溫雪巖 王雨婷 朱 泳 金曉慶 羿宏雷

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (哈爾濱林業(yè)機械研究所)

森林火災(zāi)會給森林帶來不可逆轉(zhuǎn)的災(zāi)難。因為它不僅燒毀成片森林，傷害林內(nèi)動物，還會降低森林的新陳代謝功能，引起土壤貧瘠和破壞森林水源，甚至導(dǎo)致整個生態(tài)環(huán)境失衡。傳統(tǒng)的林火監(jiān)測技術(shù)主要包括建立瞭望塔和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，瞭望塔是通過人工監(jiān)測發(fā)現(xiàn)火險，該方法會因林區(qū)地勢所限，觀察范圍易出現(xiàn)許多死角和盲點，并且在伴隨火險煙霧濃重的情況下，無法觀察清楚火險現(xiàn)場實況。視頻監(jiān)測系統(tǒng)主要是將采集到的視頻圖像通過微波匯總，人工進行集中監(jiān)視，由于人個體的知識庫和經(jīng)驗值的不同，會出現(xiàn)誤報火險等級的情況。本系統(tǒng)采用模擬仿真，通過遠紅外線監(jiān)測，采集疑似火險圖像，經(jīng)高通濾波去除煙霧，并且在采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)填充后，提取火焰動態(tài)特征，分析得出結(jié)論，判定是否發(fā)生火險。

MATLAB 軟件主要用于數(shù)學(xué)建模和模擬仿真，在MATLAB 平臺下，提供了一個人機交互的數(shù)學(xué)系統(tǒng)環(huán)境，用戶可以實現(xiàn)程序設(shè)計，數(shù)字建模，分析仿真，文件管理等操作。MATLAB 在國際科學(xué)界已被公認為是最具影響力的圖像分析仿真軟件［1］。

1991年以來，國家林業(yè)局建立了基于地理信息系統(tǒng)GIS 的國家林火管理系統(tǒng)，解決了林相圖與地形圖的配準和標準化問題，把多個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)融為一體，先后在多個地區(qū)實施推廣。中國林科院基于View GIS 平臺，完成了一整套林火管理系統(tǒng)的開發(fā)，具有較完備的決策能力，能夠生成相關(guān)林火專圖。2003年，中科院遙感應(yīng)用研究所建成了森林火災(zāi)遙感監(jiān)測系統(tǒng)，通過紅外探測器對城市以及周邊地區(qū)森林進行火險監(jiān)測，開發(fā)建立了幾個重點區(qū)域?qū)崟r防火監(jiān)控與指揮系統(tǒng)。通過GPS 對森林火險的精準定位，把采集到的信息傳回防火指揮中心，達到森林防火的目標。迄今為止，國家大力加強廣義3S 技術(shù)在林火輔助決策上的應(yīng)用，對天氣情況，地理環(huán)境，氣候變化等多方面因素進行權(quán)重評價，估計森林可燃物燃燒當量，預(yù)測火險等級［2］。

1 圖像預(yù)處理

對遠紅外線采集到的彩色圖像經(jīng)過灰度變換，轉(zhuǎn)換成灰度圖像，用代碼y1=rgb2gray(y)實現(xiàn)。如圖1所示。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是建立在數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上的一門學(xué)科。到目前為止，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)已經(jīng)形成了全新的圖像處理方法和理論，成為計算機數(shù)字圖像處理的一個重要研究領(lǐng)域。

開運算和閉運算是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中最基本的兩個運算。開運算是先腐蝕后膨脹的過程，它可以去除目標區(qū)域外孤立的點，平滑較大物體的邊界，并且在細微處分離物體也有著良好的效果。閉運算是先膨脹后腐蝕的過程，它能有效填充物體內(nèi)細小的孔洞，連接鄰近的物體，形成統(tǒng)一整體。本系統(tǒng)主要應(yīng)用的是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的開閉運算組合。

圖1 灰度圖像

本試驗采集連續(xù)的5 幀火焰圖像，經(jīng)過巴特沃思高通濾波器消除煙霧后，運用開閉運算組合，填充圖像中孔洞和圖像邊緣，去除目標區(qū)域外孤立的小點、毛刺和小橋，使物體的整體邊界變得平滑，同時在最大程度上保留物體原有的面積。用代碼s=strel(‘disk’，5);y2 = imclose(y1，s);y3 = imopen(y2，s)來實現(xiàn)。函數(shù)strel 在操作結(jié)構(gòu)元素應(yīng)用，函數(shù)imclose 對圖像實現(xiàn)閉運算，函數(shù)imopen 對圖像實現(xiàn)開運算。如圖2—圖3所示。

圖2 閉運算

2 改進的閾值分割法

將圖像直方圖按設(shè)定的灰度值分割成兩部分，當被分割的兩部分圖像類間方差最大，類內(nèi)方差最小時，這個設(shè)定的灰度值就是圖像分割的最佳閾值。

圖3 開運算

假設(shè)圖像有L 個灰度級，用閾值T 分割成兩部分A1和A2。Pi為灰度級為i 的像素出現(xiàn)的概率。如式(1)所示。

式中:w1，w2表示圖像中兩部分的灰度均值，w 則表示整幅圖像的灰度均值。

式(2)中，〥in代表類內(nèi)方差，〥out代表類間方差。

灰度值應(yīng)選取類間方差最大，類內(nèi)方差最小的值，所以由式(3)得出:

計算出Q 的最大值，就是最佳閾值T。

為了解決目標區(qū)域和背景區(qū)域灰度級相近的問題，減少圖像分割時所造成的誤差，本系統(tǒng)決定對所取得的閾值進行加權(quán)成為兩個新的閾值，加權(quán)參數(shù)的選取由對圖像的修改情況決定。

3 火焰特征提取

3.1 火焰面積判別

早期森林火險是不穩(wěn)定且不斷變化的，它的主要特征集中于火焰的邊緣，例如火焰面積增大，火焰尖角數(shù)目改變，火焰邊緣抖動劇烈和整體發(fā)生移動等。

針對火焰面積增大的特點，本實驗分別采集兩組連續(xù)的5 幀圖像進行對比，一組為蠟燭火焰，另一組為燃燒火焰，計算出兩組圖像目標區(qū)域的面積，并求出相鄰兩幅圖像的面積差和前M 幅圖像面積均值進行比較。

假設(shè)采集到連續(xù)的M 幅圖像，計算每幅圖像的面積Sm，兩幅相鄰圖像的面積差Sij和前M 幅圖像的面積均值A(chǔ)m，通過分析結(jié)果獲得面積的特征參數(shù)。如表1所示。

表1 火災(zāi)火焰和蠟燭燃燒面積比較

從表1得出，火焰在燃燒過程中面積持續(xù)增大，相鄰面積差和面積均值都發(fā)生了大幅度變化。反之，蠟燭的面積增長幅度較小，相鄰面積改變不大，而且面積平均值也幾乎是一個恒定的值。所以由結(jié)果得出，火焰面積增大可以作為判別火險發(fā)生的依據(jù)。

雖然上述方法能夠區(qū)分出火焰和固定光源，但是，當固定光源迅速向攝像頭移動時，固定光源的面積也會出現(xiàn)迅速增大的情況，所以火焰面積增大的特性，不能單一使用來判別火險的發(fā)生，需要聯(lián)合其他特性共同進行判別。

3.2 火焰的圓形度判別

在經(jīng)過圖像分割之后，需要繼續(xù)判斷目標圖像中亮點區(qū)域是否滿足火焰的特征。固定光源的形狀都比較規(guī)則，而火焰在燃燒過程中由于邊緣抖動導(dǎo)致火焰形狀呈現(xiàn)不規(guī)則狀。利用這個特點可以通過計算圓形度來識別火焰。但是在提取邊界鏈碼的時候，很可能由于邊界粗糙，有毛刺，把不是邊界的地方誤標成邊界，所以要先經(jīng)過圖像預(yù)處理。減少計算周長的誤差。

圓形度:D=C2/S。

其中:D 代表圓形度，C 代表火焰周長，S 代表火焰面積。火焰的周長可以通過代碼C = length(find(bwperim(y3，4)= = 1))來實現(xiàn)。Bwperim函數(shù)是查找二值圖像的邊緣，find 函數(shù)用于返回所需要元素的所在位置，l 是求某一個矩陣或者向量的長度。設(shè)定水平和垂直的步幅為單位長度，對角線長度為兩個直角步還原成一個對角步，長度也為按照上述的規(guī)則進行遍歷，就可以得到目標區(qū)域的周長。面積則可以通過計算目標區(qū)域的亮點總數(shù)得到。由代碼S= 450×450×s/(s(y3，1)×s(y3，2))實現(xiàn)。函數(shù)s 用來獲取矩陣的行數(shù)和列數(shù)，函數(shù)s 用來求和計算。結(jié)果如表2所示。

表2 火焰與蠟燭圓形度比較

圓形度表示的是圖像形狀的復(fù)雜程度。物體的形狀越復(fù)雜，圓形度的值也會越大。從表2可以看出，比較兩組圖像，火焰圓形度和蠟燭圓形度都具有一個相對統(tǒng)一的值，但是兩者圓形度的差別很大?；鹧鎴A形度在燃燒過程中變化很大，而蠟燭的變化卻很小，基本上趨于一個穩(wěn)定的恒值。這里需要指出的是，火焰在燃燒過程中，圓形度會隨著時間和火險的變化而相對發(fā)生變化，所以只有在有限時間內(nèi)采集連續(xù)的圖像，才可以獲得相對穩(wěn)定的圓形度數(shù)值。從計算結(jié)果可以得出，圓形度可以作為判別火險的重要依據(jù)。

3.3 火焰質(zhì)心偏移距離

質(zhì)心是質(zhì)量中心的簡稱，它指物質(zhì)系統(tǒng)上被認為質(zhì)量集中于此的一個假想點。質(zhì)心的位置矢量是用質(zhì)心坐標來表示。即:以質(zhì)量為權(quán)的平均坐標。由牛頓運動定律可以推出質(zhì)心運動定律:質(zhì)心的運動和一個位于質(zhì)心的質(zhì)點的運動相同，該質(zhì)點的質(zhì)量等于質(zhì)點系的總質(zhì)量，而該質(zhì)點的作用力等于作用于質(zhì)點系上的所有外力平移到這一點后的矢量和。

火焰質(zhì)心的坐標:

兩點間的距離:

固定光源的質(zhì)心是處于穩(wěn)定狀態(tài)的，而火焰在劇烈燃燒的過程中，火焰的質(zhì)心坐標會變化，導(dǎo)致質(zhì)心偏移距離的產(chǎn)生。如表3所示。

表3 火焰質(zhì)心偏移距離比較

從表3中可以看出，在連續(xù)火焰圖像中，火焰的質(zhì)心坐標在不斷的發(fā)生改變，根據(jù)兩點間的距離公式可以得出相鄰兩幅圖像的火焰質(zhì)心偏移距離也發(fā)生改變。相反的，蠟燭燃燒圖像中，蠟燭的質(zhì)心坐標沒有發(fā)生大的變化，質(zhì)心偏移距離也趨近于零。實驗數(shù)據(jù)驗證火焰質(zhì)心偏移距離可以成為判定火險發(fā)生的重要依據(jù)。

4 結(jié)論

用這種改進的閾值分割法來火險識別比傳統(tǒng)的火險識別方法存在著很多優(yōu)勢。

系統(tǒng)通過遠紅外線大面積覆蓋的晝夜監(jiān)測，可以有效的提高了監(jiān)測的效率，大幅度降低了由人工集中監(jiān)測造成的漏報、錯報機率。當采集到疑似火險圖像時，系統(tǒng)使用巴特沃思高通濾波器作為濾波器，應(yīng)用傅里葉變化函數(shù)的方法消除煙霧，為后期的林火圖像分析、處理奠定基礎(chǔ)。應(yīng)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)進行空洞和邊緣填充，去除噪聲干擾，平滑目標區(qū)域邊界，便于火焰的動態(tài)特征提取。以火焰面積，火焰圓形度和火焰質(zhì)心偏移距離作為火險的判定依據(jù)，可以精確地判斷出是否有火險發(fā)生。

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