CN111476964A - 一种远程森林防火监控系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及森林防火抗灾领域，具体公开了一种远程森林防火监控系统与方法，主要包括有监控端、服务器端和用户端：监控端采集监控区域的图像信息和数据信息，并对图像信息进行初步图像处理，同时将初步处理的图像信息、数据信息以及监控端信息发送至服务器端；服务器端对初步处理后的图像信息进行进一步图像处理，并获得分析结果和报警信息，并对数据信息进行保存，并在产生报警信息时向用户端发送报警信息；用户端提取数据信息和处理好的图像信息，并显示分析结果和报警信息。通过本系统与方法，能够更加高效率的获得林火预警信息，同时提醒相关人员在有效时间内进行相应防范措施，并在具有林火发生条件的趋势下，及时预警。

Description

一种远程森林防火监控系统与方法
技术领域
本发明涉及森林防火抗灾领域，具体涉及一种远程森林防火监控系统与方法。
背景技术
森林火灾泛指不受人为意志影响，在林地中不受控制的自由扩张，对生态系统以及人类社会产生一定的损失与灾害的林火行为，不仅于此，他的突发性和随机性更会使得后果不仅不可预测，还会带来极大的危害。
今年来，人们在城市化溅射的同时，生态意识也逐渐加强，森林作为生态环境的重要部分，也慢慢的引起了人们的重视，因此人们对森林防火逐步投入了大量的人力精力和财力。在旧社会，国家常通过护林员对森林进行巡查，但人工性的巡查时常出于多种原因在投入大量人力成本的情况下，仍无法准确得到实时的火灾信息，使得人工森林防火效果低下，无法达到很好的火灾防控的作用。而如今，人们通常利用各类传感设备对火灾进行预警，比如温度以及烟雾浓度等为检测要素的传感器，能够快速准确的检测出局部火灾与火势蔓延情况。但这一类的传感器往往更适用于封闭环境，在开放环境下，如烟雾传感器就容易受到高速气流影响。
发明内容
为了解决现有传感器通常只适用于密闭空间，对于大范围环境的监控无法能够更有效及时的对森林火灾进行预警，同时传统依靠视频图像监测森林防火的方法，受限于网络传输速度，若是图像过大或者网络带宽较小，就无法实现视频同步回传，导致视频画面滞后的问题，本发明提出了一种远程森林防火监控系统，含有监控端、服务器端和用户端，其中监控端包括数据采集模块和通信模块，服务器端包括数据处理模块和报警模块，用户端包括监控模块，其中:
数据采集模块，用于采集监控区域的图像信息和数据信息，并对图像信息进行初步图像处理；
通信模块，用于向服务器端传输初步处理后的图像信息和数据信息，以及监控端信息；
数据处理模块，用于对初步处理后的图像信息进行进一步图像处理，并获得分析结果和报警信息，并对数据信息进行保存；
报警模块，用于在火情发生时向用户端发送报警信息；
监控模块，用于从服务器端提取数据信息和处理好的图像信息，并显示分析结果和报警信息。
进一步地，所述：
数据信息，包括监控区域的风力系数、烟雾浓度信息和温湿度信息；
监控端信息，包括编号、时间戳和定位信息。
进一步地，所述图像处理包括步骤：
A1：数据采集模块初步图像处理，利用卷积法将图像进行卷积，并进行灰度化处理；
A2：数据处理模块进一步图像处理，对处理好的图像利用帧间差分法进行图像感兴趣区域提取；
A3：若出现图像感兴趣区域，数据处理模块发出报警信息。
进一步地，所述步骤A3中，当发出报警信号后，还包括蔓延速度预测，包括步骤：
B1：根据风力系数利用预设计算公式计算蔓延速度；
B2：根据蔓延速度对附近居民发出报警信号。
其中，所述预设计算公式具体为：
R＝R0KSKW/cosφ
其中，R为林火蔓延速度，R0为初始蔓延速度，KS为可燃物系数，KW为风力系数，Φ为坡度值。
进一步地，所述服务器端还包括形式分析模块，用于根据风力系数、烟雾浓度信息和温湿度信息做出形势折线图。
本发明还提出了一种远程森林防火监控方法，包括步骤：
S1：采集监控区域的图像信息和数据信息，并对图像信息进行初步图像处理；
S2：将初步处理的图像信息、数据信息以及监控端信息发送至服务器端；
S3：对初步处理后的图像信息进行进一步图像处理，并获得分析结果和报警信息，并对数据信息进行保存，并在产生报警信息时向用户端发送报警信息；
S4：提取数据信息和处理好的图像信息，并显示分析结果和报警信息。
其中，数据信息，包括监控区域的风力系数、烟雾浓度信息和温湿度信息；监控端信息，包括编号、时间戳和定位信息。
进一步地，所述步骤S3中，所述图像处理包括步骤：
A1：初步图像处理，利用卷积法将图像进行卷积，并进行灰度化处理；
A2：进一步图像处理，对处理好的图像利用帧间差分法进行图像感兴趣区域提取；
A3：若出现图像感兴趣区域，则发出报警信号；
当所述步骤A3中发出报警信号后，还包括蔓延速度预测，包括步骤：
B1：根据风力系数利用预设计算公式计算蔓延速度；
B2：根据蔓延速度对附近居民发出报警信号。
其中，所述预设计算公式具体为：
R＝R0KSKW/cosφ
其中，R为林火蔓延速度，R0为初始蔓延速度，KS为可燃物系数，KW为风力系数，Φ为坡度值。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种远程森林防火监控系统与方法，通过对采集到的视频图像信息进行处理分析，来对林火烟雾这一特征区域进行特征区域提取，达到林火预警的作用，解决了传统传感器受限于检测环境，无法应用于大范围森林火灾预警的问题；
(2)通过一系列的图像处理步骤，将高清摄像头获得的高清图像，在不影响成像质量，且不会影响火情判断的情况下，大大减小了视频图像占用的数据空间，加快了监测端、服务器端和用户端的数据传输，避免了监控画面滞后，导致防火预警不及时的问题；
(3)利用帧间差分法对对光不敏感、适用于动态环境、运算简单的特点，完美适用于图像处理后的森林图像信息，能够快速的识别烟雾边缘信息，从而达到快速提取感兴趣区域的用作，加快了林火预警；
(4)增加了蔓延速度预测的功能，通过对林火初始蔓延速度、风力系数的测定，利用公式得出预估的林火蔓延速度，从而提供给相关工作人员以及当地居民有效信息，从而做出及时的防范措施；
(5)通过形势分析模块，将数据信息可视化处理，通过折线图，让工作人员能够更清晰直观的了解天气形势以及森林环境状态的变化，从而在出现容易引发森林火灾的天气趋势下，及时做出相应防范措施。
附图说明
图1为一种远程森林防火监控系统的模块示意图；
图2为一种远程森林防火监控方法的步骤示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了解决现有传感器通常只适用于密闭空间，对于大范围环境的监控无法能够更有效及时的对森林火灾进行预警，同时传统依靠视频图像监测森林防火的方法，受限于网络传输速度，若是图像过大或者网络带宽较小，就无法实现视频同步回传，导致视频画面滞后的问题，如图1所示，本发明提出了一种远程森林防火监控系统，含有监控端、服务器端和用户端，其中监控端包括数据采集模块和通信模块，服务器端包括数据处理模块和报警模块，用户端包括监控模块，其中:
数据采集模块，用于采集监控区域的图像信息和数据信息，并对图像信息进行初步图像处理；
通信模块，用于向服务器端传输初步处理后的图像信息和数据信息，以及监控端信息；
数据处理模块，用于对初步处理后的图像信息进行进一步图像处理，并获得分析结果和报警信息，并对数据信息进行保存；
报警模块，用于在火情发生时向用户端发送报警信息；
监控模块，用于从服务器端提取数据信息和处理好的图像信息，并显示分析结果和报警信息。
进一步地，所述：
数据信息，包括监控区域的风力系数、烟雾浓度信息和温湿度信息；监控端信息，包括编号、时间戳和定位信息。
其中，本系统中数据采集模块包括有：主体包括具有高清摄像能力的动态摄像头监测点，用以捕捉监测范围内的视频画面信息；以及分布于森林各监测点的各类传感器(主演监测烟雾浓度、温度、湿度、风力系数)，其可通过内置的无线通讯或预埋的有线通讯实现监测数据回传至监测点。
当本系统投入使用后，因动态摄像头性能以及监测的需要，采集到的图像往往占用的数据空间较大，这样不利于各模块间数据的高效传输，容易导致回传数据的滞后。因此，本系统的数据采集模块需要将动态摄像头采集到图像信息进行初步图像处理，其主要包括：
利用卷积法，在不影响成像质量的前提下，将图像缩小，这虽然降低了图像整体的分辨率，但其图像主体并不受影响，仍可完成对兴趣区域的提取。而在卷积之后，为了进一步减小图像的数据占用，本系统还将其进行了灰度化处理。并在处理完成后将图像通过通讯模块传输至服务器端。
在此之所以采用灰度化处理，是因为灰度化处理后，因为森林本身色系在灰度处理后整体呈深色调，而所要判断的烟雾感兴趣区域，其主体烟雾在灰度处理后整体呈浅色掉，因此灰度处理并不会影响林火判断，同时通过该举措还进一步减小了图像占用空间，使得数据传输更加迅捷，进而提高的林火预警的及时性。
服务器端在接收到初步处理后的图像信息后，需要对其进行进一步图像处理才能提取出感兴趣区域。在此，本系统采用的是帧间差分法，因为其是利用相邻帧之间时差较短的特点，计算相邻帧之间的动态变化，从而达到动态轮廓提取的作用。同时其对于光照强度不明显、适合用于动态目标、实时性好的特性，非常适用于森林火灾时对烟雾目标的提取。
所述帧间差分法，具体为：
用图像序列中的连续两帧图像进行差分，然后二值化该灰度差分图像来提取运动信息。由帧间变化区域检测分割得到的图像，区分出背景区域和运动车辆区域，进而提取要检测的车辆目标。通过比较图像序列中前后两帧图像对应像素点灰度值的不同，通过两帧相减，如果灰度值很小，可以认为该点无运动物体经过；反之灰度变化很大，则认为有物体经过。第k帧和k+1帧图像fk(x， y)，fk+l(x，y)之间的变化用一个二值差分图像D(x，y)表示，如式：
Figure RE-GDA0002527301460000061
其中，二值图中，0对应前后未变化的地方，1对应变化的地方。
进一步地，为了更好的对森林火情进行处理，本系统还设有林火蔓延速度预测，根据王正非林火蔓延模型，根据公式：
R＝R0KSKW/cosφ
其中，R为林火蔓延速度，R0为初始蔓延速度，KS为可燃物系数，KW为风力系数，Φ为坡度值。在火情发生时，运用该公式，获取林火蔓延的速度，从而更好的提示相关工作人员在有效时间内做出防范措施，并在火情较为严重时发出警报提醒附近居民及时撤离。
进一步地，为了更好的对林火进行预防，本系统还设有形势分析模块，通过将数据采集模块采集到的烟雾浓度信息、温度信息、湿度信息和风力系数信息，将这些数据信息通过折线图的形势表现出来，使得工作人员能够够好的了解森林内各项数据的形势走向，从而根据形势走向，在出现高温、低湿、风力系数高等环境形势下，及时发出预警信息，警示人们防范森林火灾，注意用火安全。
本发明所述的一种远程森林防火监控系统，通过对采集到的视频图像信息进行处理分析，来对林火烟雾这一特征区域进行特征区域提取，达到林火预警的作用，解决了传统传感器受限于检测环境，无法应用于大范围森林火灾预警的问题；同时通过一系列的图像处理步骤，将高清摄像头获得的高清图像，在不影响成像质量，且不会影响火情判断的情况下，大大减小了视频图像占用的数据空间，加快了监测端、服务器端和用户端的数据传输，避免了监控画面滞后，导致防火预警不及时的问题。
利用帧间差分法对对光不敏感、适用于动态环境、运算简单的特点，完美适用于图像处理后的森林图像信息，能够快速的识别烟雾边缘信息，从而达到快速提取感兴趣区域的用作，加快了林火预警。
并增加了蔓延速度预测的功能，通过对林火初始蔓延速度、风力系数的测定，利用公式得出预估的林火蔓延速度，从而提供给相关工作人员以及当地居民有效信息，从而做出及时的防范措施；同时通过形势分析模块，将数据信息可视化处理，通过折线图，让工作人员能够更清晰直观的了解天气形势以及森林环境状态的变化，从而在出现容易引发森林火灾的天气趋势下，及时做出相应防范措施。
实施例二
为了对本发明的有一个更好的技术要点理解，本实施例通过步骤的形式，来对本发明进行阐述，如图2所示，一种远程森林防火监控方法，包括步骤：
S1：采集监控区域的图像信息和数据信息，并对图像信息进行初步图像处理；
S2：将初步处理的图像信息、数据信息以及监控端信息发送至服务器端；
S3：对初步处理后的图像信息进行进一步图像处理，并获得分析结果和报警信息，并对数据信息进行保存，并在产生报警信息时向用户端发送报警信息；
S4：提取数据信息和处理好的图像信息，并显示分析结果和报警信息。
其中，数据信息，包括监控区域的风力系数、烟雾浓度信息和温湿度信息；监控端信息，包括编号、时间戳和定位信息。
进一步地，所述图像处理包括步骤：
A1：初步图像处理，利用卷积法将图像进行卷积，并进行灰度化处理；
A2：进一步图像处理，对处理好的图像利用帧间差分法进行图像感兴趣区域提取；
A3：若出现图像感兴趣区域，则发出报警信号；
其中，当所述步骤A3中发出报警信号后，还包括蔓延速度预测，包括步骤：
B1：根据风力系数利用预设计算公式计算蔓延速度；
B2：根据蔓延速度对附近居民发出报警信号。
其中，所述预设计算公式具体为：
R＝R0KSKW/cosφ
其中，R为林火蔓延速度，R0为初始蔓延速度，KS为可燃物系数，KW为风力系数，Φ为坡度值。
综上所述，实施例一和实施例二所述的一种远程森林防火监控系统与方法，通过对采集到的视频图像信息进行处理分析，来对林火烟雾这一特征区域进行特征区域提取，达到林火预警的作用，解决了传统传感器受限于检测环境，无法应用于大范围森林火灾预警的问题；同时通过一系列的图像处理步骤，将高清摄像头获得的高清图像，在不影响成像质量，且不会影响火情判断的情况下，大大减小了视频图像占用的数据空间，加快了监测端、服务器端和用户端的数据传输，避免了监控画面滞后，导致防火预警不及时的问题。
利用帧间差分法对对光不敏感、适用于动态环境、运算简单的特点，完美适用于图像处理后的森林图像信息，能够快速的识别烟雾边缘信息，从而达到快速提取感兴趣区域的用作，加快了林火预警。
并增加了蔓延速度预测的功能，通过对林火初始蔓延速度、风力系数的测定，利用公式得出预估的林火蔓延速度，从而提供给相关工作人员以及当地居民有效信息，从而做出及时的防范措施；同时通过形势分析模块，将数据信息可视化处理，通过折线图，让工作人员能够更清晰直观的了解天气形势以及森林环境状态的变化，从而在出现容易引发森林火灾的天气趋势下，及时做出相应防范措施。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种远程森林防火监控系统，其特征在于，含有监控端、服务器端和用户端，其中监控端包括数据采集模块和通信模块，服务器端包括数据处理模块和报警模块，用户端包括监控模块，其中:
数据采集模块，用于采集监控区域的图像信息和数据信息，并对图像信息进行初步图像处理；
通信模块，用于向服务器端传输初步处理后的图像信息和数据信息，以及监控端信息；
数据处理模块，用于对初步处理后的图像信息进行进一步图像处理，并获得分析结果和报警信息，并对数据信息进行保存；
报警模块，用于在火情发生时向用户端发送报警信息；
监控模块，用于从服务器端提取数据信息和处理好的图像信息，并显示分析结果和报警信息。
2.如权利要求1所述的一种远程森林防火监控系统，其特征在于，所述：
数据信息，包括监控区域的风力系数、烟雾浓度信息和温湿度信息；
监控端信息，包括编号、时间戳和定位信息。
3.如权利要求1所述的一种远程森林防火监控系统，其特征在于，所述图像处理包括步骤：
A1：数据采集模块初步图像处理，利用卷积法将图像进行卷积，并进行灰度化处理；
A2：数据处理模块进一步图像处理，对处理好的图像利用帧间差分法进行图像感兴趣区域提取；
A3：若出现图像感兴趣区域，数据处理模块发出报警信息。
4.如权利要求3所述的一种远程森林防火监控系统，其特征在于，所述步骤A3中，当发出报警信号后，还包括蔓延速度预测，包括步骤：
B1：根据风力系数利用预设计算公式计算蔓延速度；
B2：根据蔓延速度对附近居民发出报警信号。
5.如权利要求4所述的一种远程森林防火监控系统，其特征在于，所述预设计算公式具体为：
R＝R0KSKW/cosφ
其中，R为林火蔓延速度，R0为初始蔓延速度，KS为可燃物系数，KW为风力系数，Φ为坡度值。
6.如权利要求2所述的一种远程森林防火监控系统，其特征在于，所述服务器端还包括形式分析模块，用于根据风力系数、烟雾浓度信息和温湿度信息做出形势折线图。
7.一种远程森林防火监控方法，包括步骤：
S1：采集监控区域的图像信息和数据信息，并对图像信息进行初步图像处理；
S2：将初步处理的图像信息、数据信息以及监控端信息发送至服务器端；
S3：对初步处理后的图像信息进行进一步图像处理，并获得分析结果和报警信息，并对数据信息进行保存，并在产生报警信息时向用户端发送报警信息；
S4：提取数据信息和处理好的图像信息，并显示分析结果和报警信息。
8.如权利要求7所述的一种远程森林防火监控方法，其特征在于，所述：
数据信息，包括监控区域的风力系数、烟雾浓度信息和温湿度信息；
监控端信息，包括编号、时间戳和定位信息。
9.如权利要求8所述的一种远程森林防火监控方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述图像处理包括步骤：
A1：初步图像处理，利用卷积法将图像进行卷积，并进行灰度化处理；
A2：进一步图像处理，对处理好的图像利用帧间差分法进行图像感兴趣区域提取；
A3：若出现图像感兴趣区域，则发出报警信号；
当所述步骤A3中发出报警信号后，还包括蔓延速度预测，包括步骤：
B1：根据风力系数利用预设计算公式计算蔓延速度；
B2：根据蔓延速度对附近居民发出报警信号。
10.如权利要求9所述的一种远程森林防火监控系统，其特征在于，所述预设计算公式具体为：
R＝R0KSKW/cosφ
其中，R为林火蔓延速度，R0为初始蔓延速度，KS为可燃物系数，KW为风力系数，Φ为坡度值。
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