森林火灾探测器关键技术研究

论文摘要

随着社会经济和工业的快速发展、城市化进程的加快以及人口的迅速增长,高大空间建筑物迅速增加成为未来发展的趋势,随之而来的大空间火灾防治问题也成为关注焦点。特别是近几年来,我国对森林防火越来越重视,以往的以人工操作为主、自动化程度低、监测与通信手段落后的森林防火模式已经远远无法满足现代森林防火的需要。传统的火灾探测技术无法有效地解决森林等大空间的火灾探测问题,而在一些国家广泛使用的遥感技术,由于投入成本较高而难以在小面积区域性林区大范围普及,因此基于图像的火灾探测技术作为一种新型、有效的探测技术,必将具有广阔的应用前景和使用价值。本文分析了森林火灾管理过程,从森林火灾的预防、救援、救灾、灾后重建等环节入手,将森林防火管理过程分为4个相互衔接的循环阶段:缓解、准备、响应与恢复。研究了每个阶段中森林防火的关键点,在此基础上构建了不同阶段的森林防火模型,提出了一个相对完善的森林防火体系。本文深入研究了热红外探测图形型火灾检测技术,并根据这一技术设计了被动式红外雷达森林火灾监测方法,为早期监测小面积的火灾提供了可能。本文对火灾的快速判别进行了深入的研究。首先,根据早期火灾火焰的图像特征和CCD的工作原理,提出了以监测现场背景的平均亮度为反馈调节CCD摄像机曝光时间的方法,以实现火灾图像的快速增强;并以当前摄像机视角下的背景图像为参考,采用差影法实现火灾隐患区域的快速裁剪。其次,将“晶体结晶”理论引入图像分割中,提出了基于热力学原理的图像分割算法。算法结合火灾火焰图像的先验知识,可以快速、准确地提取火焰目标区域。第三,提出了利用“面积判据”和“尖角判据”综合判据,判别火灾的算法及方案:用“面积判据”进行火灾预报警的粗略判断,以提高警惕,在预报警的基础上再用“尖角判据”精确识别,准确判断是否发生火灾。对火焰跟踪技术进行了深入的研究。首先介绍了一般图像跟踪理论框架,给出了火焰跟踪的难点和对策,有效地实现了火焰的跟踪。在火焰疑似区域跟踪的基础上,提取火焰动态特征序列,进行动态特征分析。对高度、面积、亮度等单特征量,先进行变化特征二值化,有效排除干扰,然后进行离散Fourier变换进行频谱能量分析,形成量化判据。对边缘特征,考察临近若干帧的最大变化,对变化特征进行定性和定量分析,形成边缘特征判据量化结果。在各特征判据量化的基础上利用概率更新函数进行特征融合,实现火灾判定概率化。研究了基于GIS的视频定位并设计了云台的单片机控制系统。探讨了视频定位的研究目标,设计了定位的UML活动图,把数字化云台与地形地貌相结合,对火点进行准确定位,同时对定位点进行定性地名映射,找出最佳救援路线,为火灾的快速救援提供科学的参考依据。以TCP/IP协议接收主控机的控制指令,通过PWM调速,用数字PID控制实现对云台直流电机的位置闭环控制以扩大摄像机的监测视野、降低系统成本,为摄像机视角精确定位提供了保证。依据本文提出的算法和实际需要,应用数字微波监测技术构建了一个基于GIS的泰山森林防火系统。为及时准确发现火点、快速调度、快速扑救提供了一个有力的工具。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 概述
• 1.1 引言
• 1.2 森林防火相关技术
• 1.3 火灾探测技术
• 1.4 待研究的问题
• 1.5 课题来源与主要研究内容
• 1.6 本文的创新点
• 2 基于GIS的森林防火模型
• 2.1 森林火灾管理过程分析
• 2.2 基于GIS的森林防火管理模型
• 2.2.1 缓解阶段模型
• 2.2.2 准备阶段模型
• 2.2.3 响应阶段模型
• 2.2.4 恢复阶段模型
• 2.3 林火扑救决策支持模型
• 2.3.1 林火扑救决策涉及的信息
• 2.3.2 林火扑救决策过程
• 2.3.3 最低成本救火力量派遣模型
• 2.3.4 林火扑救决策模型
• 2.4 本章小结
• 3 热红外探测图像型火灾监测技术分析
• 3.1 森林热辐射物理分析
• 3.1.1 各种函数、定义与单位
• 3.1.2 通用的普朗克函数
• 3.1.3 透明度、不透明度与光学密度参数
• 3.1.4 辐射几何学
• 3.1.5 亮度温度
• 3.1.6 分布温度
• 3.1.7 色温
• 3.1.8 归一化色度坐标与黑体温度的关系
• 3.1.9 各种红外量的计算
• 3.2 被动式红外雷达及其森林火灾监测方法
• 3.2.1 红外雷达工作原理
• 3.2.2 被测火源的报警温度
• 3.2.3 火灾面积与探测距离关系
• 3.2.4 异常温区的分析及火灾面积的近似计算
• 3.2.5 探测系统的技术参数
• 3.3 本章小结
• 4 火焰识别技术
• 4.1 数字图像处理概述
• 4.1.1 图像处理的研究内容
• 4.1.2 图像技术基础
• 4.2 火灾图像预处理
• 4.2.1 火灾图像增强
• 4.2.2 火灾图像裁剪
• 4.3 火灾图像分割
• 4.3.1 图像分割技术介绍
• 4.3.2 基于热力学原理的图像分割算法
• 4.3.3 基于先验知识的火灾图像分割
• 4.4 火灾图像识别
• 4.4.1 面积判据
• 4.4.2 尖角判据
• 4.5 本章小结
• 5 火焰跟踪技术
• 5.1 图像跟踪理论概述
• 5.1.1 目标建模
• 5.1.2 相似性度量
• 5.1.3 匹配算法
• 5.2 运动火焰跟踪实现
• 5.2.1 建立疑似区域列表
• 5.2.2 疑似区域搜索
• 5.2.3 基于核直方图的跟踪匹配
• 5.3 运动火焰动态特征分析
• 5.3.1 形体变化
• 5.3.2 闪烁
• 5.4 运动火焰动态识别
• 5.4.1 动态特征提取
• 5.4.2 Fourier变换
• 5.4.3 序列特征二值化
• 5.4.4 边缘特征变化提取
• 5.5 运动火焰识别概率计算
• 5.6 本章小结
• 6 基于GIS的视频定位
• 6.1 基于GIS的视频定位问题研究
• 6.2 基于GIS的视频定位技术
• 6.2.1 视频定位研究目标
• 6.2.2 视频定位条件研究
• 6.2.3 视频定位UML活动图与算法
• 6.3 视频定位误差分析
• 6.3.1 误差类型
• 6.3.2 误差分析
• 6.3.3 视频定位的应用实例
• 6.4 云台电机的PID控制
• 6.4.1 PID控制原理
• 6.4.2 直流电机的数据模型
• 6.4.3 直流电机位置控制系统的结构
• 6.4.4 直流电机的数字式PID控制
• 6.5 本章小结
• 7 系统设计与实现
• 7.1 视频监测网络设计
• 7.2 系统数据库设计
• 7.3 大空间数据查询与分析
• 7.3.1 空间数据查询
• 7.3.2 空间数据分析
• 7.4 决策支持
• 7.5 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间论文发表情况
• 攻读博士学位期间科研参加情况