红外图像和视频分析的林火监测技术

据统计，全世界年均发生森林火灾达22余万起，过火森林面积达640多万公顷，约占森林总面积的1.8%。“预防为主，积极消灭”的防火方针代表当今国际上森林防火的主流理念，如何将高科技手段应用到森林资源监测，对火情做到早发现、早预报、早扑救，变有灾为无灾、变大灾为小灾已成为世界各个国家森林防火工作的一项重大课题。
目前，森林火灾预防与监控的方法主要有地面巡护、瞭望台监测、航空巡护和卫星遥感。随着视频技术、红外技术、GIS与GPS技术、无线通信技术等高科技的发展，近几年国内外的林火监测都在逐步引进这些新技术，也已经取得了一些成果。如德国的Fire-Watch System森林火灾自动预警系统是利用数码摄像技术即时识别与定位森林火灾；美国的智能微尘监测网络是通过直升机飞播温度传感器来了解火灾情况；德国发明的防火机器昆虫是通过红外线和生物传感技术监视森林里的温度来判断是否发生火灾；而葡萄牙的“F3”森林火灾探测系统则是在探测到烟雾后对大气进行化学分析然后发出警报。随着科学技术的发展，森林防火工作正日益走向智能化、系统化、综合化。 
火灾是一种失去控制的燃烧所造成的灾害，物体发生燃烧时物体自身的温度与时间曲线如图所示：

图1  可燃物从正常工作状态到燃烧阶段温度变化特性 

物体在通常状态到火灾阶段一般分为四个阶段，即正常工作状态(AB)、温度升高阶段(BC)、燃烧初起阶段(CD)和火灾阶段(DE)。目前，基于可见光的感温、感烟探测器是对CD及以后阶段的林火信号进行探测，但此时林火已经发生，损失或灾害已形成，可以说，
它是一种火灾发生后的弥补措施，一定程度可以减少火灾造成的损害，但不可避免发生火灾。而红外林火探测器探测的阶段为BC阶段，即出现异常情况但尚未发生林火的阶段。其实现了林火的早期探测，在火灾尚未发生之前探测出潜在的隐患并警告工作人员及时采取措施，排除故障，从而避免林火的发生，是体现防范胜于救灾的关键。同时，红外林火探测器利用红外线的“大气窗口”,在完全无光的夜晚,或是在雨、雪等烟云密布的恶劣环境，能够清晰地观察到所需监控的目标，是一种24小时全天候的技术手段。又由于红外探测技术利用的是热红外线，因而不受电磁干扰，能够实现精确探测。并且红外线的波长很长，作用距离远，探测范围广，覆盖面积大，非常适用于森林这种大面积空间室外环境的火灾探测。 
由于红外林火探测器采用热红外成像技术探测温度，成像是依靠温差，而一般情况下森林中物体温差不是很大，因此相对于人眼而言，红外图像对比度低、分辨率低、分辨潜力差。热成像系统的探测能力和空间分辨率低于可见光CCD阵列，红外图像的清晰度低于可见光图像。且在火灾的初期增长和充分发展阶段，火灾火焰一般具有较为明显的视觉特性，如阴燃亮光、火焰颜色、闪烁和外形变化等。同时，森林火灾通常伴有浓烟，其也具有颜色和形状等方面的明显视觉特性。因此，在林火预警后的火点检测与研究中，应用可见光图像的视觉特性的视频分析技术进行火点识别、火势估计、监视林火发生发展的全过程，明显优于红外图像识别分析。
文中即提出了一种基于红外图像和视频分析技术相结合的林火监测方法，发挥了红外检测和视频分析各自的优点，具有较高的林火检测和火焰定位准确率。
本文来自《基于红外图像和视频分析的林火监测技术》节选部分

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