蘭元帥 何晉

(成都信息工程大學(xué)軟件工程學(xué)院,四川 成都 610225)

森林資源是人類的重要資源，在凈化環(huán)境的同時(shí)給人類帶來多樣的物種資源。但是，我國每年都有不少森林防火不當(dāng)引起的災(zāi)難和損失。

早期森林防火僅依靠人工觀測(cè)技術(shù)，不僅精度低，而且實(shí)時(shí)性差。在森林防火中傳感器技術(shù)帶來了較大影響，但對(duì)于大面積的森林空間，傳統(tǒng)的傳感技術(shù)并不是很有效[1]。由于空間距離大，傳感器無法快速采集煙氣變化信息，有效探測(cè)火災(zāi)情況。目前，森林火災(zāi)的探測(cè)方法大多是紅外探測(cè)方法，具有火災(zāi)探測(cè)精度高的特點(diǎn)，但紅外探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)算法易受到外界干擾，火災(zāi)早期煙霧微弱時(shí)探測(cè)精度較低[2]。

通過深度學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練目標(biāo)檢測(cè)模型，運(yùn)用樹莓派4B搭載YOLOv3機(jī)器視覺模型對(duì)火焰智能識(shí)別，采用這種森林防火方法，抗干擾能力強(qiáng)，檢測(cè)精度高。本系統(tǒng)采用樹莓派4B+，性能強(qiáng)、價(jià)格低、功耗低、體積小，能很好地解決森林防火中因環(huán)境特殊性帶來的防火預(yù)警不及時(shí)的問題，具有一定的推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)

森林防火系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，主要由Gan網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)生成模塊、YOLOv3目標(biāo)檢測(cè)模塊、實(shí)時(shí)圖像采集模塊、動(dòng)態(tài)報(bào)警系統(tǒng)4部分組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

1.1 Gan網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)生成模塊

數(shù)據(jù)處理是模型訓(xùn)練過程中很重要的一步。通過將煙霧和明火的圖片數(shù)據(jù)輸入到圖片生成Gan模型進(jìn)行訓(xùn)練，圖片生成Gan模型訓(xùn)練成熟后再輸入固定格式的編碼即可生成大量目標(biāo)圖片數(shù)據(jù)，以此降低尋找大量訓(xùn)練圖片數(shù)據(jù)的成本，再將由圖片生成Gan模型的生成的目標(biāo)圖片數(shù)據(jù)根據(jù)需求進(jìn)行標(biāo)注，標(biāo)注后的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，加快網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的收斂性；再將歸一化處理后的目標(biāo)圖片數(shù)據(jù)輸入到目標(biāo)檢測(cè)模型進(jìn)行訓(xùn)練，目標(biāo)檢測(cè)模型訓(xùn)練成熟后即可連接至輸入設(shè)備待用。

1.2 目標(biāo)檢測(cè)模塊

火災(zāi)主要的特征是明火和煙霧，因此對(duì)于森林火災(zāi)識(shí)別模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)應(yīng)為明火和煙霧的圖片數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)增加“光線”相關(guān)特征使目標(biāo)檢測(cè)模型精度更高。對(duì)于模型算法的使用優(yōu)選為YOLOv3模型。YOLOv3目標(biāo)檢測(cè)模型引用更加強(qiáng)大的特征提取網(wǎng)絡(luò)darknet-53使得計(jì)算速度大大加快，對(duì)象分類引用Logsitic支持多標(biāo)簽以增加檢測(cè)精度。模型在PC端完成訓(xùn)練后，將模型和數(shù)據(jù)優(yōu)化后部署到樹莓派4B上，作為系統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)模塊。

1.3 實(shí)時(shí)圖像采集模塊

相關(guān)圖像或視頻的數(shù)據(jù)通過鐵塔上安裝的攝像頭以及相關(guān)已部署的無人機(jī)完成采集。通過鐵塔和無人機(jī)采集視頻數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心利用SLIC圖像分割技術(shù)對(duì)視頻進(jìn)行分幀，分幀后的視頻數(shù)據(jù)變?yōu)榇龣z測(cè)的圖片數(shù)據(jù)[3]，本系統(tǒng)SLIC搜索的限制范圍示意圖見圖2。

圖2 SLIC搜索限制范圍示意圖

攝像頭為雙目攝像頭，雙目攝像頭包括紅外攝像頭和高清攝像頭，紅外攝像頭用于夜晚，高清攝像頭用于白天[4]。由于光線的影響，將夜晚和白天分別用不同的攝像頭進(jìn)行視頻采集,提高視頻采集的精度。

對(duì)于相關(guān)設(shè)備的供電則由設(shè)置的太陽能供電模塊完成。太陽能供電模塊包括若干光伏電池板、穩(wěn)壓模塊、蓄電池組。將太陽能板與穩(wěn)壓模塊的輸入端連接，再將穩(wěn)壓模塊LM317輸出端與蓄電池的輸入端連接，并使用蓄電池為攝像頭提供備用電源，本系統(tǒng)的LM317穩(wěn)壓電源電路，如圖3所示。

圖3 LM317穩(wěn)壓電源電路

1.4 動(dòng)態(tài)報(bào)警系統(tǒng)

通過無人機(jī)和鐵塔部署好的傳感器和攝像頭在定期采集數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)回傳，通過原來訓(xùn)練好的識(shí)別模型進(jìn)行判斷目標(biāo)檢測(cè)的模型是否大于預(yù)先設(shè)定好的閾值。如果超過所設(shè)閾值則觸發(fā)森林防火報(bào)警器，根據(jù)火災(zāi)發(fā)生的位置通知相關(guān)人員滅火，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫[5]。

2 系統(tǒng)核心算法

2.1 圖片生成模型

用于模型訓(xùn)練的原始數(shù)據(jù)是明火和煙霧的圖片數(shù)據(jù)及視頻數(shù)據(jù)。由于獲取到大量的相關(guān)數(shù)據(jù)存在一定的困難，因此使用Gan網(wǎng)絡(luò)對(duì)于有限的真實(shí)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過Gan網(wǎng)絡(luò)可以生成大量圖片，標(biāo)注后的圖片可以提供給目標(biāo)識(shí)別模型的訓(xùn)練[6]。

圖片生成模型的Gan網(wǎng)絡(luò)是G網(wǎng)絡(luò)和D網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)“博弈”。生成網(wǎng)絡(luò)G欺騙判別網(wǎng)絡(luò)D通過生成大量真實(shí)圖片；D網(wǎng)絡(luò)就盡最大努力區(qū)分生成圖片和真實(shí)圖片。最理想狀態(tài)下，G可以生成足以“以假亂真”的圖片G(z)。將煙霧和明火的圖片數(shù)據(jù)輸入到Gan網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練成熟后生成編碼網(wǎng)絡(luò)和解碼網(wǎng)絡(luò)，編碼網(wǎng)絡(luò)輸出固定格式的編碼，這樣只需要輸入與編碼網(wǎng)絡(luò)輸出的相同格式的編碼到解碼網(wǎng)絡(luò)即可生成大量足以“以假亂真”的圖片，以降低尋找原始圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)模型訓(xùn)練的成本。

Gan的判別公式：

整個(gè)式子由2項(xiàng)構(gòu)成，x表示真實(shí)圖片，z表示輸入G網(wǎng)絡(luò)的噪聲；G(z)表示G網(wǎng)絡(luò)生成的圖片；D(x)表示D網(wǎng)絡(luò)判斷真實(shí)圖片是否真實(shí)的概率。D(G(z))是D網(wǎng)絡(luò)判斷G生成的圖片是否真實(shí)的概率，G希望盡可能的大，這時(shí)V(D,G)會(huì)變小[7]。D的能力越強(qiáng)，D(x)應(yīng)該越大，D(G(x))應(yīng)該越小，這時(shí)V(D,G)會(huì)變大，因此，式子對(duì)于D來說是求最大。

2.2 Gan網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

生成器的定義：

def G(w,name="G"):

with fluid.unique_name.guard(name + "/"):

w=fluid.layers.fc(y,size=1024,act='relu')

w=fluid.layers.batch_norm(y,act='relu')

w=fluid.layers.fc(y,size=128×7×7)

w=fluid.layers.batch_norm(y,act='relu')

w=fluid.layers.reshape(y,shape=(-1,128,7,7))

w=fluid.layers.conv2d(y,num_filters=64,filter_size=5,padding=2,act='relu')

w=fluid.layers.image_resize(y,scale=2)

w=fluid.layers.conv2d(y,num_filters=1,filter_size=5,padding=2,act='relu')

return y

判別器的定義：

def D(images,name="D"):

def conv_bn(input,num_filters,filter_size):

y=fluid.layers.conv2d(input=input,num_filters=num_filters,filter_size=filter_size,stride=1,bias_attr=False)

y=fluid.layers.batch_norm(y,act="leaky_relu")

return y

開始訓(xùn)練后，訓(xùn)練判別器D識(shí)別生成器G生成的假圖片。訓(xùn)練判別器D識(shí)別真實(shí)圖片進(jìn)行對(duì)比，訓(xùn)練生成器G生成符合判別器D標(biāo)準(zhǔn)的假圖片，然后測(cè)試。

2.3 目標(biāo)檢測(cè)模型

目標(biāo)檢測(cè)模型為YOLOv3目標(biāo)檢測(cè)模型[8]。YOLOv3目標(biāo)檢測(cè)模型引用更加強(qiáng)大的特征提取網(wǎng)絡(luò)darknet-53使得計(jì)算速度大大加快[9]。darknet-53的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含53個(gè)卷基層，借鑒殘差網(wǎng)絡(luò)Residual Network的做法，在一些層之間設(shè)置了快捷鏈路，最左側(cè)1列的1、2、8等數(shù)字表示多少個(gè)重復(fù)的殘差組件，每個(gè)殘差組件有2個(gè)卷基層和1個(gè)快捷鏈路，殘差組件結(jié)構(gòu)如圖4所示[10,11]。

圖4 殘差組件結(jié)構(gòu)

YOLOv3網(wǎng)絡(luò)使用了darknet-53前面的52層，YOLOv3網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)全卷積網(wǎng)絡(luò)，大量使用殘差的跳層連接。使用這種殘差結(jié)構(gòu)的好處是，保證網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在很深的情況下，仍能收斂；網(wǎng)絡(luò)越深，表達(dá)的特征越好，分類和檢測(cè)的效果都會(huì)提升。由于大量減少了參數(shù)量，進(jìn)一步減少了計(jì)算量。對(duì)象分類引用Logsitic支持多標(biāo)簽以此增加檢測(cè)精度。

2.4 目標(biāo)檢測(cè)部分

YOLOv3將輸入圖像分成S×S個(gè)格子，每個(gè)格子預(yù)測(cè)B個(gè)bounding box，每個(gè)bounding box預(yù)測(cè)內(nèi)容包括Location(x,y,w,h)、Confidence Score和C個(gè)類別的概率，因此YOLOv3輸出層的channel數(shù)為B×(5+C)[12,13]。YOLOv3的loss函數(shù)也由3部分組成,Location誤差、Confidence誤差和分類誤差。

3 方法測(cè)試與結(jié)果

3.1 測(cè)試方案

使用互聯(lián)網(wǎng)易于搜索到的數(shù)據(jù)集進(jìn)行Gan網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，并在高性能的計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算得到較成熟的Gan網(wǎng)絡(luò)圖片生成模型，并使用Gan網(wǎng)絡(luò)模型生成大量圖片數(shù)據(jù)訓(xùn)練YOLOv3目標(biāo)檢測(cè)模型。

部署相關(guān)硬件，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。通過對(duì)隨機(jī)采集到的30張的森林火焰圖片輸入掛載目標(biāo)檢測(cè)模型的樹莓派4B上進(jìn)行計(jì)算，得到識(shí)別目標(biāo)的準(zhǔn)確率，如圖5所示。

圖5 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

3.2 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過訓(xùn)練，模型的準(zhǔn)確率逐步增高。隨著數(shù)據(jù)采集數(shù)量的增多，模型對(duì)于森林火焰的數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的敏感性；通過部署到樹莓派4B，輸入視頻和圖片完成測(cè)試，可以精準(zhǔn)地識(shí)別森林中的火焰和煙霧，并輸入相應(yīng)的較高的準(zhǔn)確率。

4 結(jié)語

這種基于樹莓派4B森林防火系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)模型完成對(duì)森林火焰的識(shí)別。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過Gan網(wǎng)絡(luò)的圖片生成模型以及基于YOLOv3的目標(biāo)檢測(cè)模型均可以良好的工作，具備較好的可移植性。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高，具備較強(qiáng)的抗干擾性，具有一定的應(yīng)用市場(chǎng)。