CN102280005B - 基于红外热成像技术的森林防火预警系统及方法 - Google Patents

基于红外热成像技术的森林防火预警系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于红外热成像技术的森林火灾预警系统，包括：红外摄像头，架设在林地制高点，用以拍摄监控区域的红外热图，其包括前端测温及报警模块，应用温度监控数学模型计算报警温度值，并针对其中的异常情况输出超温报警信号；视频转换设备，与红外摄像头连接，将其输出的红外热图模拟信号转换为红外数字信号，同时接收红外摄像头的超温报警信号，并将此信号转换为数字信号；以及监控计算机，用以生成并输出针对该红外摄像头的控制信号，以及用以接收红外数字信号并对其进行分析和处理，确定红外摄像头报警时的监控区域的位置，并自动生成解决方案报告指挥中心。本发明能够适应森林火灾监控自动预警的复杂环境条件和监控要求，确保了报警精确度。

Description

基于红外热成像技术的森林防火预警系统及方法
技术领域
本发明涉及环境监控技术领域，尤其是涉及一种基于红外热成像技术的森林防火预警系统及方法。
背景技术
目前，业已将红外热成像技术和红外测温技术应用到森林火灾自动预警技术领域中的相关方面，其实现方式主要是以红外热像仪作为监控摄像平台，通过接收被测物体发射的红外线，将被测物体表面的红外辐射转变成视频信号，形成视频图像；再经专用软件分析，捕捉监控视频中的最高温度点；将最高温点与预设报警温度进行比较，最高温点超过该预设报警温度则触发报警。
现有的红外超温监控及预警技术中，通过被测环境中温度的变化对比来实现成像与报警，并实现屏幕最高温点的捕捉，当仪器探测到的最高温点的温度值高出报警温度的设定参数值时，即可实现报警。
然而，森林防火预警的监控方式自有其不同于一般环境监控的特殊性，现有的红外监控方式中的最高温度预警算法无法满足森林防火监控需求，究其原因主要有以下方面：1、森林防火监控的距离远、监控区域辽阔，对红外监控产品的技术要求极高，但由于距离远可能产生的温度检测误差不可避免，这就造成仪器探测到的最高温度值可能不准确。2、森林监控的环境因素非常复杂，不同季节、昼夜温差、南北纬度和变化多端的地形地貌都会使其整体或局部气候充满变数，难以预料，也难以推导或概括出其变化趋势。这样，报警温度的参考数值受季节、昼夜、地区纬度等温度变化和气候变化的影响而应该上下浮动，但其具体数值却难以随机设定，这就给红外热像监控产品在不同季节的准确温度测量和精确报警带来难题。
发明内容
针对现有的红外测温技术在森林防火中存在的不足，本发明基于红外热成像技术而开拓出一种全新的森林火灾预警系统及方法，其采用更适用于森林监控环境条件下的实际应用场合和更能满足森林火灾预警特别需求的温度监控数学模型及其算法。该算法能针对不同的环境温度自动修订报警温度值，该报警温度值能根据季节天气等温度变化而随之变化，以确保监控预警系统的报警精确度，最大限度地减少发生森林火灾的可能性，以及由于突发性火灾带来的经济、人员损失。
为实现上述目的，本发明提供一种基于红外热成像技术的森林火灾预警系统，其包括：红外摄像头，架设在需要实施火灾预警监控的林地制高点，用以拍摄其中一个监控区域的红外热图，并输出与该监控区域的包含有温度测量值T的红外热图相关的红外热图模拟信号，其中该红外摄像头包括前端测温及报警模块，其应用包含于其中的温度监控数学模型进行计算，获得报警温度值Talarm，并针对其中的异常情况输出超温报警信号；视频转换设备，与该红外摄像头连接，将该红外摄像头输出的红外热图模拟信号转换为用于标准网络传输的红外数字信号，以及接收来自该红外摄像头的超温报警信号，并将此信号转换为数字信号；以及监控计算机，用以生成并输出针对该红外摄像头的控制信号，以及用以接收所述红外数字信号并对其进行分析和处理，在接收到所述超温报警信号的数字信号时，基于所述分析确定险情发生位置。
根据本发明的实施例，该前端测温及报警模块包括报警单元，在该报警单元中设置有该温度监控数学模型，针对该温度监控数学模型和所述温度测量值T进行计算以确定：
预设报警温度Tset，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定常数值或可变常数值作为该预设报警温度Tset；
等温容许宽度δt，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定温差值或可变温差值作为该等温容许宽度δt；
基准区域S，根据该红外摄像头(1)的监测参数及安装位置确定一个基准区域，该基准区域最小为该红外摄像头(1)的一个像素所表示的监测面积，最大为该红外摄像头(1)的监控画面全屏所表示的监测面积；以及
基准区域平均温度Ts，基于该基准区域S的监控画面自动捕捉该基准区域S中的平均温度；以及
最高温点温度Th，基于对该监控区域的实时监控画面和其中所包含的温度测量值T自动捕捉其最高温点的温度值Th，其中
报警温度值Talarm＝基准区域平均温度Ts+等温容许宽度δt。
根据本发明的实施例，针对所述异常情况进行超温报警的条件是：
当最高温点温度Th≥报警温度值Talarm时，该前端测温及报警模块进行超温报警；以及
当最高温点温度Th≥预设报警温度Tset时，该前端测温及报警模块进行超温报警。
根据本发明的实施例，该前端测温及报警模块还包括依次连接的镜头、探测器、AD板和伪彩板，在所述伪彩板中还设置有测温单元和该报警单元，其中由该测温单元测量所得的温度测量值T被输入至该报警单元中，利用安装在该报警单元中的温度监控数学模型进行计算，以获得报警温度值Talarm，并针对其中的异常情况输出超温报警信号至所述视频转换设备。
根据本发明的实施例，该系统还包括：可见光摄像头，设置在该红外摄像头附近，用以拍摄监控区域的可见光图像，并输出与该监控区域的可见光图像相关的可见光图像模拟信号，其中所述视频转换设备还连接至该可见光摄像头，并将该可见光摄像头输出的可见光图像模拟信号转换为用于标准网络传输的可见光数字信号；以及该监控计算机还生成并输出对所述多个可见光摄像头的控制信号，并用以接收所述可见光数字信号，并将所接收的可见光数字信号和所接收的红外数字信号结合起来进行分析和处理，以针对其中的异常情况进行超温报警和确定险情发生位置。
根据本发明的实施例，该红外摄像头和该可见光摄像头的拍摄方位通过与其安装为一体的云台的驱动而改变，该云台经由485串口连接至所述视频转换设备以进行彼此之间的数据通信。
根据本发明的实施例，该系统还包括：防护罩，将该红外摄像头、可见光摄像头连同各自的内部电源一起集成在该防护罩内。
根据本发明的实施例，所述视频转换设备包括：网络数据转换单元，其将来自摄像头的模拟信号转换为用于标准网络传输的数字信号，其中所述摄像头包括该红外摄像头和该可见光摄像头，所述模拟信号包括红外热图模拟信号和可见光图像模拟信号，所述数字信号包括红外数字信号和可见光数字信号；以及云台控制单元，将该监控计算机通过网络传过来的云台控制信号转换为485串口控制信号，控制所对应的云台进行相应操作，以及通过485串口接收来自云台的状态信息并将其传送至该监控计算机。
根据本发明的实施例，该监控计算机包括：
数据输入接口，接收来自该视频转换设备的所述数字信号；以及数据分析模块，应用森林火灾分析处理软件对来自数据输入接口的所述数字信号进行截图处理和数据分析，根据处理后数据来确定该监控区域的火灾险情及其发生位置，以及生成用来控制所述红外摄像头和所述可见光摄像头的云台控制信号。
根据本发明的实施例，该监控计算机还包括：存储模块，将所述处理后数据及确定结果存储其中；以及显示模块，用以直观显示监控区域的红外热图视频画面、险情发生位置及建议处置方案。
根据本发明的实施例，该监控计算机的数据输入接口通过EPON光链路与该视频转换设备进行数据传送和网络通信。
根据本发明的实施例，该前端测温及报警模块还包括镜头、探测器、AD板和伪彩测温板，用以精确实现针对监控区域的远距离红外热图拍摄和温度测量。
根据本发明的实施例，该系统还包括交换机或集线器，通过网线与该视频转换设备和该监控计算机连接以进行两者之间的网络通信。
为实现上述目的，本发明还提供一种基于红外热成像技术的森林火灾预警方法，其应用如上所述的森林火灾预警系统来进行森林火灾预警，该方法包括以下步骤：
S1)启动架设在需要实施火灾预警监控的林地制高点处的红外摄像头(1)、可见光摄像头(5)和视频转换设备(2)，对监控区域进行红外热图和可见光图像的拍摄；
S2)通过无线或有线网络通信，接收来自监控计算机(3)的云台控制信号，以控制所述红外摄像头(1)和可见光摄像头(5)的拍摄方位；
S3)由前端测温及报警模块(11)应用温度监控数学模型进行计算，获得报警温度值Talarm，并针对其中的异常情况输出超温报警信号；
S4)将所拍摄的包含温度测量值T的红外热图模拟信号、可见光图像模拟信号以及超温报警信号实时传送到视频转换设备(2)，由该视频转换设备(2)将它们转换为数字信号并传输至监控计算机(3)；
S5)监控计算机(3)应用安装其上的森林火灾分析处理软件对所接收的数字信号进行截图处理和数据分析；
S6)当接收到所述超温报警信号时，监控计算机(3)基于上述分析来确定险情发生位置并进行超温报警，否则返回步骤S2。
根据本发明的实施例，在步骤S3中，前端测温及报警模块应用其包含的温度监控数学模型及所述温度测量值T进行计算以确定：
预设报警温度Tset，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定常数值或可变常数值作为该预设报警温度Tset；
等温容许宽度δt，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定温差值或可变温差值作为该等温容许宽度δt；
基准区域S，根据该红外摄像头的监测参数及安装位置确定一个基准区域，该基准区域最小为该红外摄像头的一个像素所表示的监测面积，最大为该红外摄像头的监控画面全屏所表示的监测面积；以及
基准区域平均温度Ts，基于该基准区域S的监控画面自动捕捉该基准区域S中的平均温度；以及
最高温点温度Th，基于对该监控区域的实时监控画面和其中所包含的温度测量值T自动捕捉其最高温点的温度值Th，其中
报警温度值Talarm＝基准区域平均温度Ts+等温容许宽度δt。
根据本发明的实施例，针对所述异常情况进行超温报警的条件是：
当最高温点温度Th≥报警温度值Talarm时，该前端测温及报警模块进行超温报警；以及
当最高温点温度Th≥预设报警温度Tset时，该前端测温及报警模块进行超温报警。
根据本发明的实施例，本发明的基于红外热成像技术的森林火灾预警方法还包括以下步骤：
S7)在执行步骤S7后，监控计算机将出现险情的监控画面、相关数据以及拟采取的处置方案等自动存储至其存储模块和/或该森林火灾分析处理软件的数据库中，以备后期分析和处理。
本发明具有以下优点：
1)本发明解决了由于森林防火监控的环境条件复杂多变，报警温度值难以设定为恒定的常数的问题。
2)本发明提出一种全新的模糊算法，其报警参数可自动调整，达到了不同距离，不同时间，不同季节都能自动报警的目的，满足了针对森林防火监控环境下的报警需要。
3)本系统中的红外热像仪(前端测温及报警模块)采用SAT公司最新研制的G95红外测温及报警模块，其包括镜头、探测器、AD板和伪彩板以及设置在该伪彩板上的测温单元和报警单元等，用以实现远距离森林红外热图拍摄和温度测量的精确性要求，以及应用包含于其中的温度监控数学模型计算出能够适应森林防火监控需要的报警温度值Talarm。
附图说明
图1为根据本发明的实施例的森林火灾预警系统的配置示意图
图2为根据本发明的实施例的森林火灾预警系统的方框图
图3为红外摄像头的前端测温及报警模块的结构示意图
图4为根据本发明的实施例的森林火灾预警系统的温度测量曲线图
图5为根据本发明实施例的森林火灾预警系统的工作流程图
其中，附图标记说明如下：
1-红外摄像头
11-前端测温及报警模块
2-视频转换设备
21-网络数据转换单元
22-云台控制单元
3-监控计算机
31-数据输入接口
32-数据分析模块
33-存储模块
34-显示模块
4-交换机或集线器
5-可见光摄像头
6-防护罩
具体实施方式
为了使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明的实施例做进一步详细地说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
任何红外热像仪都是靠温度的变化来实现成像、测温与报警的。而监控目标(森林)的温度变化本身就与监控距离、日夜温差、季节变化等有着密切关系。现有的红外监控技术或算法，一般仅会给出一个数值恒定(或至少在某一时间段内保持恒定)的预设报警温度值，将该预设报警温度值与实际测得的温度数值进行比较，超温即报警。针对森林防火这种超大面积和超长时间的室外监控要求，目前的红外监控设备普遍存在这样的技术盲点，即，对预设报警温度值的设定参数必须根据监控环境的条件变化而时时变化，但却又无法构建一个准确的参数方程或参数值(如早上的报警温度是多少？中午又是多少？夏天的报警温度是多少？冬天又是多少？)来适应和体现这种变化。
本发明通过提出一种全新的温度监控数学模型及算法改进，以距离、温差、季节等变化的环境温度参数作为参考计算出能够体现上述变化的报警温度值，并基于该报警温度值，在设定的等温容许宽度的温差范围内实现超温报警目的。系统可靠性更高、报警更迅速准确。
图1为根据本发明的实施例的森林火灾预警系统的配置示意图，图2为根据本发明的实施例的森林火灾预警系统的方框图。
如图1所示，本发明的森林火灾预警系统中的红外摄像头云台及电源等设备通过塔台架设在需要进行火灾监控的森林林地的制高点，用以拍摄整个林区或其中某个监控区域的红外热图(监控视频图像)，并输出与该监控区域的包含有温度测量值T的红外热图相关的红外热图模拟信号，该系统还包括用来将视频数据转换为供网络传输用的数字信号的视频转换设备及设置在后方的森林防火专用服务器(监控计算机)，该森林防火专用服务器通过EPON光链路等网络传输装置与该视频转换设备连接。
如图2所示，其中，该森林火灾预警系统的红外摄像头1包括前端测温及报警模块11，其应用包含于其中的温度监控数学模型进行计算，获得报警温度值Talarm，并针对其中的异常情况输出超温报警信号。该视频转换设备2与该红外摄像头1连接，将该红外摄像头1输出的红外热图模拟信号转换为用于标准网络传输的红外数字信号，以及接收来自该红外摄像头1的超温报警信号，并将此信号转换为数字信号；该监控计算机3用以生成并输出针对该红外摄像头1的控制信号，以及用以接收所述红外数字信号并对其进行分析和处理，在接收到所述超温报警信号的数字信号时，基于所述分析确定险情发生位置。
其中，参阅图3，前端测温及报警模块11包括依次连接的镜头、探测器、AD板和伪彩板，在所述伪彩板中还设置有测温单元和报警单元，其中由该测温单元测量所得的温度测量值T被输入至该报警单元中，利用安装在报警单元中的温度监控数学模型进行计算，从而获得报警温度值Talarm，并针对其中的异常情况输出超温报警信号至视频转换设备2的网络数据转换单元21。本发明的前端测温及报警模块11可采用SAT公司最新研制的G95红外测温及报警模块，其能够精确实现针对森林监控区域的远距离红外热图拍摄和温度测量，并能够计算出适应森林防火监控需要的报警温度值Talarm。
在该报警单元中设置有该温度监控数学模型，针对该温度监控数学模型和所述温度测量值T进行计算以确定：
预设报警温度Tset，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定常数值或可变常数值作为该预设报警温度Tset；
等温容许宽度δt，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定温差值或可变温差值作为该等温容许宽度δt；
基准区域S，根据该红外摄像头1的监测参数及安装位置确定一个基准区域，该基准区域最小为该红外摄像头1的一个像素所表示的监测面积，最大为该红外摄像头1的监控画面全屏所表示的监测面积；以及
基准区域平均温度Ts，基于该基准区域S的监控画面自动捕捉该基准区域S中的平均温度；以及
最高温点温度Th，基于对该监控区域的实时监控画面和其中所包含的温度测量值T自动捕捉其最高温点的温度值Th，其中
报警温度值Talarm＝基准区域平均温度Ts+等温容许宽度δt。
其中，针对所述异常情况进行超温报警的条件是：
当最高温点温度Th≥报警温度值Talarm时，该前端测温及报警模块11进行超温报警；以及
当最高温点温度Th≥预设报警温度Tset时，该前端测温及报警模块11进行超温报警。
根据本发明的一个实施例，该系统还可包括可见光摄像头5，设置在红外摄像头1附近，用以拍摄监控区域的可见光图像，并输出与该监控区域的可见光图像相关的可见光图像模拟信号，其中所述视频转换设备2还连接至该可见光摄像头5，并将该可见光摄像头5输出的可见光图像模拟信号转换为用于标准网络传输的可见光数字信号；以及该监控计算机3还生成并输出对所述多个可见光摄像头5的控制信号，并用以接收所述可见光数字信号，并将所接收的可见光数字信号和所接收的红外数字信号结合起来进行分析和处理，以针对其中的异常情况进行超温报警和确定险情发生位置。
其中，该红外摄像头1和该可见光摄像头5的拍摄方位通过与其安装为一体的云台的驱动而改变，该云台经由485串口连接至所述视频转换设备2以进行彼此之间的数据通信。
根据本发明的一个实施例，该系统还可包括防护罩6，将该红外摄像头1、可见光摄像头5连同各自的内部电源一起集成在该防护罩6内。
根据本发明的一个实施例，所述视频转换设备2包括：网络数据转换单元21，其将来自摄像头的模拟信号转换为用于标准网络传输的数字信号，其中所述摄像头包括该红外摄像头1和该可见光摄像头5，所述模拟信号包括红外热图模拟信号和可见光图像模拟信号，所述数字信号包括红外数字信号和可见光数字信号；以及云台控制单元22，将该监控计算机3通过网络传过来的云台控制信号转换为485串口控制信号，控制所对应的云台进行相应操作，以及通过485串口接收来自云台的状态信息并将其传送至该监控计算机3。
根据本发明的一个实施例，其中，该监控计算机3包括：数据输入接口31，接收来自该视频转换设备2的所述数字信号；以及数据分析模块32，应用森林火灾分析处理软件对来自数据输入接口31的所述数字信号进行截图处理和数据分析，根据处理后数据来确定该监控区域的火灾险情及其发生位置，以及生成用来控制所述红外摄像头1和所述可见光摄像头5的云台控制信号。
该监控计算机3还包括：存储模块33，将所述处理后数据及确定结果存储其中；以及显示模块34，用以直观显示监控区域的红外热图视频画面、险情发生位置及建议处置方案。
根据本发明的一个实施例，该监控计算机3的数据输入接口31通过EPON光链路与该视频转换设备2进行数据传送和网络通信。
根据本发明的一个实施例，该系统还包括交换机或集线器4，通过网线与该视频转换设备2和该监控计算机3连接以进行两者之间的网络通信。
由红外热像仪监控的森林林地的区域面积根据其红外摄像镜的型号和参数的不同而不同。以100MM口径的红外热成像监控为例，其监控区域面积的半径约为2KM左右，其单个观测像素约为2×2米2，另外，云台转动角度也影响红外镜头的观测范围，以载重40KG的YS3081云台为例，其水平旋转角度约为0～360°(连续旋转)，垂直旋转角度约为-60°～+60°，此时100MM口径的红外热成像监控可以对半径约为2KM的范围做巡检监控。
基准区域S的面积可调节，最小可调节为一个像素(2公里外为2×2米的区域)。报警温度和温差容许范围都可以手动设置，在下次手动调节之前可以为恒定值。温度测量值的数值范围最高可以是0-2000度，一般采用0-250度。
下面结合图5对本发明的森林火灾预警系统的监控及预警方法加以描述。
本发明的基于红外热成像技术的森林火灾预警方法应用如上所述的森林火灾预警系统来进行森林火灾预警，该方法包括以下步骤：
S1)启动架设在需要实施火灾预警监控的林地制高点处的红外摄像头1、可见光摄像头5和视频转换设备2，对监控区域进行红外热图和可见光图像的拍摄；
S2)通过无线或有线网络通信，接收来自监控计算机3的云台控制信号，以控制所述红外摄像头1和可见光摄像头5的拍摄方位；
S3)由前端测温及报警模块11应用温度监控数学模型进行计算，获得报警温度值Talarm，并针对其中的异常情况输出超温报警信号；
S4)将所拍摄的包含温度测量值T的红外热图模拟信号、可见光图像模拟信号以及超温报警信号实时传送到视频转换设备2，由该视频转换设备2将它们转换为数字信号并传输至监控计算机3；
S5)监控计算机3应用安装其上的森林火灾分析处理软件对所接收的数字信号进行截图处理和数据分析；
S6)当接收到所述超温报警信号时，监控计算机3基于上述分析来确定险情发生位置并进行超温报警，否则返回步骤S2。
其中，在步骤S3中，前端测温及报警模块11应用其包含的温度监控数学模型及所述温度测量值T进行计算以确定：
预设报警温度Tset，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定常数值或可变常数值作为该预设报警温度Tset；
等温容许宽度δt，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定温差值或可变温差值作为该等温容许宽度δt；
基准区域S，根据该红外摄像头1的监测参数及安装位置确定一个基准区域，该基准区域最小为该红外摄像头1的一个像素所表示的监测面积，最大为该红外摄像头1的监控画面全屏所表示的监测面积；
基准区域平均温度Ts，基于该基准区域S的监控画面自动捕捉该基准区域S中的平均温度；以及
最高温点温度Th，基于对该监控区域的实时监控画面和其中所包含的温度测量值T自动捕捉其最高温点的温度值Th，其中
报警温度值Talarm＝基准区域平均温度Ts+等温容许宽度δt。
在步骤S3中，针对所述异常情况进行超温报警的条件是：
当最高温点温度Th≥报警温度值Talarm时，该前端测温及报警模块11进行超温报警；以及
当最高温点温度Th≥预设报警温度Tset时，该前端测温及报警模块11进行超温报警。
根据本发明的一个实施例，所述的森林火灾预警方法还包括以下步骤：
S7)在执行步骤S7后，监控计算机3将出现险情的监控画面、相关数据以及拟采取的处置方案等自动存储至其存储模块和/或该森林火灾分析处理软件的数据库中，以备后期分析和处理。
根据本发明的上述森林火灾预警方法，其具有以下要点：
a、将红外热像仪架设在需要进行监控的林地制高点，通过有限网络或无线网络与控制中心的监控计算机相连接。
b、监控计算机内装有在线监控和火灾分析处理软件，其应用该软件对经网络同步回传的红外视频图像加以截图处理、数据分析和显示。
c、前端测温及报警模块中的温度监控数学模型采用创新的模糊算法，该算法设置了屏幕最高温点温度Th的自动捕捉并显示。
d、除最高温点温度Th的自动捕捉外，在算法的属性设定项上，人们可人为地设定预设报警温度Tset、等温容许宽度δt和一个基准区域S(该区域S最小可到一点，最大可至监控画面的全屏)，该算法能自动捕捉到基准区域S内的最高温点温度Th、最低温度T1和平均温度Ts并逐一显示。
e、该算法实现如下，通过以基准区域S内的平均温度Ts作为一变化参考值，加上等温容许宽度δt后得出变化的报警温度值Talarm并加以显示。
f、任何时刻，当监测到最高温点温度Th高于预设报警温度Tset或相对的报警温度值Talarm时，都将触发报警提示。
g、系统在报警后，自动回传一帧报警时的红外图像到森林火灾分析处理软件的数据库，并自动生成解决方案报告指挥中心，以进行紧急抢险救灾，以及供人们对报警事件进行后期分析处理。
图4为根据本发明的实施例的森林火灾预警系统的温度测量曲线图。该温度测量曲线的变化依据是基于监控场所的地区纬度，空气质量，天气情况等测得的温度数值而得到的。其中涂黑部分为落入本发明的超温报警范围内的四个区域，只要温度测量值T落在这四个区域中，本发明的前端测温及报警模块就会输出超温报警信号给监控计算机3。而在现有技术中，只有中间的两个区域属于超温报警范围，也就是说其无法针对图4中两侧的险情进行有效甄别和报警，因此这种森林火灾预警方式存在很大的安全隐患。
本发明具有以下优点：
1)本发明解决了由于森林防火监控的环境条件复杂多变，报警温度值难以设定为恒定的常数的问题。
2)本发明提出一种全新的模糊算法，其报警参数可自动调整，达到了不同距离，不同时间，不同季节都能自动报警的目的，满足了针对森林防火监控环境下的报警需要。
3)本系统中的红外热像仪(前端测温及报警模块)采用SAT公司最新研制的红外测温及报警模块，其能够满足远距离森林红外热图拍摄和温度测量的精确性要求，并能够通过应用包含于其中的温度监控数学模型计算出适应森林防火监控需要的报警温度值Talarm。
尽管前面结合附图而对本发明的多个示例性实施例进行了具体描述，但可以理解的是，在本公开内容的原理的精神和范围之内，本领域技术人员完全可以推导出许多其它变化和实施例。尤其是，可以在该公开、附图和所附权利要求的范围内对组件和/或附件的设置组合进行多种变化和改进。除组件和/或附件的变化和改进之外，其他可选择的应用对于本领域技术人员而言也是显而易见的。

Claims (14)

1.一种基于红外热成像技术的森林火灾预警系统，包括：
红外摄像头(1)，架设在需要实施火灾预警监控的林地制高点，用以拍摄其中一个监控区域的红外热图，并输出与该监控区域的包含有温度测量值T的红外热图相关的红外热图模拟信号，其中该红外摄像头(1)包括前端测温及报警模块(11)，其应用包含于其中的温度监控数学模型进行计算，以距离、温差、季节变化的环境温度参数作为参考计算出能够体现上述变化的报警温度值Talarm，并针对其中的异常情况输出超温报警信号；
视频转换设备(2)，与该红外摄像头(1)连接，将该红外摄像头(1)输出的红外热图模拟信号转换为用于标准网络传输的红外数字信号，以及接收来自该红外摄像头(1)的超温报警信号，并将此信号转换为数字信号；以及
监控计算机(3)，用以生成并输出针对该红外摄像头(1)的控制信号，以及用以接收所述红外数字信号并对其进行分析和处理，在接收到所述超温报警信号的数字信号时，基于所述分析确定险情发生位置，其中
该前端测温及报警模块(11)包括报警单元，在该报警单元中设置有该温度监控数学模型，针对该温度监控数学模型和所述温度测量值T进行计算以确定：
预设报警温度Tset，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定常数值或可变常数值作为该预设报警温度Tset；
等温容许宽度δt，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定温差值或可变温差值作为该等温容许宽度δt；
基准区域S，根据该红外摄像头(1)的监测参数及安装位置确定一个基准区域，该基准区域最小为该红外摄像头(1)的一个像素所表示的监测面积，最大为该红外摄像头(1)的监控画面全屏所表示的监测面积；以及
基准区域平均温度Ts，基于该基准区域S的监控画面自动捕捉该基准区域S中的平均温度；以及
最高温点温度Th，基于对该监控区域的实时监控画面和其中所包含的温度测量值T自动捕捉其最高温点的温度值Th，其中
报警温度值Talatm＝基准区域平均温度Ts+等温容许宽度δt。
2.根据权利要求1所述的森林火灾预警系统，其中，针对所述异常情况进行超温报警的条件是：
当最高温点温度Th≥报警温度值Talarm时，该前端测温及报警模块(11)进行超温报警；以及
当最高温点温度Th≥预设报警温度Tset时，该前端测温及报警模块(11)进行超温报警。
3.根据权利要求2所述的森林火灾预警系统，其中，该前端测温及报警模块(11)还包括依次连接的镜头、探测器、AD板和伪彩板，在所述伪彩板中还设置有测温单元和该报警单元，其中由该测温单元测量所得的温度测量值T被输入至该报警单元中，利用安装在该报警单元中的温度监控数学模型进行计算，以获得报警温度值Talarm，并针对其中的异常情况输出超温报警信号至所述视频转换设备(2)。
4.根据权利要求1或2所述的森林火灾预警系统，其中，该系统还包括：
可见光摄像头(5)，设置在该红外摄像头(1)附近，用以拍摄监控区域的可见光图像，并输出与该监控区域的可见光图像相关的可见光图像模拟信号，其中
所述视频转换设备(2)还连接至该可见光摄像头(5)，并将该可见光摄像头(5)输出的可见光图像模拟信号转换为用于标准网络传输的可见光数字信号；以及
该监控计算机(3)还生成并输出对多个所述可见光摄像头(5)的控制信号，并用以接收所述可见光数字信号，并将所接收的可见光数字信号和所接收的红外数字信号结合起来进行分析和处理，以针对其中的异常情况进行超温报警和确定险情发生位置。
5.根据权利要求4所述的森林火灾预警系统，其中，该红外摄像头(1)和该可见光摄像头(5)的拍摄方位通过与其安装为一体的云台的驱动而改变，该云台经由485串口连接至所述视频转换设备(2)以进行彼此之间的数据通信。
6.根据权利要求4所述的森林火灾预警系统，其中，该系统还包括：
防护罩(6)，将该红外摄像头(1)、可见光摄像头(5)连同各自的内部电源一起集成在该防护罩(6)内。
7.根据权利要求5所述的森林火灾预警系统，其中，所述视频转换设备(2)包括：
网络数据转换单元(21)，其将来自摄像头的模拟信号转换为用于标准网络传输的数字信号，其中所述摄像头包括该红外摄像头(1)和该可见光摄像头(5)，所述模拟信号包括红外热图模拟信号和可见光图像模拟信号，所述数字信号包括红外数字信号和可见光数字信号；以及
云台控制单元(22)，将该监控计算机(3)通过网络传过来的云台控制信号转换为485串口控制信号，控制所对应的云台进行相应操作，以及通过485串口接收来自云台的状态信息并将其传送至该监控计算机(3)。
8.根据权利要求5所述的森林火灾预警系统，其中，该监控计算机(3)包括：
数据输入接口(31)，接收来自该视频转换设备(2)的所述数字信号；以及
数据分析模块(32)，应用森林火灾分析处理软件对来自数据输入接口(31)的所述数字信号进行截图处理和数据分析，根据处理后数据来确定该监控区域的火灾险情及其发生位置，以及生成用来控制所述红外摄像头(1)和所述可见光摄像头(5)的云台控制信号。
9.根据权利要求8所述的森林火灾预警系统，其中，该监控计算机(3)还包括：
存储模块(33)，将所述处理后数据及确定结果存储其中；以及
显示模块(34)，用以直观显示监控区域的红外热图视频画面、险情发生位置及建议处置方案。
10.根据权利要求8所述的森林火灾预警系统，其中，该监控计算机(3)的数据输入接口(31)通过EPON光链路与该视频转换设备(2)进行数据传送和网络通信。
11.根据权利要求1或2所述的森林火灾预警系统，其中，该系统还包括交换机或集线器(4)，通过网线与该视频转换设备(2)和该监控计算机(3)连接以进行两者之间的网络通信。
12.一种基于红外热成像技术的森林火灾预警方法，其应用如权利要求1至11的任意一项所述的森林火灾预警系统来进行森林火灾预警，该方法包括以下步骤：
S1)启动架设在需要实施火灾预警监控的林地制高点处的红外摄像头(1)和视频转换设备(2)，对监控区域进行红外热图拍摄；
S2)通过无线或有线网络通信，接收来自监控计算机(3)的云台控制信号，以控制所述红外摄像头(1)的拍摄方位；
S3)由前端测温及报警模块(11)应用温度监控数学模型进行计算，获得报警温度值Talarm，并针对其中的异常情况输出超温报警信号；
S4)将所拍摄的包含温度测量值T的红外热图模拟信号以及超温报警信号实时传送到视频转换设备(2)，由该视频转换设备(2)将它们转换为数字信号并传输至监控计算机(3)；
S5)监控计算机(3)应用安装其上的森林火灾分析处理软件对所接收的数字信号进行截图处理和数据分析；以及
S6)当接收到所述超温报警信号时，监控计算机(3)基于上述分析来确定险情发生位置并进行超温报警，否则返回步骤S2，其中
在步骤S3中，前端测温及报警模块(11)应用其包含的温度监控数学模型及所述温度测量值T进行计算以确定：
预设报警温度Tset，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定常数值或可变常数值作为该预设报警温度Tset；
等温容许宽度δt，基于监控区域的温度测量统计值和火灾险情温度统计值设定一个恒定温差值或可变温差值作为该等温容许宽度δt；
基准区域S，根据该红外摄像头(1)的监测参数及安装位置确定一个基准区域，该基准区域最小为该红外摄像头(1)的一个像素所表示的监测面积，最大为该红外摄像头(1)的监控画面全屏所表示的监测面积；以及
基准区域平均温度Ts，基于该基准区域S的监控画面自动捕捉该基准区域S中的平均温度；以及
最高温点温度Th，基于对该监控区域的实时监控画面和其中所包含的温度测量值T自动捕捉其最高温点的温度值Th，其中
报警温度值Talarm＝基准区域平均温度Ts+等温容许宽度δt。
13.根据权利要求12所述的森林火灾预警方法，其中，针对所述异常情况进行超温报警的条件是：
当最高温点温度Th≥报警温度值Talarm时，该前端测温及报警模块(11)进行超温报警；以及
当最高温点温度Th≥预设报警温度Tset时，该前端测温及报警模块(11)进行超温报警。
14.根据权利要求12或13所述的森林火灾预警方法，还包括以下步骤：
S7)在执行步骤S7后，监控计算机(3)将出现险情的监控画面、相关数据以及拟采取的处置方案自动存储至其存储模块和/或该森林火灾分析处理软件的数据库中，以备后期分析和处理。
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