摘要：以預防秸稈焚燒為出發(fā)點，采用熱成像雙光譜云臺攝像機，通過智能圖像識別技術、地理信息技術、移動互聯(lián)網(wǎng)技術、熱成像等高新技術，建立秸稈焚燒監(jiān)測火情處置系統(tǒng)，能夠對秸稈焚燒進行實時監(jiān)控、高效監(jiān)管、快速處置，提高秸稈焚燒治理工作成效，保護生態(tài)環(huán)境，促進人與自然和諧共處。

關鍵詞：秸稈焚燒；紅外熱成像；地理信息系統(tǒng)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.054

中圖分類號：TN 948.41 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-03

Development and Application Research of Straw Incineration Monitoring System Based on Infrared Thermal Imaging Camera

LI Wei

（Jiangxi Huayu Software Co.， Ltd.， Nanchang 330096， China）

Abstract： In order to prevent straw burning， a straw burning monitoring fire disposal system is established by using thermal imaging dual spectrum PTZ camera， intelligent image recognition technology， geographic information technology， mobile Internet technology， thermal imaging and other high-tech technologies， which can conduct real-time monitoring， efficient supervision and rapid disposal of straw burning， improve the effectiveness of straw burning management， protect the ecological environment， and promote harmonious coexistence between man and nature.

Keywords： straw incineration; infrared thermal imaging; geographic information systems

我國有非常豐富的秸稈資源，經(jīng)常出現(xiàn)大面積焚燒秸稈的現(xiàn)象，不僅造成資源浪費，而且會毀壞樹木和耕地，污染空氣，甚至引發(fā)森林火災等重大安全生產(chǎn)事故[1]。為了保護環(huán)境，維護生態(tài)安全，制止秸稈焚燒行為，各地政府開展了積極工作，日夜巡視，雖然付出了巨大的成本，但是成效并不明顯。為了提高秸稈焚燒處置的效率，以預防秸稈焚燒為出發(fā)點，對秸稈焚燒進行實時監(jiān)控、高效監(jiān)管，利用熱成像監(jiān)測技術、地理信息技術、移動互聯(lián)網(wǎng)技術、煙火智能識別等先進的技術手段，建立自動化、信息化、智能化的焚燒監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)秸稈焚燒的全天候監(jiān)控、火情實時預覽、火點定位精準、告警處置及時顯得非常迫切[2]。

1 熱成像雙光譜云臺攝像機

傳統(tǒng)的單可見光視頻監(jiān)控設備，很難探測到隱性火災苗頭。熱成像攝像機可以快速有效地發(fā)現(xiàn)這些隱火，及時控制災情，杜絕隱患。熱成像雙光譜云臺攝像機采用一體化設計，同時具有紅外光波段成像和可見光波段成像的功能，以及云臺控制功能，可廣泛用于森林防火、秸稈焚燒、國土資源保護等領域。在秸稈焚燒監(jiān)測方面，采用熱紅外智能煙火檢測技術，并結合后端算法，可實現(xiàn)煙火智能識別并自動報警、自動定位、自動推送，助力于秸稈焚燒的早期處置。

1.1 紅外熱成像實現(xiàn)原理

自然界中，一切高于絕對零度的物質(zhì)每時每刻都在輻射電磁波，這一現(xiàn)象被稱為熱輻射現(xiàn)象。不同溫度下，物體所發(fā)出熱輻射的波長不一樣。熱成像攝像機可以通過測量目標與背景或目標各部分之間的輻射差異，將物體輻射的功率信號轉換成電信號，經(jīng)過放大處理形成視頻圖像。其不借助可見光，通過被動接收物體熱輻射而形成圖像，又稱被動紅外成像。波長范圍在8～14 μm的紅外波段具有穩(wěn)定的大氣透射率，被廣泛用于熱成像監(jiān)控與紅外技術測量。

1.2 紅外熱成像技術和可見光對比分析

與可見光監(jiān)控相比，熱成像紅外監(jiān)控采用被動式工作方式，不受光線及電磁干擾影響，具有監(jiān)控范圍大，探測距離遠，在大氣窗口中可以穿透煙霧等惡劣天氣，并且可直觀顯示物體表面的溫度差等諸多優(yōu)點，可廣泛用于測溫、森林火災監(jiān)測、秸稈焚燒監(jiān)測等應用場景[3]。

1.3 火點識別

熱成像雙光譜攝像機可基于原有設備采集的可見光視頻和圖片數(shù)據(jù)，以及紅外熱成像測溫數(shù)據(jù)，進行綜合分析，結合煙火識別算法，對煙火告警進行分析處理。同時，可根據(jù)煙火光譜特征，進行火焰特征提取，從幾何形態(tài)、火焰顏色等不同維度建立特征向量，避免了單可見光或者單熱成像誤報率高的問題，能在極短的時間內(nèi)識別煙火并觸發(fā)報警，并將云臺信息以及告警圖片發(fā)送給后端平臺，從而實現(xiàn)火點識別能力。

1.4 深度學習算法模型

為提高煙火識別準確率，系統(tǒng)建立了一套深度學習算法模型，并基于區(qū)域提取的目標檢測和基于回歸分析的目標檢測實現(xiàn)告警信息的提取。相比于傳統(tǒng)的煙火檢測算法模型，基于深度學習的煙火檢測算法模型可以減少圖像分割和人工提取特征等煩雜的處理過程，通過配置基本參數(shù)，對前端回傳的視頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動抽幀轉換，完成圖像特征提取、煙火特征分析等，避免了人工提取圖像特征引入的誤差并降低了目標檢測的復雜度，同時也降低了系統(tǒng)的使用難度，更加利于推廣應用[3]。

2 監(jiān)測系統(tǒng)功能設計

秸稈焚燒監(jiān)測系統(tǒng)基于移動互聯(lián)網(wǎng)、熱成像雙光譜攝像機，結合衛(wèi)星監(jiān)測、人員巡護等方式實現(xiàn)全天候、全方位的秸稈焚燒業(yè)務監(jiān)管，并基于后端算法對接收的告警數(shù)據(jù)進行研判分析，以圖片加文字的形式實時推送給App端的網(wǎng)格員，網(wǎng)格員可根據(jù)報警圖片并調(diào)取監(jiān)控視頻進行火情查看，同時也可以根據(jù)火點位置，自動規(guī)劃導航路線到現(xiàn)場核查，并以文字、圖片、視頻等方式反饋核查結果。PC端可以完成火情核查反饋統(tǒng)計、報表導出等業(yè)務。通過應用，本系統(tǒng)可有效解決監(jiān)管區(qū)域大、人力監(jiān)管困難的難題[4]。

2.1 地圖應用

系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng)為核心，支持WGS84、CGCS2000坐標系，以天地圖衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)為底圖，疊加各類WMTS地圖服務，通過地圖的方式顯示行政邊界信息、告警信息、火情信息、視頻監(jiān)控信息、人員定位信息、土地利用現(xiàn)狀信息等多種信息內(nèi)容，對圖層進行分組顯示，可以根據(jù)需要打開關閉對應的圖層；并提供必要的地圖工具和測量工具，如距離測量、面積測量、方位測量、高差測量等。其以“一張圖”的形式管理秸稈焚燒監(jiān)測業(yè)務相關的各類資源數(shù)據(jù)，為整個系統(tǒng)提供了基礎底座。

2.2 視頻監(jiān)控

系統(tǒng)對視頻監(jiān)控設備進行統(tǒng)一管理，以列表和視頻墻模式展示監(jiān)控畫面，并根據(jù)設備運行狀態(tài)以不同圖標顯示在地圖上。點擊圖標可查看監(jiān)控詳情和視頻圖像。支持云臺操控和鏡頭變倍、變焦以及光圈調(diào)整。還設計了地圖控制云臺功能，將整個地圖作為云臺的控制區(qū)，通過點擊地圖的方位來控制云臺轉動，實現(xiàn)地圖與視頻的聯(lián)動。系統(tǒng)可根據(jù)指定的經(jīng)緯度，自動將一定范圍內(nèi)的監(jiān)控設備轉向該經(jīng)緯度所在位置，并打開視頻預覽窗口，用于交叉定位火點和綜合研判火情。系統(tǒng)能夠接收前端熱成像告警和可見光煙火告警，并基于深度學習算法模型進行火情初判，支持告警視頻錄制、實時預覽以及錄像回放，為火情研判提供可靠依據(jù)。同時，也支持通過國標協(xié)議接入監(jiān)控設備和告警數(shù)據(jù)，增強了系統(tǒng)的兼容能力。

2.3 衛(wèi)星監(jiān)測

衛(wèi)星遙感監(jiān)測具有覆蓋范圍廣、時效高等特點，針對沒有視頻監(jiān)控覆蓋的區(qū)域，可作為熱成像雙光譜云臺攝像機監(jiān)測的一種補充方式。系統(tǒng)接收NOAA-20、SNPP、MODIS、葵花9號等衛(wèi)星熱點數(shù)據(jù)，并針對獲取的熱點數(shù)據(jù)與土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)對比進行二次研判，將耕地、草地以外的熱點數(shù)據(jù)進行屏蔽，提高熱點預警的準確性。可實現(xiàn)最快以10～15 min的頻次推送熱點信息，支持按區(qū)域范圍查詢，支持熱點核實反饋的業(yè)務閉環(huán)管理[5]。

2.4 火點定位

系統(tǒng)自動接收前端設備回傳的告警數(shù)據(jù)，基于接收的數(shù)字云臺水平角和俯仰角、焦距，結合地理信息系統(tǒng)和數(shù)字高程模型，采用定位算法進行火點位置計算，求解當前視角下的真實地理坐標，并在軟件平臺實現(xiàn)火點自動精確定位。同時，系統(tǒng)還提供了多種參數(shù)校正功能，以解決前端設備安裝不水平、云臺方位角不匹配等問題，滿足不同地形條件下的定位需求，最大程度提高定位精度。

2.5 告警處置

系統(tǒng)支持告警提示，并提供了圖片和視頻列表研判模式。系統(tǒng)具有多種推送方式，支持App推送、短信推送等。告警信息一經(jīng)研判并下發(fā)給網(wǎng)格員將自動生成火情信息。當推送的火情超過一定時間未簽收，將自動發(fā)送給督察員。當督察員超過一定時間未處置，再次發(fā)送給上級監(jiān)管員，直到該條火情被處置。用戶可根據(jù)App規(guī)劃的導航路線前往現(xiàn)場進行核實反饋。支持圖片反饋、視頻反饋以及語音和文字反饋。平臺實時接收反饋信息，值班人員可根據(jù)反饋詳情對火情進行審查，完成火情的閉環(huán)管理。

2.6 網(wǎng)格化管理

以鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)劃圖為基礎，根據(jù)視頻監(jiān)控所在位置，將村鎮(zhèn)網(wǎng)格員和視頻監(jiān)控進行關聯(lián)，給每個視頻監(jiān)控設備都綁定了網(wǎng)格員、督察員、監(jiān)管員等不同層級的工作人員，實現(xiàn)了火情核查處置責任名單，確保每一條火情告警都有人核實反饋，以提高秸稈焚燒監(jiān)測業(yè)務效率。

2.7 信息查詢

系統(tǒng)為用戶提供了豐富的查詢功能，支持在地圖上進行聯(lián)動顯示，包括坐標查詢，地名查詢、告警查詢、火情查詢、視頻監(jiān)控查詢、土地利用現(xiàn)狀查詢等，滿足用戶不同的業(yè)務需求?？梢圆榭磳幕鹎樘幹昧鞒桃约胺答亙?nèi)容?？稍诘貓D上顯示秸稈焚燒火情信息分布圖，幫助用戶進行重點區(qū)域的監(jiān)管和監(jiān)控選址設計。

2.8 統(tǒng)計報表

系統(tǒng)具有統(tǒng)計報表功能，支持按時間、設備、火情類型、處置結果等不同維度進行查詢統(tǒng)計。支持將統(tǒng)計數(shù)據(jù)以各類圖表進行展示，并且可導出為電子表格和PDF文件，便于文件流轉和信息共享。

2.9 系統(tǒng)管理

提供用戶、部門、角色、權限、日志、菜單配置等功能模塊，以滿足系統(tǒng)的正常運行。

3 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)編程語言采用c#，數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL 12.9+PostGIS 3.1.4。PostgreSQL是一款功能強大的開源數(shù)據(jù)庫，而PostGIS是PostgreSQL的一個擴展模塊，PostGIS提供了空間索引、空間對象存儲、空間操作函數(shù)等，適合存儲地理空間數(shù)據(jù)。同時，PostGIS還提供了強大的分析函數(shù)，節(jié)約了開發(fā)應用成本。

3.2 架構設計

系統(tǒng)按照三層體系架構進行設計。數(shù)據(jù)訪問層提供數(shù)據(jù)庫訪問接口，為業(yè)務邏輯層提供數(shù)據(jù)存儲服務；業(yè)務邏輯層對系統(tǒng)的各種業(yè)務能力進行封裝，并提供統(tǒng)一的服務接口；表示層則按照業(yè)務邏輯和處置流程，通過UI進行布局設計，調(diào)用業(yè)務邏輯層的功能接口，從系統(tǒng)層面給用戶提供對應的功能。針對不同的設備廠商，系統(tǒng)設計了視頻報警服務模塊，并制定了標準的接口。系統(tǒng)既支持通過私有協(xié)議連接熱成像攝像機，又支持以國標協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)控攝像機的級聯(lián)。系統(tǒng)采用了插件式的框架設計，小到功能按鈕，大到業(yè)務模塊，都是以插件的形式動態(tài)加載到系統(tǒng)平臺。這樣的設計大大增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性，真正做到高內(nèi)聚低耦合，不僅可以保證每個模塊更新負擔進一步減小，還從一定程度上降低了維護成本。

3.3 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)可以采用中心部署、分級應用的方式，根據(jù)權限加載對應區(qū)域的數(shù)據(jù)資源。同時，系統(tǒng)也提供了開放接口，支持將告警數(shù)據(jù)、火情數(shù)據(jù)、視頻資源推送給其他平臺，實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通、資源共享。目前本系統(tǒng)已在雄安新區(qū)、張家口市、江西南昌等地部署應用，運行狀況良好，促進了秸稈焚燒監(jiān)管工作向規(guī)范化、常態(tài)化、高效化、智能化轉變提升。

4 結束語

本系統(tǒng)雖然能夠滿足秸稈焚燒監(jiān)測的基本應用，但是由于野外環(huán)境復雜，對于水面反光、云霧和水汽等也會產(chǎn)生一定的誤報，后續(xù)將進一步優(yōu)化深度學習算法，通過定期采集一定的背景數(shù)據(jù)、持續(xù)迭代訓練以提高煙火檢測識別率，同時降低誤報。針對定位誤差也應進行改進。一方面可采用高精度數(shù)字高程模型，另一方面可優(yōu)化定位算法，從而提高火點定位精度。此外，還需擴展App應用功能，集成日常辦公、考勤打卡等功能，以提升基層工作人員的工作效率，更好地服務于秸稈焚燒監(jiān)管行業(yè)應用。

參考文獻

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