CN108648400A - 一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置及预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置及预警方法，无人机本体底部固定有光电吊仓，光电吊仓上安装有可见光摄像机、测温型红外热像仪和激光测距模块；通过可见光摄像机拍摄监测区域视频图像；通过测温型红外热像仪检测实时检测温度，提供红外热像仪数据；通过激光测距模块检测监测区域距离数据；根据激光测距模块检测监测区域距离数据及POS系统数据得到目标火点位置；根据红外热像仪数据，判断火源的燃点；根据区域视频图像，提取目标颜色及亮度特征，判断山火的发展趋势；解决了现有技术对输电线路附近森林火灾监测采用卫星预警存在对于局部范围的山火灾害应急勘测难以适用等技术问题。

Description

一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置及预警方法

技术领域

本发明属于输电线路运维技术，尤其涉及一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置及预警方法。

背景技术

近年来，全球气候的变化频繁，干旱、大风、高温等恶劣天气频发，加之人为活动的影响，全国森林火灾有明显加剧的趋势，森林火灾对架空输电线路的危害日益突出，森林火灾造成架空输电线路故障逐年上升，成为了仅次于雷击故障的第二大故障影响因素，给电网安全和系统稳定造成了较大威胁。架空输电线路是电网的重要组成部分，承担着巨大的电能输送，线路的安全与电网的稳定密切相关，防山火工作是首要任务。

当输电线路附近发生森林火灾时，受现场温度、干燥程度、风速、风向等条件的影响，山火常常会在短时间内快速蔓延，传统的山火监测手段是通过故障巡视人员实地观测汇报，劳动强度大，且视野有限、监测不及时，效率较低、人员安全无法保障，浓烟和高温常常让故障巡视人员无法准确判断着火点，有时候为了保证故障巡视人员的人身安全，山火现场更是严禁靠近，这对快速准确评估山火受灾现场更是存在着极大的难度。

随着科学技术的发展，也利用卫星遥感技术进行山火勘测。该方法具有监测范围广、监测周期短、数据传输快等优点，最重要的是其具有宏观勘测的优势，这些优点使得卫星红外遥感技术在山火防治中扮演着非常重要的角色。但由于该方法资金需求大，而且精确程度取决于可用卫星个数的多少和卫星过境的时间，对于某些地区，境内利用卫星监测山火的勘测频度过低，对生命周期短的火点，不能及时捕获，同时监测受环境的影响很大，环境、气候因素会影响卫星红外遥感的探测结果，造成假热点现象，误报率很高，以至于其适用于大范围常态化勘测，而对于局部范围的山火灾害应急勘测难以适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置及预警方法，以解决现有技术对输电线路附近森林火灾监测采用卫星预警存在的精确程度取决于可用卫星个数的多少和卫星过境的时间，对于某些地区，境内利用卫星监测山火的勘测频度过低，对生命周期短的火点，不能及时捕获，同时监测受环境的影响很大，环境、气候因素会影响卫星红外遥感的探测结果，造成假热点现象，误报率很高，以至于其适用于大范围常态化勘测，而对于局部范围的山火灾害应急勘测难以适用等技术问题。

本发明技术方案为：

一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置，它包括：无人机本体，无人机本体底部固定有光电吊仓，光电吊仓上安装有可见光摄像机、测温型红外热像仪和激光测距模块。

光电吊仓固定在无人机本体底部的惯性导航系统底部，并通过连接机构与无人机本体底部固定连接。

光电吊仓通过数据无线传输链路与地面控制终端连接。

光电吊仓包括控制器和吊舱POS系统，所述控制器与吊舱POS系统和惯性稳定回路控制系统导线连接；控制器与无线通信模块导线连接；可见光摄像机、测温型红外热像仪和激光测距模块分别与控制器连接。

所述的基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置的预警方法，它包括：

步骤1、通过可见光摄像机拍摄监测区域视频图像；通过测温型红外热像仪检测实时检测温度，提供红外热像仪数据；通过激光测距模块检测监测区域距离数据；

步骤2、根据激光测距模块检测监测区域距离数据及POS系统数据得到目标火点位置；

步骤3、根据红外热像仪数据，判断火源的燃点；

步骤4、根据区域视频图像，提取目标颜色及亮度特征，判断山火的发展趋势。

目标火点位置的确定方法为：根据光电吊仓的GPS位置、光电吊仓姿态方位信息、激光测距模块测距数据和地图三维GIS高程数据联合计算，定位目标火点的GPS位置。

判断火源燃点方法为：面积变化法：在火灾发生后，随着过火物体的增加，火焰面积不断增加，红外热像仪数据组成高亮度目标的像素数目不断变多；火焰边缘变化法：在红外热像仪数据中，根据对高亮度目标提取边缘判别该目标是否为火点；闪动规律法：红外热像仪数据的灰度直方图随时间呈规律性变化即判定为是着火点。

本发明的有益效果：

本发明基于红外、可见光的山火识别方法，提高火源识别精度；采用单点激光测距结合吊舱POS信息实现火点距离量测与定位；通过无人机巡检，实现目标跟踪、得到稳定、高质量的现场火灾信息； 解决了现有技术对输电线路附近森林火灾监测采用卫星预警存在的精确程度取决于可用卫星个数的多少和卫星过境的时间，对于某些地区，境内利用卫星监测山火的勘测频度过低，对生命周期短的火点，不能及时捕获，同时监测受环境的影响很大，环境、气候因素会影响卫星红外遥感的探测结果，造成假热点现象，误报率很高，以至于其适用于大范围常态化勘测，而对于局部范围的山火灾害应急勘测难以适用等技术问题。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明光电吊仓组成结构示意图。

具体实施方式

一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置，它包括：无人机本体1，其特征在于：无人机本体1底部固定有光电吊仓4，光电吊仓4上安装有可见光摄像机7、测温型红外热像仪8和激光测距模块9。

光电吊仓4固定在无人机本体1底部的惯性导航系统5底部，并通过与无人机本体1底部固定连接。

光电吊仓4通过数据无线传输链路与地面控制终端10连接。

光电吊仓4包括控制器和吊舱POS系统即定位定姿系统(Positioning andOrientation System，POS) 。

所述控制器与吊舱POS系统和惯性稳定回路控制系统导线连接；控制器与无线通信模块导线连接；可见光摄像机7、测温型红外热像仪8和激光测距模块9分别与控制器连接。

所述的基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置的预警方法，它包括：

步骤1、通过可见光摄像机7拍摄监测区域视频图像；通过测温型红外热像仪8检测实时检测温度，提供红外热像仪数据；通过激光测距模块9检测监测区域距离数据；

步骤2、根据激光测距模块9检测监测区域距离数据及POS系统数据得到目标火点位置；

步骤3、根据红外热像仪数据，判断火源的燃点；

步骤4、根据区域视频图像，提取目标颜色及亮度特征，判断山火的发展趋势。

目标火点位置的确定方法为：根据光电吊仓4的GPS位置、光电吊仓4姿态方位信息、激光测距模块9测距数据和地图三维GIS高程数据联合计算，定位目标火点的GPS位置。

判断火源燃点方法为：面积变化法：在火灾发生后，随着过火物体的增加，火焰面积不断增加，红外热像仪数据组成高亮度目标的像素数目不断变多；火焰边缘变化法：在红外热像仪数据中，根据对高亮度目标提取边缘判别该目标是否为火点；闪动规律法：红外热像仪数据的灰度直方图随时间呈规律性变化即判定为是着火点。

光电吊舱4在地面控制终端10控制下能人工操作吊舱方位俯仰、可见光镜头变焦等动作，并跟踪山火目标；本发明无人机光电吊舱集成红外热成像仪、可见光相机、激光测距仪等多种传感器。红外传感器提供温度信息，通过温度特性识别疑似火点；可见光传感器提供山火的外部特征提高识别率；激光测距仪及吊舱POS系统提供单点激光测距数据、吊舱POS数据，实现山火区域定位。

本发明采用基于红外图像与可见光图像结合的方法，利用红外热成像原理直接观察到燃点，同时根据可见光巡检数据，对可能会发生山火的地区及附近的线路进行监测。

首先，需要进行复杂背景下的温度特征分析，森林中以树木为主，在其吸收太阳能的同时，也会向外辐射大量热量。通过前期无人机搭载多光谱飞行吊舱对输电走廊进行巡检，提取不同环境、不同时间的森林背景红外图像，计算并分析其温度场数据的分布规律，获得热红外图像中森林背景的温度特征。同时，获取火源在不同阶段的红外成像，获取山火、烟雾图像特征数据，分析从火点起初阶段、全面发展阶段到余火阶段图像特征，形成存储数据库。通过实时监测测数据与数据库中的数据的比对实现对输电线路走廊山火的识别。

火焰是物体燃烧时自发产生的一种物理现象，它的本质是一种光辐射，光辐射属于电磁波的一种，电磁波的波长在1nm到1mm之间，其中380nm~780nm波段的电磁波可被人眼感知，所以被称为可见光。波长小于可见光波长的电磁波通常被称为紫外线，长于可见光的则被称为红外线。火焰燃烧时除了辐射出不同颜色的可见光外，还会辐射出主要集中于950nm~2000nm的红外辐射。正是基于火焰的这种红外辐射特点，人们才意识到可以将红外探测器引入到火灾探测当中，正常情况下森林背景中的物体温度普遍较低，热辐射较弱，一旦出现火情，红外探测器就会探测到较强的红外辐射，这时红外图像中就会出现高亮度的区域。 物体在燃烧时，随着温度的变化，火焰会呈现不同的颜色。尤其在早期火灾阶段，火焰有一个从无到有的发展过程，这个时候，火焰的形状、面积、辐射强度等都会随着火灾的进行而变化，我们可以利用火焰的这些特点来识别火灾。本发明对于火焰的识别判据基于以下几点

（1）面积变化：在火灾发生后不断发展的过程中，随着过火物体的增加，火焰面积必然也会不断增加，它在红外图像中的表现即为组成高亮度目标的像素数目不断变多；

（2）边缘变化：火焰的边缘有自己的特性，例如纵向呈尖角状，这与其他的高温干扰物体是有很大区别的，在红外图像处理中，根据对高亮度目标提取边缘就可以判别该目标是否为火点；

（3）闪动规律：大量研究表明火焰在燃烧过程中各会以8~12Hz 的频率闪动， 并且不随环境的变化而改变。这在红外图像中会表现为图像的灰度直方图会随时间呈规律性变化；

（4）分层变化：火焰内部的温度并不是均匀分布的，大部分时候内焰的温度都明显比外焰低，森林中的木材等在燃烧时表面辐射会很强，高温部分可以根据温度分布规律分为固体表面和火焰部分这两层；

（5）整体移动：火焰在在早期发展过程中，会随着过火物体的改变而慢慢地整体移动中心火焰的位置，这在红外图像中会表现为高亮度目标的位置会随时间缓慢变化。

在火灾发生初期，由于物体的不完全燃烧，会产生大量的烟雾，所以说烟雾是火灾的前兆和伴随产物。烟雾是有浓度和温度的，温度令它可以产生较强的红外辐射以区别于森林背景。而与周围背景的浓度差会使烟雾在红外图像中产生边缘效应，即随着烟雾的漂移，背景会在红外图像中时隐时现，采用小波算法来检测图像中的边缘会发现图像中物体边缘的小波系数值在烟雾较浓时会减小。

除此以外，烟雾还具有扩散性和不规则性的动态特性，烟雾的扩散性使烟雾的浓度会随着着火时间和着火距离而变小，这就可以体现为图像中的边缘效应。不规则性是指烟雾的形状会随着它在大气空间中的扩散而呈现不规则的变化，这与大部分干扰物体总是呈现一定的形状是有所不同的，因此可以用来提高对烟雾的识别率。

Claims (7)

1.一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置，它包括：无人机本体（1），其特征在于：无人机本体（1）底部固定有光电吊仓（4），光电吊仓（4）上安装有可见光摄像机（7）、测温型红外热像仪（8）和激光测距模块（9）。

2.根据权利要求1所述的一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置，其特征在于：光电吊仓（4）固定在无人机本体（1）底部的惯性导航系统（5）底部，并通过连接机构（6）与无人机本体（1）底部固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置，其特征在于：光电吊仓（4）通过数据无线传输链路与地面控制终端（10）连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置，其特征在于：光电吊仓（4）包括控制器和吊舱POS系统，所述控制器与吊舱POS系统和惯性稳定回路控制系统导线连接；控制器与无线通信模块导线连接；可见光摄像机（7）、测温型红外热像仪（8）和激光测距模块（9）分别与控制器连接。

5.如权利要求1所述的基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置的预警方法，它包括：

步骤1、通过可见光摄像机（7）拍摄监测区域视频图像；通过测温型红外热像仪（8）检测实时检测温度，提供红外热像仪数据；通过激光测距模块（9）检测监测区域距离数据；

步骤2、根据激光测距模块（9）检测监测区域距离数据及POS系统数据得到目标火点位置；

步骤3、根据红外热像仪数据，判断火源的燃点；

步骤4、根据区域视频图像，提取目标颜色及亮度特征，判断山火的发展趋势。

6.根据权利要求5所述的一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置的预警方法，其特征在于：目标火点位置的确定方法为：根据光电吊仓（4）的GPS位置、光电吊仓（4）姿态方位信息、激光测距模块（9）测距数据和地图三维GIS高程数据联合计算，定位目标火点的GPS位置。

7.根据权利要求5所述的一种基于多光谱的输电线路山火勘测预警装置的预警方法，其特征在于：判断火源燃点方法包括：面积变化法：在火灾发生后，随着过火物体的增加，火焰面积不断增加，红外热像仪数据组成高亮度目标的像素数目不断变多；火焰边缘变化法：在红外热像仪数据中，根据对高亮度目标提取边缘判别该目标是否为火点；闪动规律法：红外热像仪数据的灰度直方图随时间呈规律性变化即判定为是着火点。