CN102622845B - 一种基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除装置及消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除装置及消除方法，涉及森林防火领域。为解决森林火点去扰动单点定位装置在使用中，当太阳、或者进行火灾巡航检视的直升机被监测系统误认为是火源，从而产生报警，对监测系统造成很大的干扰的问题，提供本发明。本发明的消除装置包括摄像机和云台、数据处理前端和地面控制端、报警触发模块、中心处理控制模块、位置信息解算模块、数据存储模块、报警确认模块、报警取消模块，本发明的消除方法为首先接收报警信号并启动系统，获得火情位置信息与地形存储信息并进行比较，然后判断火情真伪并发出报警信号或取消报警信号。本发明用于对森林火点准确定位的同时进行火情真伪判断。

Description

一种基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除装置及消除方法

技术领域

本发明为一种基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除装置及消除方法，涉及森林防火领域。

背景技术

森林是陆地生态的主体，具有很高的生态的效益和经济效益，是人类宝贵的资源，而近几年森林资源急剧减少，这其中除去人为砍伐外，森林火灾是造成森林面积减少的主要原因。因而林区的防火措施的研究受到各国的重视。

目前，随着科技的发展，很多地区已经开始采用在深林中安装红外摄像机的方法对森林进行监控。甚至提出了通过图像处理技术对摄像机图形进行处理实现对摄像机覆盖范围的全自动监控。本发明申请人的一项申请号为“20111018101.7”，发明名称为“森林火点去扰动单点定位装置及基于该装置的定位方法”的专利申请公开了一种森林火点去扰动单点定位装置，通过使用该装置，可以对火源中心位置进行准确地定位，定位精度较高。如图1、图2所示，森林火点去扰动单点定位装置包括摄像机和云台，所述摄像机固定在云台上，它还包括数据处理前端和地面控制端；数据处理前端包括模拟视频数字转换模块、视频分析模块、云台控制模块和数据前端数据收发模块；摄像机的图像信号输出端与模拟视频数字转换模块的图像信号输入端连接；模拟视频数字转换模块的数字信号输出端与视频分析模块的数字信号输入端连接；视频分析模块的一号分析结果输出端与云台控制模块的分析结果输入端连接；视频分析模块的二号分析结果输出/输入端与数据前端数据收发模块的分析结果输入/输出端连接；数据前端数据收发模块的数据输出端与云台控制模块的数据输入端连接；云台控制模块用于控制云台运动；控制端包括数据处理控制模块和控制端数据收发模块，所述控制端数据收发模块的数据输出/输入端与数据处理控制模块的数据输入/输出端连接；控制端数据收发模块与数据前端数据收发模块通过无线电信号实现数据传输，控制端还包括结果信息输出接口电路，结果信息输出接口电路的结果信息输入端与数据处理控制模块的结果信息输出端连接，控制端还包括控制设备接口模块，控制设备接口模块的外部控制信号输出端与数据处理控制模块的外部控制信号输入端连接，控制端还包括报警模块。

上述装置通过以下步骤实现森林火点去扰动单点定位：

步骤一、采用摄像机拍摄森林火点图像；

步骤二、采用模拟视频数字转换模块对步骤一获得的森林火点图像进行转换，获得森林火点数字图像；

步骤三、根据预设的一号门限值对步骤二中获得的图像进行初步分割，获得消除背景环境影响的图像；

步骤四、采用最大类间方差法对步骤三获得的消除背景环境影响的图像进行进一步分割，获得火源区域有效图像；

步骤五、如果装置处在火源搜索状态，则执行步骤六，否则执行步骤七；

步骤六、将步骤五中获得的火源区域有效图像的每一个像素值逐一与预先设定的二号门限值进行比较，并判断超过所述二号门限值的像素的数量是否大于所述火源区域有效图像中的像素总数的1/2，如果判断结果为是，退出火源搜索状态，并则执行步骤六一，如果判断结果为否，则执行步骤六二；

步骤六一、采用云台控制模块控制云台停止转动，进行单点定位图像采集，并执行步骤七；

步骤六二、未发生火灾，返回执行步骤一；

步骤七、将步骤四获得的火源区域有效图像进行二值化处理，并对二值化的图像中的亮点位置进行连通区域判定，选取每个连通区域的中心位置作为该图像的特征点数据进行存储，作为该幅图像的特征点集合，记为：

S_j＝{D_j1，D_j2…，D_ji，…D_jn}

式中： $D_{\mathrm{ji}}=\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ji}}\\ y_{\mathrm{ji}}\end{array}\right]$ 表示第j幅图像中第i个火源中心在图像中的位置坐标，x_ji为第j幅图像中第i个火源中心在图像中的横坐标，y_ji为第j幅图像中第i个火源中心在图像中的纵坐标，i、j均为正整数；

步骤八、返回执行步骤一至七，直至获得足够的图像帧后，计算所有特征数据构成的数据集合：

H＝{S₁∪S₂∪...∪S_j...∪S₁₀₀}

式中：S_j表示由第j帧图像中以火源中心位置为特征点构成的特征点集合，并计算中由所有特征数据构成的数据集合H中各个数据点的密度参数，密度参数的求取通过规定一个距离门限ξ，除计算点外，其余特征点落在以计算点为中心，距离门限ξ为半径的圆内的个数即为该点的密度；

步骤九、在步骤八获得的数据集合中剔除小密度点，所述小密度点为数据集合H中数据点的密度小于预设门限λ的点，获得摄像头所观测到的火源在各帧图像中的位置坐标，并确定火源个数以及火源的粗略中心位置；

步骤十、将步骤九确定火源个数以及火源的粗略中心位置作为初始条件，以最近欧式距离作为分类标准，采用C均值算法对特征点集合进行分类，并将所得的各类的聚类中心进行存储，此聚类中心即为火源中心位置在摄像机拍摄的图像中的实际坐标位置；

步骤十一、根据步骤十获得的各聚类中心坐标位置，控制云台转动，当聚类中心的数量为一个时，则为单点火源，控制摄像机中心对准火源的中心位置；当聚类中心的数量为多个时，则为多点火源，控制摄像机对准由各火源中心坐标为顶点多边形的中心位置，实现森林火点去扰动单点定位。

步骤九中所述火源个数以及火源的粗略中心位置的确定方法为：

首先，选择一个密度门限ρ和另外一个距离门限η，在所有数据点中的选择密度参数最高的一个特征点作为第一个火源的中心位置，然后，在剩余的特征点中选择密度参数大于ρ且改点距离第一个火源中心位置距离大于η的特征点作为第二个火源位置；

此处旨在分辨出两个火源之间的距离相聚较远的情况，若有两处火源相距较近时比如几十米，反映在摄像机图像上也就是2～3个像素的差别，以上限定条件虽然将他们判定为一个火源，但并不影响该发明的最初设想，因为在森林环境下，摄像机所要观察距离较远，范围比较广，且该发明目的为了在发生或在时为救火部队提供方向指示，因此这种短距离的多火源情况可认为是一个火源，而且这种短距离多火源的产生肯定是由于某种特定因素引起的，其中心距离一般不会太大。而当有两处火源距离较远比如十几公里的时候，两处火源反映在摄像机图像中的位置相距就比较远了，此时即使摄像机处于晃动中，两个火源于各帧图像的中心位置坐标也是分成两堆的，这样通过上述限定即可分开了。

然后在剩余的特征点中选择密度参数大于ρ且该点距离第一个与第二个火源中心位置距离均大于η的特征点作为第三个火源位置，以此类推直到不再有符合条件的特征点存在为止，从而确定了这些特征点所指向的火源个数和火源的粗略中心位置。

步骤八中计算所有特征数据构成的数据集合的过程中：特征点的距离计量方式采用欧氏距离实现，第i点到第j点的欧氏距离表示为：

$D=\sqrt{{(x_i-x_j)}^2+{(y_i-y_j)}^2}$

其中x和y表示该点在图像中的位置坐标。

步骤八中获得图像帧的数量为100幅。

在实际使用中，由于红外摄像机是通过探测被观测物体的红外辐射信号进行成像的。即红外成像设备反映的是观测物体的温度场，因而只通过图像处理的方法对森林进行全自动监控的方法很容易受到环境的影响发生虚警，例如当太阳、或者进行火灾巡航检视的直升机进入红外摄像机的观测范围时，由于这两种物体的红外辐射都很高，很容易就会被监测系统误认为是火源，从而产生报警。并且以上两种情况的发生概率是很大的，这样对监测系统造成很大的干扰，使其性能明显下降。

发明内容

为解决森林火点去扰动单点定位装置在使用中，当太阳、或者进行火灾巡航检视的直升机进入红外摄像机的观测范围时，由于这两种物体的红外辐射都很高，很容易就会被监测系统误认为是火源，从而产生报警，对监测系统造成很大的干扰，使其性能明显下降的间题，提供本发明一种基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除装置及消除方法，本发明的消除装置包括摄像机和云台，所述摄像机固定在云台上，所述基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除装置还包括数据处理前端和地面控制端，数据处理前端包括模拟视频数字转换模块、视频分析模块、云台控制模块和数据前端数据收发模块；摄像机的图像信号输出端与模拟视频数字转换模块的图像信号输入端连接；模拟视频数字转换模块的数字信号输出端与视频分析模块的数字信号输入端连接；视频分析模块的一号分析结果输出端与云台控制模块的分析结果输入端连接；视频分析模块的二号分析结果输出/输入端与数据前端数据收发模块的分析结果输入/输出端连接；数据前端数据收发模块的数据输出端与云台控制模块的数据输入端连接；云台控制模块用于控制云台运动；控制端包括报警模块、数据处理控制模块和控制端数据收发模块，所述控制端数据收发模块的内部数据输出/输入端与数据处理控制模块的内部数据输入/输出端连接；控制端数据收发模块与数据前端数据收发模块通过无线电信号实现数据传输，控制端还包括结果信息输出接口电路，结果信息输出接口电路的结果信息输入端与数据处理控制模块的结果信息输出端连接，控制端还包括控制设备接口模块，控制设备接口模块的外部控制信号输出端与数据处理控制模块的外部控制信号输入端连接，控制端还包括报警模块，其特征在于：它还包括报警触发模块、中心处理控制模块、位置信息解算模块、数据存储模块、报警确认模块、报警取消模块，所述报警触发模块输入端与数据处理控制模块的外部信息输出端连接，报警触发模块输出端与中心处理控制模块的报警信息输入端连接，所述中心处理控制模块的位置信息输入/输出端与位置信息解算模块的位置信息输入/输出端连接，所述中心处理控制模块的数据信息输入/输出端与数据存储模块的数据信息输入/输出端连接，所述中心处理控制模块的报警确认信息输出端与报警确认模块的输入端连接，所述中心处理控制模块的报警信息取消输出端与报警取消模块的输入端连接，所述位置信息解算模块的接收信息输入端与数据收发模块的外部信息输出端连接，所述报警取消模块的输出端与控制设备接口模块的输入端连接，所述报警确认模块的输出端与报警模块的输入端连接。

本发明的消除方法通过以下步骤实现：

步骤一：数据处理控制模块将报警信号输出给报警触发模块，报警触发模块收到报警信号后激发中心处理控制模块进入工作状态；

步骤二：中心处理控制模块发送位置信息解算命令给位置信息解算模块，位置信息解算模块从数据收发模块得到包括云台位置信息，云台姿态信息、云台摄像机的焦距信息以及火源中心点于摄像机图像的像素位置信息，将所述信息解码后发送给中心处理控制模块，得到火源位置信息；

步骤三：中心处理控制模块根据从步骤二中获得的信息在数据存储模块中进行检索，获得对应的存储信息，得到地面和天空接壤的轮廓线的存储信息；

步骤四：中心处理控制模块将步骤二中的位置信息与步骤三中的存储信息进行比较，如果步骤二中获得的火源位置处于步骤三中地面和天空接壤的轮廓线下方，中心处理控制模块发送火情确定命令给报警确认模块，报警确认模块发送报警命令给报警模块；否则中心处理控制模块发送报警取消命令给报警取消模块，报警取消模块将接收到的报警取消命令发送给控制设备接口模块。

本发明的有益效果是：可以有效的消除太阳等物体进入红外摄像机观测范围时所造成的干扰，大大的提高森林防火自动监测设备的监测性能，大大降低系统数据的处理量。并且该系统可直接用于现存的森林内防火自动检测系统后端，可移植性强。

附图说明

图1是背景技术中森林火点去扰动单点定位装置的数据处理前端的结构示意图；图2是背景技术中森林火点去扰动单点定位装置的控制端的结构示意图；图3是本发明基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除装置的结构示意图；图4是本发明消除方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合图3、图4说明本发明的具体实施方式：

具体实施方式一

如图3所示，本实施方式的消除装置包括摄像机和云台，摄像机固定在云台上，它还包括数据处理前端和地面控制端，数据处理前端包括模拟视频数字转换模块21、视频分析模块22、云台控制模块23和数据前端数据收发模块24；摄像机的图像信号输出端与模拟视频数字转换模块21的图像信号输入端连接；模拟视频数字转换模块21的数字信号输出端与视频分析模块22的数字信号输入端连接；视频分析模块22的一号分析结果输出端与云台控制模块23的分析结果输入端连接；视频分析模块22的二号分析结果输出/输入端与数据前端数据收发模块24的分析结果输入/输出端连接；数据前端数据收发模块24的数据输出端与云台控制模块23的数据输入端连接；云台控制模块23用于控制云台运动；控制端包括数据处理控制模块31和控制端数据收发模块32，所述控制端数据收发模块32的内部数据输出/输入端与数据处理控制模块31的内部数据输入/输出端连接；控制端数据收发模块32与数据前端数据收发模块24通过无线电信号实现数据传输，控制端还包括结果信息输出接口电路33，结果信息输出接口电路33的结果信息输入端与数据处理控制模块31的结果信息输出端连接，控制端还包括控制设备接口模块34，控制设备接口模块34的外部控制信号输出端与数据处理控制模块31的外部控制信号输入端连接，控制端还包括报警模块35，它还包括报警触发模块101、中心处理控制模块102、位置信息解算模块103、数据存储模块104、报警确认模块105、报警取消模块106，所述报警触发模块101输入端与数据处理控制模块31的外部信息输出端连接，报警触发模块101输出端与中心处理控制模块102的报警信息输入端连接，所述中心处理控制模块102的位置信息输入/输出端与位置信息解算模块103的位置信息输入/输出端连接，所述中心处理控制模块102的数据信息输入/输出端与数据存储模块104的数据信息输入/输出端连接，所述中心处理控制模块102的报警确认信息输出端与报警确认模块105的输入端连接，所述中心处理控制模块102的报警信息取消输出端与报警取消模块106的输入端连接，所述位置信息解算模块103的接收信息输入端与数据收发模块32的外部信息输出端连接，所述报警取消模块106的输出端与控制设备接口模块34的输入端连接，所述报警确认模块105的输出端与报警模块35的输入端连接。

如图4所示，本实施方式的消除方法通过以下步骤实现：

步骤一：数据处理控制模块31将报警信号输出给报警触发模块101，报警触发模块101收到报警信号后激发中心处理控制模块102进入工作状态；

步骤二：中心处理控制模块102发送位置信息解算命令给位置信息解算模块103，位置信息解算模块103从数据收发模块32得到包括云台位置信息，云台姿态信息、云台摄像机的焦距信息以及火源中心点于摄像机图像的像素位置信息，将所述信息解码后发送给中心处理控制模块102，得到火源位置信息；

步骤三：中心处理控制模块102根据从步骤二中获得的信息在数据存储模块104中进行检索，获得对应的地面和天空接壤的轮廓线的存储信息；

步骤四：中心处理控制模块102将步骤二中的位置信息与步骤三中的地面和天空接壤的轮廓线的存储信息进行比较，如果步骤二中获得的火源位置处于步骤三中地面和天空接壤的轮廓线下方，中心处理控制模块102发送火情确定命令给报警确认模块105，报警确认模块105发送报警命令给报警模块35；否则中心处理控制模块102发送报警取消命令给报警取消模块106，报警取消模块106将接收到的报警取消命令发送给控制设备接口模块34。

具体实施方式二

在本具体实施方式一的消除方法中，数据存储模块104用来存储用于各摄像机进行虚警判决的参考信息，该模块的数据按照摄像机的编号进行编号，以摄像头云台的角度位置对块内信息进行分组，例如共有10个摄像机，那么该数据存储模块就可分为编号为1，2，3...10的十块，进而假设每个摄像头每转过10°就要进行一次图像采集，那么划分的十块数据块中每一块又可以分为36组，以同一位置的摄像头于相同的角度所拍摄的图像进行存储，用以表示不同云台与不同采集角度的比较模板。该模板在搭建系统的时候人工进行编辑，因为对于所观测的森林环境的地面随着时间的变化并不是很明显，因而对不同时刻的同一位置的摄像头于相同的角度所拍摄的图像差距不是很大，且火灾肯定是发生在地表，而类似太阳等干扰物体往往出现在地平线以上，因而，可以将观测区域的地面和天空接壤处于摄像机的采集图像的像素位置作为判决标准进行存储。

中心处理控制模块102将步骤二中的位置信息与步骤三中的存储信息进行比较判断是基于以下原理：对应用于森林防火监测的摄像机而言，由于森林的地面环境在很长时间内是保持不变的，从而在同一位置的红外摄像机于同一角度所拍摄的图像大致相同的，发生火灾时，火源必定是覆盖在地表，即便是有火苗飞起其距离地表距离也是很近的，而对红外摄像机造成干扰较大的太阳等物体往往出现在高空中，这反映在摄像机的图像中可表现为，火源位置处于图像的下半部分接近地表。而太阳则出现在图像的上半部分的高空。因而可以将摄像机在该角度下拍摄的图像中地面，山丘和天空接壤的轮廓的像素信息作为判决参考进行存储，如果数据采集前端采集的火源中心位置处于该轮廓的下方则认定该报警信息有效，若数据采集前端采集的火源中心位置处于该轮廓的上方则判定此次报警为虚警。

Claims (4)

1.一种基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除装置，包括摄像机和云台，所述摄像机固定在云台上，所述基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除装置还包括数据处理前端和地面控制端，数据处理前端包括模拟视频数字转换模块（21）、视频分析模块（22）、云台控制模块（23）和数据前端数据收发模块（24）；摄像机的图像信号输出端与模拟视频数字转换模块（21）的图像信号输入端连接；模拟视频数字转换模块（21）的数字信号输出端与视频分析模块（22）的数字信号输入端连接；视频分析模块（22）的一号分析结果输出端与云台控制模块（23）的分析结果输入端连接；视频分析模块（22）的二号分析结果输出/输入端与数据前端数据收发模块（24）的分析结果输入/输出端连接；数据前端数据收发模块（24）的数据输出端与云台控制模块（23）的数据输入端连接；云台控制模块（23）用于控制云台运动；地面控制端包括报警模块（35）、数据处理控制模块（31）和控制端数据收发模块（32），所述控制端数据收发模块（32）的内部数据输出/输入端与数据处理控制模块（31）的内部数据输入/输出端连接；控制端数据收发模块（32）与数据前端数据收发模块（24）通过无线电信号实现数据传输，地面控制端还包括结果信息输出接口电路（33），结果信息输出接口电路（33）的结果信息输入端与数据处理控制模块（31）的结果信息输出端连接，地面控制端还包括控制设备接口模块（34），控制设备接口模块（34）的外部控制信号输出端与数据处理控制模块（31）的外部控制信号输入端连接，其特征在于：地面控制端还包括报警触发模块（101）、中心处理控制模块（102）、位置信息解算模块（103）、数据存储模块（104）、报警确认模块（105）、报警取消模块（106），所述报警触发模块（101）输入端与数据处理控制模块（31）的外部信息输出端连接，报警触发模块（101）输出端与中心处理控制模块（102）的报警信息输入端连接，所述中心处理控制模块（102）的位置信息输入/输出端与位置信息解算模块（103）的位置信息输入/输出端连接，所述中心处理控制模块（102）的数据信息输入/输出端与数据存储模块（104）的数据信息输入/输出端连接，所述中心处理控制模块（102）的报警确认信息输出端与报警确认模块（105）的输入端连接，所述中心处理控制模块（102）的报警信息取消输出端与报警取消模块（106）的输入端连接，所述位置信息解算模块（103）的接收信息输入端与数据收发模块（32）的外部信息输出端连接，所述报警取消模块（106）的输出端与控制设备接口模块（34）的输入端连接，所述报警确认模块（105）的输出端与报警模块（35）的输入端连接。

2.一种基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：数据处理控制模块（31）将报警信号输出给报警触发模块（101），报警触发模块（101）收到报警信号后激发中心处理控制模块（102）进入工作状态；

步骤二：中心处理控制模块（102）发送位置信息解算命令给位置信息解算模块（103），位置信息解算模块（103）从数据收发模块（32）得到包括云台位置信息，云台姿态信息、云台摄像机的焦距信息以及火源中心点于摄像机图像的像素位置信息，将所述云台位置信息，云台姿态信息、云台摄像机的焦距信息以及火源中心点于摄像机图像的像素位置信息解码后发送给中心处理控制模块（102），得到火源位置信息；

步骤三：中心处理控制模块（102）根据从步骤二中获得的信息在数据存储模块（104）中进行检索，获得对应的地面和天空接壤的轮廓线的存储信息；

步骤四：中心处理控制模块（102）将步骤二中的位置信息与步骤三中的地面和天空接壤的轮廓线的存储信息进行比较，如果步骤二中获得的火源位置处于步骤三中地面和天空接壤的轮廓线下方，中心处理控制模块（102）发送火情确定命令给报警确认模块（105），报警确认模块（105）发送报警命令给报警模块（35）；否则中心处理控制模块（102）发送报警取消命令给报警取消模块（106），报警取消模块（106）将接收到的报警取消命令发送给控制设备接口模块（34）。

3.如权利要求2所述的基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除方法，其特征在于：步骤三中数据存储模块（104）存储的信息为：按照摄像机的编号进行编号，以摄像头云台的角度位置对数据存储模块（104）内信息进行分组，以同一位置的摄像头于相同的角度所拍摄的图像进行存储。

4.如权利要求2所述的基于森林火点去扰动单点定位装置的背景干扰消除方法，其特征在于：步骤三中地面和天空接壤的轮廓线的存储信息是以地面和天空接壤的轮廓的像素信息作为判决参考信息进行存储。

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