CN104316974A - 森林烟雾区域检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种森林烟雾区域检测系统，所述检测系统位于无人机上，包括微波通信接口、烟雾检测设备、无人机动力装置和主控制器，所述微波通信接口用于接收远端森林管理平台发送的飞行控制指令，所述飞行控制指令包括检测位置，所述主控制器与所述微波通信接口、所述烟雾检测设备和所述无人机动力装置分别连接，控制所述无人机动力装置飞往所述检测位置，并在确定所述无人机在所述检测位置时，启动所述烟雾检测设备以检测森林中的烟雾区域。通过本发明，能够准确确定被监控森林区域内是否存在烟雾以及烟雾的具体位置，便于森林管理部门快速响应，避免灾情的进一步扩大。

Description

森林烟雾区域检测系统

技术领域

本发明涉及森林防护领域，尤其涉及一种森林烟雾区域检测系统。

背景技术

森林火灾是危害森林的大敌，一场火灾在旦夕之问就能把大片森林化为灰烬，造成严重的人员与财产损失。尽早发现起火点并把他消灭在萌芽阶段是控制火灾危害的有效途径，具有重要的意义。

火灾发生前以及火灾发生时，都会伴随大量烟雾产生，在火灾前烟雾产生最为突出，因此，烟雾检测能用于实现森林火灾预警。由于燃烧现象主要包括火焰和烟雾，燃烧发生时，燃烧现象与燃烧物有很大关系，燃烧物不同，燃烧现象会有很大区别，如产生烟雾的大小、烟雾的颜色等。因而，研究采集的森林图像中烟雾现象的颜色特征是预警算法研究的重要步骤。

目前森林火灾监控有嘹望台观测、飞机巡护和卫星红外图像监测等方式，第一种方法效率低，危险性高；最后一种方法虽然有着许多天然优势，如不受地形地貌等地理条件的限制，居高临下，监测覆盖范围广，但是投资成本高，实施复杂。因此，飞机巡护，尤其是成本相对较低、使用更安全的无人机在森林火灾防治中具有较广的应用范围。

但是，现有技术中的烟雾检测方式较为简单，识别效率不高，因此，当前需要一种新的设置在无人机上的森林火灾预警方式，通过远程遥控的方式，操纵无人机到森林中任何易于发生火灾的关键场所执行烟雾检测，通过检测火灾蔓延前的烟雾，判断发生火灾的位置和火灾当前状况，为远端的森林管理部门提供有价值的参考数据

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种森林烟雾区域检测系统，将检测系统建造在无人机上，利用无人机灵活、检测面宽广以及易于远程操控的技术特点，控制无人机飞往森林中的各个位置执行烟雾检测，并通过烟雾图像分割、烟雾区域确定的分层次烟雾检测模式，确定检测位置是否存在烟雾，是否发生火情，以及烟雾实际占据面积大小，从而安全、可靠地为森林管理部门的决策提供帮助。

根据本发明的一方面，提供了一种森林烟雾区域检测系统，所述检测系统包括微波通信接口、烟雾检测设备、无人机动力装置和主控制器，所述微波通信接口用于接收远端森林管理平台发送的飞行控制指令，所述飞行控制指令包括检测位置，所述主控制器与所述微波通信接口、所述烟雾检测设备和所述无人机动力装置分别连接，控制所述无人机动力装置飞往所述检测位置，并在确定所述无人机在所述检测位置时，启动所述烟雾检测设备以检测森林中的烟雾区域。

更具体地，在所述森林烟雾区域检测系统中，所述检测系统还包括，USB通信接口，与随机存储器连接，用于将外部U盘中的数据自动读入所述随机存储器中，所述外部U盘中的数据包括烟雾上限灰度阈值、烟雾下限灰度阈值、RGB均值阈值、RGB标准差阈值和饱和度阈值；随机存储器，用于存储所述烟雾上限灰度阈值、所述烟雾下限灰度阈值、所述RGB均值阈值、RGB标准差阈值和饱和度阈值；北斗星定位设备，连接北斗星导航卫星，用于接收所述无人机所在位置的实时北斗星数据；无线电高度检测仪，包括无线电发射机、无线电接收机和微控制器，所述微控制器与所述无线电发射机和所述无线电接收机分别连接，所述无线电发射机向地面发射无线电波，所述无线电接收机接收地面反射的无线电波，所述微控制器根据所述无线电发射机的发射时间、所述无线电接收机的接收时间和无线电波传播速度计算所述无人机的当前高度，所述无线电波传播速度为光速；所述微波通信接口与所述远端森林管理平台之间实现微波通信连接，接收到的所述飞行控制指令中的检测位置包括目标飞行高度和目标飞行北斗星数据；所述无人机动力装置包括旋转式活塞发动机，用于驱动所述无人机飞向所述检测位置；所述烟雾检测设备包括相互连接的航空摄像机和烟雾图像处理器，所述航空摄像机为线阵数码航空摄影机，包括减震底架、前盖玻璃、镜头、滤镜和成像电子单元，用于拍摄所述检测位置所在森林场景以输出森林图像，所述烟雾图像处理器包括预处理单元、分割单元和识别单元，所述预处理单元与所述航空摄像机连接，以对接收的森林图像依次进行降噪和滤波处理，输出滤波图像，所述分割单元与所述预处理单元和所述随机存储器分别连接，用于将所述滤波图像中灰度值在所述烟雾上限灰度阈值和所述烟雾下限灰度阈值之间的像素识别并组成疑似烟雾子图像，所述识别单元与所述分割单元和所述随机存储器分别连接，用于识别出所述疑似烟雾子图像中的烟雾区域；所述主控制器为TI公司的DSP芯片TMS320C6416，与所述北斗星定位设备、所述无线电高度检测仪、所述微波通信接口、所述无人机动力装置和所述烟雾检测设备分别连接，当所述无人机的当前高度与所述目标飞行高度匹配且所述实时北斗星数据与所述目标飞行北斗星匹配时，启动所述烟雾检测设备中的航空摄像机和烟雾图像处理器，之后，所述主控制器在接收到烟雾区域和存在烟雾信号时，将所述森林图像、所述烟雾区域和所述存在烟雾信号通过所述微波通信接口转发给所述远端森林管理平台，在接收到所述无烟雾信号时，将所述无烟雾信号通过所述微波通信接口转发给所述远端森林管理平台；其中，所述烟雾上限灰度阈值和所述烟雾下限灰度阈值用于将图像中的疑似烟雾和背景分离，所述RGB均值阈值、所述RGB标准差阈值和所述饱和度阈值用于进一步确定疑似烟雾中的烟雾区域；所述识别单元针对所述疑似烟雾子图像中的每一个疑似烟雾像素，计算RGB均值、RGB标准差和饱和度，如果计算的RGB均值小于等于所述RGB均值阈值、计算的RGB标准差小于等于所述RGB标准差阈值且计算的饱和度小于等于所述饱和度阈值，则确定该疑似烟雾像素为烟雾像素，反之，则确定该疑似烟雾像素为非烟雾像素，在所述疑似烟雾子图像中不存在烟雾像素时，发出无烟雾信号，在所述疑似烟雾子图像中存在烟雾像素时，基于所述疑似烟雾子图像中所有烟雾像素的位置组成烟雾区域，并发出存在烟雾信号。

更具体地，在所述森林烟雾区域检测系统中，所述USB通信接口、所述随机存储器、所述北斗星定位设备和所述主控制器都位于所述无人机的前端仪表盘内。

更具体地，在所述森林烟雾区域检测系统中，将所述USB通信接口、所述随机存储器、所述北斗星定位设备和所述主控制器集成在一块集成电路板上。

更具体地，在所述森林烟雾区域检测系统中，所述烟雾检测设备位于所述无人机外壳的正下方，所述无线电高度检测仪和所述微波通信接口嵌入在所述无人机外壳的前端表面上，所述无人机动力装置被封装在所述无人机外壳的前端内。

更具体地，在所述森林烟雾区域检测系统中，所述检测系统还包括，供电设备，用于为所述检测系统供电。

更具体地，在所述森林烟雾区域检测系统中，所述RGB均值为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值的平均值、所述RGB标准差为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值的标准差，所述饱和度为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值中最大值和最小值之差除以R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值中最大值。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的森林烟雾区域检测系统的结构方框图。

图2为根据本发明实施方案示出的森林烟雾区域检测系统的烟雾检测设备的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的森林烟雾区域检测系统的实施方案进行详细说明。

火灾是发生频繁且极具毁灭性的灾害，不仅会造成巨大的财产损失，而且还会危及人们的生命安全，若能在火灾发生初期就进行识别。则可以减少各种损失。

火灾在发生过程中，通常伴随者，高温、高热、强光、强辐射等基本特征。目前火灾探测系统都采用传统的感温、感烟、光电等传感器，分别基于火灾的温度、产生的烟气、火焰光谱特征来探测火灾，但这种方式效率低，安全性不高，而且这种系统不能掌握火灾现场的情况，无法依靠其进行实时调度与处理。还有一种方式是通过卫星监测的方式监测森林状况，但是这种方式耗费巨大，性价比不高。目前来看，飞机巡护的方式性价比最为适合。

森林火灾中产生的烟雾在图像中存在着颜色分布规律。森林火灾发生初期，由于树木有一定的潮湿度，因此燃烧并不完全充分，这将会产生大量烟雾，若是林冠火，烟雾高度可达1500米，烟雾的产生将会对视频图像产生明显的影响。因此，对烟雾的识别是森林火灾识别的重要组成部分，而且因为烟雾一般先于火焰产生，烟雾的识别有助于森林火灾的预警。

通过统计森林火灾产生的烟雾颜色特点，总结烟雾的统计规律，建立烟雾的统计模型，能够帮助人们采用图像识别的手段，快速从采集的森林图像中定位烟雾区域。然而，当前所用的烟雾检测方式只是简单地分析烟雾图像的灰度值大小，在图像像素在烟雾灰度值范围内，就认定为烟雾像素，这种方式过于简单，精度不高。

本发明的森林烟雾区域检测系统，能够准确地控制巡航的无人飞机飞往森林中任何希望重点监控的位置，通过图像识别技术和双层烟雾区域检测技术，准确地判断烟雾是否存在以及烟雾的大小，从而为森林火灾提供预警机制。

图1为根据本发明实施方案示出的森林烟雾区域检测系统的结构方框图，所述检测系统包括USB通信接口1、随机存储器2、北斗星定位设备3、无线电高度检测仪4、主控制器5、微波通信接口6、无人机动力装置7、烟雾检测设备8和供电设备9，所述微波通信接口6用于接收远端森林管理平台发送的飞行控制指令，所述飞行控制指令包括检测位置，所述主控制器5与所述北斗星定位设备3、所述无线电高度检测仪4、所述微波通信接口6、所述无人机动力装置7和所述烟雾检测设备8分别连接，控制所述无人机动力装置7飞往所述检测位置，并在确定所述无人机在所述检测位置时，启动所述烟雾检测设备8以检测森林中的烟雾区域，所述主控制器5还可以与所述USB通信接口1、随机存储器2和供电设备9分别连接，以对所述USB通信接口1、随机存储器2和供电设备9分别提供相应的控制信号。

接着，对本发明的森林烟雾区域检测系统的具体结构进行进一步的说明。

所述USB通信接口1与随机存储器2连接，用于将外部U盘中的数据自动读入所述随机存储器2中，所述外部U盘中的数据包括烟雾上限灰度阈值、烟雾下限灰度阈值、RGB均值阈值、RGB标准差阈值和饱和度阈值。优选的，所述RGB均值阈值可取值为220，所述RGB标准差阈值可取值为20，所述饱和度阈值可取值为0.1。

所述随机存储器2用于存储所述烟雾上限灰度阈值、所述烟雾下限灰度阈值、所述RGB均值阈值、RGB标准差阈值和饱和度阈值。

所述北斗星定位设备3，连接北斗星导航卫星，用于接收所述无人机所在位置的实时北斗星数据。

所述无线电高度检测仪4，包括无线电发射机、无线电接收机和微控制器，所述微控制器与所述无线电发射机和所述无线电接收机分别连接，所述无线电发射机向地面发射无线电波，所述无线电接收机接收地面反射的无线电波，所述微控制器根据所述无线电发射机的发射时间、所述无线电接收机的接收时间和无线电波传播速度计算所述无人机的当前高度，所述无线电波传播速度为光速。

所述微波通信接口6与所述远端森林管理平台之间实现微波通信连接，接收到的所述飞行控制指令中的检测位置包括目标飞行高度和目标飞行北斗星数据。

所述无人机动力装置7包括旋转式活塞发动机，用于驱动所述无人机飞向所述检测位置。

如图2所示，所述烟雾检测设备8包括相互连接的航空摄像机81和烟雾图像处理器82，所述航空摄像机81为线阵数码航空摄影机，包括减震底架、前盖玻璃、镜头、滤镜和成像电子单元，用于拍摄所述检测位置所在森林场景以输出森林图像，所述烟雾图像处理器82包括预处理单元、分割单元和识别单元。

在所述烟雾图像处理器82中，所述预处理单元与所述航空摄像机81连接，以对接收的森林图像依次进行降噪和滤波处理，输出滤波图像，所述分割单元与所述预处理单元和所述随机存储器2分别连接，用于将所述滤波图像中灰度值在所述烟雾上限灰度阈值和所述烟雾下限灰度阈值之间的像素识别并组成疑似烟雾子图像，所述识别单元与所述分割单元和所述随机存储器2分别连接，用于识别出所述疑似烟雾子图像中的烟雾区域。

所述主控制器5为TI公司的DSP芯片TMS320C6416，当所述无人机的当前高度与所述目标飞行高度匹配且所述实时北斗星数据与所述目标飞行北斗星匹配时，启动所述烟雾检测设备8中的航空摄像机81和烟雾图像处理器82，之后，所述主控制器5在接收到烟雾区域和存在烟雾信号时，将所述森林图像、所述烟雾区域和所述存在烟雾信号通过所述微波通信接口6转发给所述远端森林管理平台，在接收到所述无烟雾信号时，将所述无烟雾信号通过所述微波通信接口6转发给所述远端森林管理平台。

其中，所述烟雾上限灰度阈值和所述烟雾下限灰度阈值用于将图像中的疑似烟雾和背景分离，所述RGB均值阈值、所述RGB标准差阈值和所述饱和度阈值用于进一步确定疑似烟雾中的烟雾区域；所述识别单元针对所述疑似烟雾子图像中的每一个疑似烟雾像素，计算RGB均值、RGB标准差和饱和度，如果计算的RGB均值小于等于所述RGB均值阈值、计算的RGB标准差小于等于所述RGB标准差阈值且计算的饱和度小于等于所述饱和度阈值，则确定该疑似烟雾像素为烟雾像素，反之，则确定该疑似烟雾像素为非烟雾像素，在所述疑似烟雾子图像中不存在烟雾像素时，发出无烟雾信号，在所述疑似烟雾子图像中存在烟雾像素时，基于所述疑似烟雾子图像中所有烟雾像素的位置组成烟雾区域，并发出存在烟雾信号。

其中，在所述森林烟雾区域检测系统中，所述USB通信接口1、所述随机存储器2、所述北斗星定位设备3和所述主控制器5都位于所述无人机的前端仪表盘内，并且可以集成在一块集成电路板上，所述烟雾检测设备8可位于所述无人机外壳的正下方，所述无线电高度检测仪4和所述微波通信接口6可嵌入在所述无人机外壳的前端表面上，所述无人机动力装置7可被封装在所述无人机外壳的前端内，所述供电设备9用于为所述检测系统供电，所述RGB均值为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值的平均值、所述RGB标准差为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值的标准差，所述饱和度为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值中最大值和最小值之差除以R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值中最大值。

另外，在所述烟雾检测设备82中，所述预处理单元与所述航空摄像机81连接，以对接收的森林图像依次进行降噪和滤波处理，输出滤波图像，其中，降噪处理和滤波处理是两种不同的处理，去除的目标频率成分不同，降噪处理可以用于去除森林图像中的椒盐噪声、高斯白噪声等，以获得降噪图像，而滤波处理可用于对所述降噪图像进行低通滤波、小波滤波、自适应滤波、中值滤波等，以获得所述滤波图像。

另外，图像由多个像素组成，每一个像素的像素值可以用RGB颜色空间的R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值来表示，R颜色通道值为红色颜色通道值，G颜色通道值为绿色颜色通道值，B颜色通道值为蓝色颜色通道值。所述RGB均值为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值相加除以3，所述RGB标准差为将R颜色通道值与所述RGB均值之差的平方、G颜色通道值与所述RGB均值之差的平方、B颜色通道值与所述RGB均值之差的平方相加后除以3，将得到的值开方而获得，所述饱和度为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值中最大值和最小值之差除以R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值中最大值。

采用本发明的森林烟雾区域检测系统，针对现有森林烟雾检测系统的检测载体不明确、烟雾检测精度不高的技术问题，采用性价比适中、控制更为灵活的无人机作为检测载体，引入分层次的烟雾区域检测模式，增加了检测效率，提高了检测精度，为森林火情的预防提供更好的预警手段。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种森林烟雾区域检测系统，所述检测系统位于无人机上，其特征在于，所述检测系统包括微波通信接口、烟雾检测设备、无人机动力装置和主控制器，所述微波通信接口用于接收远端森林管理平台发送的飞行控制指令，所述飞行控制指令包括检测位置，所述主控制器与所述微波通信接口、所述烟雾检测设备和所述无人机动力装置分别连接，控制所述无人机动力装置飞往所述检测位置，并在确定所述无人机在所述检测位置时，启动所述烟雾检测设备以检测森林中的烟雾区域。

2.如权利要求1所述的森林烟雾区域检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括：

USB通信接口，与随机存储器连接，用于将外部U盘中的数据自动读入所述随机存储器中，所述外部U盘中的数据包括烟雾上限灰度阈值、烟雾下限灰度阈值、RGB均值阈值、RGB标准差阈值和饱和度阈值；

随机存储器，用于存储所述烟雾上限灰度阈值、所述烟雾下限灰度阈值、所述RGB均值阈值、RGB标准差阈值和饱和度阈值；

北斗星定位设备，连接北斗星导航卫星，用于接收所述无人机所在位置的实时北斗星数据；

无线电高度检测仪，包括无线电发射机、无线电接收机和微控制器，所述微控制器与所述无线电发射机和所述无线电接收机分别连接，所述无线电发射机向地面发射无线电波，所述无线电接收机接收地面反射的无线电波，所述微控制器根据所述无线电发射机的发射时间、所述无线电接收机的接收时间和无线电波传播速度计算所述无人机的当前高度，所述无线电波传播速度为光速；

所述微波通信接口与所述远端森林管理平台之间实现微波通信连接，接收到的所述飞行控制指令中的检测位置包括目标飞行高度和目标飞行北斗星数据；

所述无人机动力装置包括旋转式活塞发动机，用于驱动所述无人机飞向所述检测位置；

所述烟雾检测设备包括相互连接的航空摄像机和烟雾图像处理器，所述航空摄像机为线阵数码航空摄影机，包括减震底架、前盖玻璃、镜头、滤镜和成像电子单元，用于拍摄所述检测位置所在森林场景以输出森林图像，所述烟雾图像处理器包括预处理单元、分割单元和识别单元，所述预处理单元与所述航空摄像机连接，以对接收的森林图像依次进行降噪和滤波处理，输出滤波图像，所述分割单元与所述预处理单元和所述随机存储器分别连接，用于将所述滤波图像中灰度值在所述烟雾上限灰度阈值和所述烟雾下限灰度阈值之间的像素识别并组成疑似烟雾子图像，所述识别单元与所述分割单元和所述随机存储器分别连接，用于识别出所述疑似烟雾子图像中的烟雾区域；

所述主控制器为TI公司的DSP芯片TMS320C6416，与所述北斗星定位设备、所述无线电高度检测仪、所述微波通信接口、所述无人机动力装置和所述烟雾检测设备分别连接，当所述无人机的当前高度与所述目标飞行高度匹配且所述实时北斗星数据与所述目标飞行北斗星匹配时，启动所述烟雾检测设备中的航空摄像机和烟雾图像处理器，之后，所述主控制器在接收到烟雾区域和存在烟雾信号时，将所述森林图像、所述烟雾区域和所述存在烟雾信号通过所述微波通信接口转发给所述远端森林管理平台，在接收到所述无烟雾信号时，将所述无烟雾信号通过所述微波通信接口转发给所述远端森林管理平台；

其中，所述烟雾上限灰度阈值和所述烟雾下限灰度阈值用于将图像中的疑似烟雾和背景分离，所述RGB均值阈值、所述RGB标准差阈值和所述饱和度阈值用于进一步确定疑似烟雾中的烟雾区域；

其中，所述识别单元针对所述疑似烟雾子图像中的每一个疑似烟雾像素，计算RGB均值、RGB标准差和饱和度，如果计算的RGB均值小于等于所述RGB均值阈值、计算的RGB标准差小于等于所述RGB标准差阈值且计算的饱和度小于等于所述饱和度阈值，则确定该疑似烟雾像素为烟雾像素，反之，则确定该疑似烟雾像素为非烟雾像素，在所述疑似烟雾子图像中不存在烟雾像素时，发出无烟雾信号，在所述疑似烟雾子图像中存在烟雾像素时，基于所述疑似烟雾子图像中所有烟雾像素的位置组成烟雾区域，并发出存在烟雾信号。

3.如权利要求2所述的森林烟雾区域检测系统，其特征在于：

所述USB通信接口、所述随机存储器、所述北斗星定位设备和所述主控制器都位于所述无人机的前端仪表盘内。

4.如权利要求3所述的森林烟雾区域检测系统，其特征在于：

将所述USB通信接口、所述随机存储器、所述北斗星定位设备和所述主控制器集成在一块集成电路板上。

5.如权利要求2所述的森林烟雾区域检测系统，其特征在于：

所述烟雾检测设备位于所述无人机外壳的正下方，所述无线电高度检测仪和所述微波通信接口嵌入在所述无人机外壳的前端表面上，所述无人机动力装置被封装在所述无人机外壳的前端内。

6.如权利要求2所述的森林烟雾区域检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括：

供电设备，用于为所述检测系统供电。

7.如权利要求2所述的森林烟雾区域检测系统，其特征在于：

所述RGB均值为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值的平均值、所述RGB标准差为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值的标准差，所述饱和度为R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值中最大值和最小值之差除以R颜色通道值、G颜色通道值和B颜色通道值中最大值。