不同，它不是人眼能看到的目標可見(jiàn)光圖像，而是目標表面溫度分布圖像。由于森林火災的火焰溫度一般遠在600°C 以上，在波長(cháng)為：3～5μm 紅外線(xiàn)的波段上有較強的輻射，而背景的林地植被的地表溫度一般僅有20～30°C，甚至更低，與火焰有較大的反差，在圖像上可清晰的顯示出來(lái)。溫度越高的區域圖像的灰度值就越大，表現在圖像上就越亮。根據試驗調整紅外攝像機的亮度和對比度，使溫度為100°C 的點(diǎn)在圖像上的灰度值為150，因此，可以根據試驗事先設置著(zhù)火點(diǎn)溫度的閥值，當灰度值高于這一閥值時(shí)系統便認為發(fā)現著(zhù)火點(diǎn)。為了提高系統靈敏度和可靠性，火點(diǎn)識別時(shí)還可以對圖像中發(fā)現異常點(diǎn)的個(gè)數設置閥值。當發(fā)現的異常點(diǎn)超過(guò)閥值之后才認為發(fā)現著(zhù)火點(diǎn)。這樣不僅可以盡量減少系統誤報次數，還可以提高系統工作的可靠性。

四、結束語(yǔ)

森林火災是世界性的林業(yè)重要災害之一，隨著(zhù)中國造林事業(yè)的不斷發(fā)展，防火工作成為首要任務(wù)。紅外成像應用在森林防火中相比于傳統的防火方式大優(yōu)點(diǎn)就是不需要可見(jiàn)光的支持，這對于受光線(xiàn)限制的林區或者是在夜間探測的情況下，極大的便于火情的早期發(fā)現和預防，而且大大降低了森林防火工作中的成本。

由于我國生態(tài)建設進(jìn)程加快，森林資源豐富，風(fēng)景旅游區林草茂密，以森林景觀(guān)為主的風(fēng)景旅游區面積不斷擴大，林區可燃物增多，面臨著(zhù)林火隱患和森林火災威脅，防火任務(wù)日益艱巨。森林防火工作仍存在野外火源管理難度大，林區火災隱患增多等薄弱環(huán)節。如何提升森林防火現代化水平，及時(shí)掌握了解各個(gè)林區、風(fēng)景旅游區的現狀，及早發(fā)現火情，將森林火災帶來(lái)的損失減少到小，是目前急需解決的?；诩t外熱成像原理的森林防火預警系統，利用熱成像原理與視頻監控系統結合監測火災及其他異常事件，易于集成，并實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )化，是現代森林防護系統的有效解決方案。