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        基于ArcEngine的林火視頻監(jiān)測定位系統(tǒng)

        2010-07-31 01:22:54劉龍申沈明霞何瑞銀許水燕叢靜華
        浙江農(nóng)業(yè)科學(xué) 2010年4期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)庫

        劉龍申,沈明霞,何瑞銀,許水燕,叢靜華,汪 東

        (1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué),江蘇 南京 210031;2.南京森林公安高等??茖W(xué)校,江蘇 南京 210046)

        由高斯-克呂格投影平面直角坐標(biāo)反解地理坐標(biāo)的方法[8]計算出A、B兩點的地理坐標(biāo),從而計算出火點F的經(jīng)緯度。

        隨著信息技術(shù)的發(fā)展,林火視頻監(jiān)測逐漸取代了早期人工值守瞭望塔的林火監(jiān)控手段。無線擴(kuò)頻網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)的運用,地理信息系統(tǒng)的發(fā)展,這些軟硬件條件的技術(shù)進(jìn)步,使得林火定位問題的解決有了技術(shù)支撐[1]。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)的林火定位將為森林防火決策部門提供關(guān)鍵的火點位置信息,提高滅火的效率,減少火災(zāi)損失。

        我們基于ArcEngine和數(shù)據(jù)庫技術(shù),設(shè)計了林火視頻監(jiān)測定位系統(tǒng) (監(jiān)測點、無線傳輸系統(tǒng)、林火識別定位系統(tǒng))。應(yīng)用基于DEM數(shù)據(jù)和數(shù)字云臺角度的定位方法,實現(xiàn)了二維地圖、三維模型和攝像機(jī)聯(lián)動,發(fā)現(xiàn)火情時林火的準(zhǔn)確定位。

        1 林火動態(tài)監(jiān)測與定位系統(tǒng)設(shè)計

        1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

        系統(tǒng)由監(jiān)測點、無線傳輸系統(tǒng)和林火識別定位系統(tǒng)組成。單個監(jiān)測點的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

        監(jiān)測點由攝像機(jī)和數(shù)字云臺組成。攝像機(jī)的視頻信號和實時角度通過視頻服務(wù)器由無線傳輸設(shè)備傳輸至監(jiān)控中心;來自監(jiān)控中心的控制信號經(jīng)過無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器,通過視頻服務(wù)器、數(shù)字云臺解碼器實現(xiàn)對變焦鏡頭、云臺的控制。

        監(jiān)測點的選址要考慮地形、地貌,同時應(yīng)該使整個觀察網(wǎng)在所保護(hù)的區(qū)域內(nèi)有最大的視野,以保證及時發(fā)現(xiàn)正在發(fā)生的火災(zāi),確定火災(zāi)位置[2]。系統(tǒng)基于地理信息系統(tǒng) (GIS)的可視性分析方法,以內(nèi)蒙古白狼林區(qū)為研究對象,通過對坡向、坡度、海拔、林班等數(shù)據(jù)的空間分析,確定了林火視頻監(jiān)控點的合理建設(shè)位置。

        1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        系統(tǒng)以VS2005(C)和ESRI的二次開發(fā)組件ArcEngine為開發(fā)平臺,實現(xiàn)地理信息系統(tǒng)的基本功能、數(shù)據(jù)庫操作、林火自動定位以及二維地圖、三維模型和數(shù)字云臺的聯(lián)動。

        ArcEngine提供的組件和工具集,由ArcEngine DeveloperKit和 ArcEngine Runtime 組成[3],它能夠?qū)崿F(xiàn)二維地圖操作功能,還能夠?qū)崿F(xiàn)三維展示、三維分析等高級功能。軟件整體架構(gòu)如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)軟件的整體架構(gòu)

        1.2.1 二維地圖功能開發(fā)

        該系統(tǒng)二維部分采用 ArcEngine的MapControl控件和PageLayoutControl控件開發(fā)。系統(tǒng)讀取地理信息數(shù)據(jù)庫中的二維地圖數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)庫引擎在MapControl控件和PageLayoutControl控件中顯示。

        二維部分功能有地理信息系統(tǒng)的基本功能、火點標(biāo)識功能、火災(zāi)面積估算、最佳路徑分析。

        1.2.2 三維模型功能開發(fā)

        三維部分采用 SenceControl控件和PageLayoutControl控件開發(fā)實現(xiàn)。系統(tǒng)讀取地理信息數(shù)據(jù)庫中的三維模型和DEM數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)庫引擎在 SenceControl控件和 PageLayoutControl控件中顯示。

        三維部分能夠直觀反映當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛玻饕δ苡腥S模型的基本操作功能、坡度提取以及與二維地圖和攝像機(jī)聯(lián)動。

        1.2.3 定位系統(tǒng)

        林火定位有單點定位、雙點定位和多點定位3種定位方法。單點定位是基于單個瞭望塔實現(xiàn)定位,根據(jù)DEM數(shù)據(jù)、瞭望塔海拔高度和攝像機(jī)的水平角、旋轉(zhuǎn)角,計算攝像機(jī)視頻窗口的中心線與地面的交點[4]。

        考慮到科研成本和課題經(jīng)費問題,要用最少的監(jiān)測點監(jiān)測最大的區(qū)域,本系統(tǒng)采用的是單點定位方法。主要研究提高單點定位精度的算法。

        1.2.4 數(shù)據(jù)庫

        本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要由地理信息數(shù)據(jù)庫和火災(zāi)信息數(shù)據(jù)庫兩部分組成??臻g信息數(shù)據(jù)庫存放地理信息的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù);火災(zāi)信息數(shù)據(jù)庫用來自動存放森林火災(zāi)記錄,包括發(fā)生時間、火點經(jīng)緯度、人工審核等,以便用戶查詢火災(zāi)歷史記錄。

        系統(tǒng)軟件采用掃描方式不斷讀取監(jiān)測點數(shù)據(jù),包括視頻和攝像機(jī)的角度,利用火情識別模塊對視頻進(jìn)行處理,分析是否有火情,如果有火情發(fā)生則進(jìn)行報警和林火定位,攝像機(jī)也暫時把鏡頭停留在火點位置;否則二維地圖、三維模型和攝像機(jī)聯(lián)動。軟件流程圖如圖3所示。

        圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

        2 林火定位算法研究

        2.1 單點定位方法的研究

        如果火點定位精度要求較高,則可以真正利用三維監(jiān)控角度數(shù)據(jù)和三維 GIS數(shù)據(jù)另辟蹊徑[5-6]。單點定位就是已知瞭望塔的海拔高度和攝像機(jī)的角度,結(jié)合DEM數(shù)據(jù),求目標(biāo)點的經(jīng)緯度。

        單點定位的基本思路如圖4所示。

        圖4 單點定位的基本思路

        單點定位具有監(jiān)測覆蓋區(qū)域廣,能夠在三維空間進(jìn)行火點定位的優(yōu)點,但由于僅局限單個瞭望塔觀測的方位角和水平角數(shù)據(jù)就必須借助電子地圖。這種方法的理論定位誤差主要取決于窮舉搜索密度和GIS數(shù)據(jù)精度。單點定位數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

        圖5 單點定位的數(shù)學(xué)模型

        由漸進(jìn)窮舉法[7]可得火點F的高度為 FD,已知瞭望塔的經(jīng)緯度為 (x,y),海拔為 HO,攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)角為β,水平角為α,由圖5得:

        由高斯-克呂格投影平面直角坐標(biāo)反解地理坐標(biāo)的方法[8]計算出A、B兩點的地理坐標(biāo),從而計算出火點F的經(jīng)緯度。

        2.2 攝像機(jī)角度的校正

        實際定位誤差除與上述定位算法有關(guān)外還與地圖測繪精度、數(shù)字云臺角度機(jī)械偏差、實時氣象條件、地理坡度各異性等因素密切有關(guān),特別是水平角的細(xì)微偏差對最終的定位結(jié)果會產(chǎn)生較大影響。為了減小單點定位的誤差,須對攝像機(jī)的水平角α和旋轉(zhuǎn)角β進(jìn)行校正。在單點定位數(shù)學(xué)模型中,當(dāng)α=90°,0°<β<360°時攝像機(jī)要絕對水平,當(dāng) β=0°時攝像機(jī)要朝向正北方向。

        目前對攝像機(jī)水平角的校正多采用水平儀,然后對瞭望塔上的云臺支架進(jìn)行調(diào)整,難度較大,成本較高;對攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)角的校正多采用指南針,受云臺電機(jī)中磁場干擾很大。采用這2種方法對攝像機(jī)角度的校正都存在很大誤差。本系統(tǒng)在不改變云臺支架等硬件結(jié)構(gòu)的前提下,利用GPS和 GIS對攝像機(jī)角度進(jìn)行校正,對角度誤差進(jìn)行補(bǔ)償,節(jié)約施工成本,效率高,提高了定位精度。

        2.2.1 水平角的校正

        在實際應(yīng)用中,攝像機(jī)和云臺的安裝很難達(dá)到理想水平位置。攝像機(jī)掃描一周所確定的平面與水平面會有一個夾角,導(dǎo)致監(jiān)測點回傳的水平角與攝像機(jī)實際的水平角之間存在一定偏差,而且該偏差隨著旋轉(zhuǎn)角的變化而變化。

        假設(shè)攝像機(jī)掃描一周所確定的平面與水平面之間的夾角為θ,監(jiān)測點回傳的水平角與攝像機(jī)實際的水平角之差為γ,已知攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)角為β,水平角校正的數(shù)學(xué)模型如圖6所示。

        圖6 水平角校正的數(shù)學(xué)模型

        由圖6可得:

        式中θ是一個未知的常數(shù),可通過代入一個初始值計算出。假設(shè)一個目標(biāo)點P,使攝像機(jī)視窗中心線對準(zhǔn) P,監(jiān)測點回傳的攝像機(jī)水平角為 α’,利用GPS測定P點的經(jīng)緯度 (x,y),已知攝像機(jī)H點的經(jīng)緯度和高度,在GIS中計算出攝像機(jī)實際的水平角α,可得:

        2.2.2 旋轉(zhuǎn)角的校正

        在地理信息系統(tǒng)中,在瞭望塔的正北方向選定一個目標(biāo)點P,使攝像機(jī)視窗中心線對準(zhǔn)P,此時攝像機(jī)實際的旋轉(zhuǎn)角應(yīng)該為0,監(jiān)測點回傳的攝像機(jī)旋轉(zhuǎn)角β′即為旋轉(zhuǎn)角的誤差值。

        3 系統(tǒng)實現(xiàn)及試驗結(jié)果

        利用內(nèi)蒙古白狼林區(qū)三廣山進(jìn)行了施工試驗。測得三廣山瞭望塔的經(jīng)緯度 (x1,y1)為(120°13′15.30″,46°97′19.97″),海拔為1 400 m,塔高為15 m。在攝像機(jī)的監(jiān)測范圍內(nèi)選擇了4個試驗點分別進(jìn)行了放火試驗,系統(tǒng)自動識別出火點并進(jìn)行定位,定位結(jié)果如圖7所示。

        圖7 定位試驗的結(jié)果

        利用公式和高斯-克呂格投影平面直角坐標(biāo)反解地理坐標(biāo)的方法,分別定位出放火試驗點的經(jīng)緯度坐標(biāo) (表1)。

        利用GPS測得放火試驗點的經(jīng)緯度坐標(biāo)如表2所示。

        表1 系統(tǒng)自動定位出的試驗點經(jīng)緯度

        表2 GPS測出的試驗點經(jīng)緯度

        比較系統(tǒng)自動定位試驗結(jié)果和GPS測得的放火試驗點經(jīng)緯度坐標(biāo),考慮到GPS定位誤差,經(jīng)緯度誤差大概為8″,距離誤差約為350 m。

        4 小結(jié)

        利用ArcEngine和數(shù)據(jù)庫技術(shù),設(shè)計了林火視頻監(jiān)測定位系統(tǒng),并選擇在內(nèi)蒙古白狼林區(qū)進(jìn)行了初步試驗,試驗結(jié)果表明:系統(tǒng)適用于可見光下森林防火視頻監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了林火定位,為森林防火決策部門提供關(guān)鍵的火點位置信息,提高滅火的效率,減少森林火災(zāi)損失。

        本系統(tǒng)對將林火監(jiān)測系統(tǒng)單點定位進(jìn)行了初步探索,實現(xiàn)了主要的功能。但是,對于本系統(tǒng)在大范圍森林防火視頻監(jiān)測工程中應(yīng)用,還需對單點定位算法在攝像機(jī)防抖功能上做進(jìn)一步研究,以減少瞭望塔在風(fēng)力作用下擺動帶來的定位誤差;對雙點定位和多點定位算法做進(jìn)一步研究,以減少遠(yuǎn)距離單點定位存在的誤差。

        [1]姚樹人,韓煥金.中國森林防火現(xiàn)狀及其對策的研究 [J].森林防火,2002(4):14-16.

        [2]張健,劉毅,韓寧,等.鷲峰國家森林公園林火視頻監(jiān)控點的選址 [J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009,37(5)24-27.

        [3]Zhu Shijie, Nan Zhuotong. Building GIS framework with arcengine [J].Remote Sensing Technology And Application,2006,21(4):385-390.

        [4]王元園.基于GIS的森林火災(zāi)視頻監(jiān)控自動定位技術(shù)研究[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2008.

        [5]楊鐵軍,張瑞.使用單點定位誤差補(bǔ)償提高姿態(tài)測量精度[J].系統(tǒng)工程與電子術(shù),2006,28(6):907-910.

        [6]張小紅,劉經(jīng)南.基于精密單點定位技術(shù)的航空測量應(yīng)用實踐 [J].武漢大學(xué)測繪院,2006,31(1):19-22.

        [7]李紅,彭方.窮舉式搜索算法及其應(yīng)用 [J].福建電腦,2007(5):34-35.

        [8]劉健,劉高峰.高斯-克呂格投影下的坐標(biāo)變換算法研究[J].計算機(jī)仿真,2005(10):119-122.

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