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(jì)算出A、B兩點(diǎn)的地理坐標(biāo)，從而計(jì)算出火點(diǎn)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(yùn)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(shí)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(diǎn)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(jì)了林火視頻監(jiān)測定位系統(tǒng) (監(jiān)測點(diǎn)、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(shí)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(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由監(jiān)測點(diǎn)、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(diǎn)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(diǎn)由攝像機(jī)和數(shù)字云臺組成。攝像機(jī)的視頻信號和實(shí)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(shí)現(xiàn)對變焦鏡頭、云臺的控制。

監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)的合理建設(shè)位置。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以VS2005(C)和ESRI的二次開發(fā)組件ArcEngine為開發(fā)平臺，實(shí)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)定位、雙點(diǎn)定位和多點(diǎn)定位3種定位方法。單點(diǎn)定位是基于單個瞭望塔實(shí)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(jì)算攝像機(jī)視頻窗口的中心線與地面的交點(diǎn)［4］。

考慮到科研成本和課題經(jīng)費(fèi)問題，要用最少的監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測最大的區(qū)域，本系統(tǒng)采用的是單點(diǎn)定位方法。主要研究提高單點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)定位方法的研究

如果火點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的經(jīng)緯度。

單點(diǎn)定位的基本思路如圖4所示。

圖4 單點(diǎn)定位的基本思路

單點(diǎn)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(diǎn)定位的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)定位數(shù)學(xué)模型如圖5所示。

圖5 單點(diǎn)定位的數(shù)學(xué)模型

由漸進(jìn)窮舉法［7］可得火點(diǎn)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(jì)算出A、B兩點(diǎn)的地理坐標(biāo)，從而計(jì)算出火點(diǎn)F的經(jīng)緯度。

2.2 攝像機(jī)角度的校正

實(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)回傳的水平角與攝像機(jī)實(shí)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(diǎn)回傳的水平角與攝像機(jī)實(shí)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(jì)算出。假設(shè)一個目標(biāo)點(diǎn)P，使攝像機(jī)視窗中心線對準(zhǔn) P，監(jiān)測點(diǎn)回傳的攝像機(jī)水平角為 α’，利用GPS測定P點(diǎn)的經(jīng)緯度 (x，y)，已知攝像機(jī)H點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，在GIS中計(jì)算出攝像機(jī)實(shí)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(diǎn)P，使攝像機(jī)視窗中心線對準(zhǔn)P，此時攝像機(jī)實(shí)際的旋轉(zhuǎn)角應(yīng)該為0，監(jiān)測點(diǎn)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(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)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(yàn)。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(yàn)點(diǎn)分別進(jìn)行了放火試驗(yàn)，系統(tǒng)自動識別出火點(diǎn)并進(jìn)行定位，定位結(jié)果如圖7所示。

圖7 定位試驗(yàn)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(yàn)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo) (表1)。

利用GPS測得放火試驗(yàn)點(diǎn)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(yàn)點(diǎn)經(jīng)緯度

表2 GPS測出的試驗(yàn)點(diǎn)經(jīng)緯度

比較系統(tǒng)自動定位試驗(yàn)結(jié)果和GPS測得的放火試驗(yàn)點(diǎn)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(jì)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(yàn)，試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了林火定位，為森林防火決策部門提供關(guān)鍵的火點(diǎn)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(diǎn)定位進(jìn)行了初步探索，實(shí)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(diǎn)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(diǎn)定位和多點(diǎn)定位算法做進(jìn)一步研究，以減少遠(yuǎn)距離單點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)定位技術(shù)的航空測量應(yīng)用實(shí)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(jì)算機(jī)仿真，2005(10):119－122.