基于红外热成像的森林防火监测预警系统的制作方法

本发明涉及森林防火监控领域，尤其涉及一种基于红外热成像的森林防火监测预警系统。

背景技术：

森林火灾是森林最危险的敌人，也是林业最可怕的灾害，它会给森林带来最有害，最具有毁灭性的后果。森林火灾不但烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的繁殖能力，引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚至会导致生态环境失去平衡。尽管当今世界的科学在日新月异地向前发展，但是，人类在制服森林火灾上，却依然尚未取得长久的进展。

目前，市场上针对森林防火预警监测的方式主要有地面巡护、瞭望台监测、航空巡护和卫星遥感等。

其中，地面巡护的主要任务是宣传群众，控制人为火源，深入瞭望台观测的死角进行巡逻。对来往人员及车辆，野外生产和生活用火进行检查和监督。存在的不足是巡护面积小、视野狭窄、确定着火位置时，常因地形地势崎岖、森林茂密而出现较大误差；在交通不便、人烟稀少的偏远山区，无法进行地面巡护，需用各种交通工具费用及人员工资费用，只能用视频监测方法来弥补。

航空巡护，是利用巡护飞机进行林火的探测。它的优点是巡护视野宽、机动性大、速度快同时对火场周围及火势发展能做到全面观察，可及时采取有效措施。但也存在着不足：固定飞行费用较高，飞行成本高。夜间、大风天气、阴天能见度较低时难以起飞，同时巡视受航线、时间的限制，而且观察范围小，只能一天一次对某一林区进行观察。如果错过观察时机，当日的森林火灾就观察不到，容易酿成大灾，这就需要用定点视频监测来弥补其不足。

而利用卫星遥感进行森林防火预警监测时，由于卫星远离地球表面和火情发生区域，利用卫星传感器(例如noaa-avhrr传感器)采集影像数据判断火情的准确率较低，需要花费大量的人力、物力、财力进行火情核实，造成资源的浪费。

由于上述森林防火预警监测的方式在林火的发现与预警中都存在一些缺陷，因此，目前有林区尝试使用非制冷红外温度探测器来实现大空间范围内对林火的预警。利用红外温度探测器对所监测区域的物体表面温度自动地进行不间断的、24小时的实时测量。但在实际应用中，这种技术手段也存在如下问题：1)由于物体发出的红外辐射能量在到达红外温度探测器时会受到距离、空气湿度、大气透射率等预先无法确定的因素的影响，而产生不确定的能量损耗。所以在监测范围内，难以确定不同距离处、不同湿度条件下的报警温度。若报警温度设置得较低，误报率就会增高；若报警温度设置得较高，则易导致火情漏报。2)通过红外图像仅能看到人或物体的热轮廊，无法看清物体的真实面目，使得红外热成像相机缺乏细节分辨能力，若有火灾发生，通过红外图像难以明确了解监测区域的火灾情况。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于红外热成像的森林防火监测预警系统及系统，解决传统基于红外温度探测器的森林防火预警监测系统，报警温度阈值设置不当会造成火情漏报或误报，并且通过红外图像仅能看到人或物体的热轮廊，难以明确了解监测区域的火灾情况的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种基于红外热成像的森林防火监测预警系统，包括若干热成像双光谱摄像机、报警服务器和报警客户端，所述报警服务器的一端与热成像双光谱摄像机通过网络连接，另一端连接所述报警客户端；

所述热成像双光谱摄像机包括一体化集成设置的红外热成像摄像机和可见光摄像机，所述热成像双光谱摄像机用于获取监测区域的温度数据和视频图像数据；其中，所述视频图像数据包括可见光视频图像数据和红外视频图像数据。

所述报警服务器包括依次相连的数据采集模块、特征提取模块和报警服务模块；所述数据采集模块用于从热成像双光谱摄像机中采集所述温度数据和视频图像数据，将所述温度数据传输至特征提取模块，并将所述视频图像数据传输至报警客户端，以供报警客户端显示监测区域的视频图像；所述特征提取模块用于从温度数据提取监测区域的温度波动特征，若根据温度波动特征判断获知监测区域发生温度异常波动，则输出温度异常波动信息至报警服务模块；所述报警服务模块根据温度异常波动信息，向报警客户端发出报警提示。

本发明的有益效果是：本发明根据热成像双光谱摄像机采集的温度数据判断温度异常波动，根据温度异常波动发出报警提示。与现有技术相比，本发明不需设置报警温度阈值，而是通过温度异常波动来判断火情的发生，解决了传统森林防火预警监测系统的报警温度阈值设置不当易造成火情漏报或误报的问题。本发明将可见光视频图像数据和红外视频图像数据传输至报警客户端，在报警客户端显示监测区域的可见光视频图像和红外视频图像，在发生火情时工作人员通过报警客户端能够查看监测区域的可见光视频图像，从而精确了解监测区域的火灾情况。解决了传统森林防火预警监测系统通过红外图像仅能看到人或物体的热轮廊，难以明确了解监测区域的火灾情况的问题。

进一步，所述红外热成像摄像机包括红外热像仪，所述红外热像仪用于对监测区域的被测物体进行辐射探测，将辐射能转换成为与辐射能量成正比的电信号，进而将所述电信号转换成为被测物体的温度数据；所述红外热像仪还用于将被测物体发出的红外能量转化为红外热图像。

进一步，所述特征提取模块具体用于：

从温度数据中提取监测区域的温度波动特征，若所述监测区域的温度波动特征若表现为温度是连续变化的，则判定没有发生温度的异常波动；若判断获知监测区域的温度波动特征若表现为温度突变，则判定监测区域发生了温度的异常波动，并输出温度异常波动信息至报警服务模块。

进一步，所述森林防火监测预警系统还包括特征分析模块；

所述特征分析模块分别连接所述特征提取模块和报警服务模块，所述特征分析模块用于从特征提取模块中获取监测区域的温度波动特征，判断监测区域在当前探测时刻与上一探测时刻的温度波动特征是否具有相似性，若两个探测时刻的温度波动特征不相似，则特征分析模块判断温度波动特征不相似对应的区域中，被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射；

若判断获知被测物体的热辐射不是非林火类热辐射，则输出报警信息至报警服务模块，以使报警服务模块发出报警提示至报警客户端。

进一步，所述特征分析模块判断温度波动特征不相似的区域中，被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射，具体包括：

通过被测物体的空间位置来判断被测物体的热辐射是否为非林火类辐射；或者，

通过被测物体所属区域的地形类型判断被测物体的热辐射是否为非林火类辐射。

进一步，所述特征分析模块判断温度波动特征不相似的区域中，被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射，还包括：

特征分析模块将被测物体的温度波动特征与样本波动数据库中预先存储的样本特征进行比较，判断被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射；其中，所述样本波动数据库中存储有各类地理特征对应的温度波动特征。

进一步，所述红外热成像摄像机和可见光摄像机的视场相同。

进一步，所述热成像双光谱摄像机通过第一网络通信传输设备连接网络，所述报警服务器通过第二网络通信传输设备连接网络。

进一步，所述森林防火监测预警系统还包括云台，所述热成像双光谱摄像机架设在云台上，所述云台用于支撑所述热成像双光谱摄像机360°转动。

进一步，所述森林防火监测预警系统还包括编码器，所述编码器的一端与所述热成像双光谱摄像机连接，用于分别对所述可见视频图像数据和红外视频图像数据进行编码，所述编码器的另一端通过第一网络通信传输设备与所述报警服务器建立网络连接，用于将编码后的可见视频图像数据和红外视频图像数据传输至报警服务器。

采用上述进一步方案的有益效果是：

1)通过特征分析模块判断当前探测时刻与上一探测时刻的温度波动特征是否具有相似性，能够正确识别非林火类热辐射，有效地排除了红外热成像摄像机对于非林火类热辐射(例如炊烟、汽车引擎和轮胎、冰雪反光引起的热辐射等)的误报，提高了火情判断的准确性，一定程度上避免了火情漏报造成的安全隐患和财务损失，也避免了火情误报造成的出警资源浪费，从而提高了森林防火预警系统的可靠性。

2)将热成像双光谱摄像机架设在云台上，每一热成像双光谱摄像机架对应设置一个云台，通过云台可以辅助红外热成像摄像机对其周围区域进行全视野范围内的监测，扩大了热成像双光谱摄像机的监测视场。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于红外热成像的森林防火监测预警系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一基于红外热成像的森林防火监测预警系统的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、热成像双光谱摄像机，2、报警服务器，3、报警客户端，4、数据采集模块，5、特征提取模块，6、特征分析模块，7、报警服务模块，8、云台，9、编码器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于传统基于红外温度探测器的森林防火预警监测系统，红外温度探测器时受到距离、空气湿度、大气透射率等因素的影响，而产生不确定的能量损耗，难以确定不同空间位置的报警温度阈值，而报警温度阈值设置不当易造成火情漏报或误报。再有，传统基于温度探测器的森林防火预警监测系统，通过红外图像仅能看到人或物体的热轮廊，难以明确了解监测区域的火灾情况。

针对上述问题，本发明实施例提供一种基于红外热成像的森林防火监测预警系统，如图1所示，该系统包括若干热成像双光谱摄像机1、报警服务器2和报警客户端3，所述报警服务器2的一端与热成像双光谱摄像机1通过网络连接，另一端连接所述报警客户端3；

所述热成像双光谱摄像机1包括一体化集成设置的红外热成像摄像机和可见光摄像机，所述热成像双光谱摄像机1用于获取监测区域的温度数据和视频图像数据；其中，所述视频图像数据包括可见光视频图像数据和红外视频图像数据。可以理解的是，森林防火监测预警系统包括至少一个热成像双光谱摄像机1，本发明以热成像双光谱摄像机的数量为一个为例进行说明。

需要说明的是，传统以红外热成像相机为核心的森林防火监控系统，虽然具有全天候探测能力，但红外热成像相机缺乏细节分辨能力，若有火灾发生，不能明确的知道火灾情况。针对这一问题，本实施例采用热成像双光谱摄像机1采集监测区域的温度数据和视频图像数据。热成像双光谱摄像机1包括一体化集成设置红外热成像摄像机和可见光摄像机。区别于常用的红外热成像摄像机仅能获取温度数据和红外图像。热成像双光谱摄像机1能够采集监测区域的可见光视频图像数据和温度数据。在发生火情时，通过可见光视频图像数据更清晰的了解监测现场的火灾状况。本实施例中，“火情”即是指火灾情况。

所述报警服务器2包括依次相连的数据采集模块4、特征提取模块5和报警服务模块7；所述数据采集模块4用于从热成像双光谱摄像机1中采集所述温度数据和视频图像数据，将所述温度数据传输至特征提取模块5，并将所述视频图像数据传输至报警客户端3，以供报警客户端3显示监测区域的视频图像。可以理解的是，传统基于温度探测器的森林防火预警监测系统，通过红外图像仅能看到人或物体的热轮廊，难以明确了解监测区域的火灾情况。而本实施例中，在报警客户端3显示监测区域的可见光视频图像和红外视频图像，在发生火情时工作人员通过报警客户端3能够查看监测区域的可见光视频图像，从而能够精确了解监测区域的火灾情况。

所述特征提取模块5用于从温度数据提取监测区域的温度波动特征，若根据温度波动特征判断获知监测区域发生温度异常波动，则输出温度异常波动信息至报警服务模块7；所述报警服务模块7根据温度异常波动信息，向报警客户端发出报警提示。

具体的，传统基于红外温度探测器的森林防火预警监测系统，设置报警温度阈值，若采集的温度数据达到报警温度阈值则判断发生火情，进行报警。然而，由于物体发出的红外辐射能量在到达红外温度探测器时会受到距离、空气湿度、大气透射率等因素的影响，会产生不确定的能量损耗。在大空间监测范围内，难以确定不同距离处、不同湿度条件下的报警温度阈值。若报警温度阈值设置得较低，会导致火情误报，造成出警资源的浪费；若报警温度设置得较高，则火情漏报率就会增高，导致火情报警不及时，造成安全问题。而本发明实施例提供的森林防火预警监测系统，通过特征提取模块5从温度数据提取监测区域的温度波动特征，如果根据温度波动特征判断获知监测区域发生温度异常波动，则输出温度异常波动信息至报警服务模块7，以供报警服务模块7根据温度异常波动信息，向报警客户端发出报警提示。与现有技术依据报警温度阈值来判断火情的发生相比，本实施例的特征提取模块通过监测区域的温度异常波动来判断火情的发生，解决了现有技术中报警温度阈值设置不当易造成火情漏报或误报的问题。本实施例中，温度波动特征可以理解为温度随时间的变化特征。

本发明实施例提供的基于红外温度探测器的森林防火预警监测系统，根据热成像双光谱摄像机采集的温度数据判断温度异常波动，根据温度异常波动发出报警提示。与现有技术相比，本发明不需设置报警温度阈值，而是通过温度异常波动来判断火情的发生，解决了传统森林防火预警监测系统的报警温度阈值设置不当易造成火情漏报或误报的问题。本发明将可见光视频图像数据和红外视频图像数据传输至报警客户端，在报警客户端显示监测区域的可见光视频图像和红外视频图像，在发生火情时工作人员通过报警客户端能够查看监测区域的可见光视频图像，从而精确了解监测区域的火灾情况。解决了传统森林防火预警监测系统通过红外图像仅能看到人或物体的热轮廊，难以明确了解监测区域的火灾情况的问题。

基于上述实施例，所述红外热成像摄像机包括红外热像仪，所述红外热像仪用于对监测区域的被测物体进行辐射探测，将辐射能转换成为与辐射能量成正比的电信号，进而将所述电信号转换成为被测物体的温度数据；所述红外热像仪还用于将被测物体发出的红外能量转化为红外热图像。

本实施例通过红外热像仪采集监测区域的温度数据，为特征提取模块从温度数据提取监测区域的温度波动特征提供数据支持。

基于上述任一实施例，所述特征提取模块5具体用于：

从温度数据中提取监测区域的温度波动特征，若所述监测区域的温度波动特征若表现为温度是连续变化的，则判定没有发生温度的异常波动；若判断获知监测区域的温度波动特征若表现为温度突变，则判定监测区域发生了温度的异常波动，并输出温度异常波动信息至报警服务模块7。

具体地，当监测区域没有温度异常波动时，特征提取模块获得的温度数据中，温度波动特征表现的温度变化应是连续平滑的，没有突变，即使不同区域地形类型的温度波动特征有差异，例如河流的温度通常较低，而路面的温度由于日晒通常较高，因此在河流和路面的交界处往往温度的变化较大。但在不同区域的交界处，其温度变化依然是连续的。

如果在监测区域存在温度异常波动，例如出现野外明火、高温烟雾或高温热源，则特征提取模块在上述温度异常波动对应的区域内所提取的温度波动特征表现为温度突变。温度波动特征即是温度变化的特征。当特征提取模块判定监测区域的温度波动特征若表现为温度突变时，将温度的异常波动信息发送给报警服务模块7，由报警服务模块7向报警客户端发出报警提示。

传统基于红外温度探测器的森林防火监测预警系统利用热红外成像技术，将温差转换成实时视频图像显示出来。然而通过红外图像仅能看到人或物体的热轮廊，无法看清物体的真实面目。因此，通过非制冷红外温度探测器无法识别出热辐射是源自于林火还是诸如汽车引擎及轮胎、炊烟等非林火类热辐射，从而导致了误报率的增加。针对这一问题，基于上述任一实施例，图2为本发明实施例提供的另一基于红外热成像的森林防火监测预警系统的结构示意图，如图2所示，所述森林防火监测预警系统还包括特征分析模块6，所述特征分析模块6分别连接所述特征提取模块5和报警服务模块7，所述特征分析模块6用于从特征提取模块中获取监测区域的温度波动特征，判断监测区域在当前探测时刻与上一探测时刻的温度波动特征是否具有相似性，若两个探测时刻的温度波动特征不相似，则特征分析模块6判断温度波动特征不相似对应的区域中，被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射；

若判断获知被测物体的热辐射不是非林火类热辐射，则输出报警信息至报警服务模块7，以使报警服务模块7发出报警提示至报警客户端。

具体地，参照图2，特征分析模块6分别连接特征提取模块和报警服务模块7，从特征提取模块中获取监测区域的温度波动特征，判断监测区域在当前探测时刻与上一探测时刻的温度波动特征是否具有相似性。其中，本实施例通过红外热像仪用于对监测区域的被测物体进行辐射探测，获取被测物体的温度数据。特征分析模块6判断监测区域在当前探测时刻与上一探测时刻的温度波动特征是否具有相似性，是指判断经由特征提取模块获得的红外热成像摄像机在这两个探测时刻探测的特征数据是否有明显的变化。如果温度波动特征发生了明显的变化，能够判定在此处温度发生了快速上升，原因可能是发生火情导致，但也可能是非林火类热辐射导致。比如阳光照在岩石上或冰面上也可能引起温度的快速上升。其中，非林火类热辐射是指非野外明火、也不是引起野外明火的火源的其它热辐射，比如冰面反光，轮胎摩擦公路地面的摩擦热，汽车引擎发热，太阳照射石头积累的热辐射等。

进一步地，为了判断温度波动特征不相似对应的区域是否真的发生了火情，需要继续判断温度波动特征不相似对应的区域中，被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射。如果判定不是非林火类热辐射，则可以判定两个探测时刻的温度波动特征不相似是发生火情导致。此时特征分析模块6输出报警信息至报警服务模块7，以使报警服务模块7发出报警提示至报警客户端。

特征分析模块6可以是台式计算机，特征分析模块6可以通过物理连接方式或网络连接方式与所述特征提取模块连接，在此不作具体限制。

通过上述实施例可知，如果特征分析模块判断获知两个探测时刻的温度波动特征不相似，则还需要判断温度波动特征不相似对应的区域中，被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射。针对这一问题，基于上述任一实施例，所述特征分析模块判断温度波动特征不相似的区域中，被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射，具体包括：

通过被测物体的空间位置来判断被测物体的热辐射是否为非林火类辐射；或者，通过被测物体所属区域的地形类型判断被测物体的热辐射是否为非林火类辐射。

具体的，对于炊烟、被晒热了的石头等具有固定位置的非林火类热辐射，可以通过热辐射源的空间位置来判断被测物体的热辐射是否为非林火类辐射。例如热辐射源仅出现在地面以上的高处，则可以判断热辐射源是炊烟。而对于汽车引擎及轮胎等不具有固定位置的非林火类热辐射，可以通过被测物体所属区域的地形类型(例如道路、河流、村庄、林地等)来判断被测物体的热辐射是否为非林火类辐射。

本实施例通过上述方法识别非林火类热辐射，有效地排除了红外热成像摄像机对于非林火类热辐射(例如炊烟、汽车引擎和轮胎、冰雪反光引起的热辐射等)的误报，提高了火情判断的准确性，有效避免了火情漏报造成的安全隐患和财务损失，也避免了火情误报造成的出警资源浪费，从而提高了森林防火预警系统的安全性和可靠性。

基于上述任一实施例，所述特征分析模块判断温度波动特征不相似的区域中，被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射，还包括：

特征分析模块将被测物体的温度波动特征与样本波动数据库中预先存储的样本特征进行比较，判断被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射；其中，所述样本波动数据库中存储有各类地理特征对应的温度波动特征。

具体地，可以通过将监测区域中被测物体的温度波动特征与样本波动数据库中预先存储的样本特征进行比较，判断被测物体的热辐射是否为非林火类热辐射。样本波动数据库中存储有各类地理特征(例如河流、道路、炊烟)对应的温度波动特征。其中，河流、道路、炊烟各自具有自身的温度波动特征。例如，如果温度波动特征不相似的区域中，被测物体的温度波动特征与炊烟的温度波动特征相同或接近相同，则可以判断被测物体的热辐射是非林火类热辐射。

进一步地，本实施例中，可以在样本波动数据库中存储某一区域的温度波动特征的样本，比如先将正常情况下(未发生火情)某段林区的温度波动特征作为样本存储，再将实时探测到的该段林区的温度波动特征与预先存储的样本相比较，如果相似，说明对应林区此时未发生火情。如果温度波动特征不相似，则判断林区发生火情。

样本波动特征库具有的自我学习能力，逐渐地积累波动样本。样本波动特征库的学习样本来自于火情的确报、误报和漏报事件中系统自动记录下来的温度波动特征。样本波动特征库的这种自我学习能力使得整个系统可以持续地改进和不断地完善针对各种特定热辐射源的甄别能力。

基于上述任一实施例，所述红外热成像摄像机和可见光摄像机的视场相同。本实施例中，热成像双光谱摄像机1包括一体化集成设置红外热成像摄像机和可见光摄像机。红外热成像摄像机和可见光摄像机的视场相同，便于后续对可见光视频图像数据和红外视频图像数据的融合处理。

基于上述任一实施例，参照图2，所述热成像双光谱摄像机1通过第一网络通信传输设备连接网络，所述报警服务器2通过第二网络通信传输设备连接网络。

基于上述任一实施例，所述森林防火监测预警系统还包括云台8，所述热成像双光谱摄像机1架设在云台8上，所述云台8用于支撑所述热成像双光谱摄像机360°转动。

本实施例将热成像双光谱摄像机架设在云台8上，每一热成像双光谱摄像机架对应设置一个云台8，通过云台8可以辅助红外热成像摄像机对其周围区域进行全视野范围内的监测，扩大了热成像双光谱摄像机的监测视场。

基于上述任一实施例，所述森林防火监测预警系统还包括编码器9，所述编码器9的一端与所述热成像双光谱摄像机连接，用于分别对所述可见视频图像数据和红外视频图像数据进行编码，所述编码器9的另一端通过第一网络通信传输设备与所述报警服务器2建立网络连接，用于将编码后的可见视频图像数据和红外视频图像数据传输至报警服务器2。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。