集成化林火動態監測與精確定位系統及定位方法
2023-06-07 01:40:46
專利名稱：集成化林火動態監測與精確定位系統及定位方法
技術領域：
本發明涉及一種森林防火方法及系統，尤其是一種能實時監控森林火災並進行定 位的森林防火定位方法及快速定位系統，具體地說是一種集成化林火動態監測與精確定位 方法及系統。
背景技術：
眾所周知，傳統的火情監測和定位一般依靠人工巡邏、人工嘹望來監測。當有火災 時，則由觀察員根據經驗和對林場的熟悉程度來判斷火點的位置。目前我國森林火災監控 仍然是以人工地面巡護和定點瞭望為主，航空巡護和衛星探測等技術為輔的體系。人工巡 邏、人工瞭望具有視野有限、連續監控會產生視覺疲勞和精神疲勞的問題，航空巡護存在著 信息安全、信息的實時傳輸和不能準確的導航定位等問題 ，衛星林火監測存在結構複雜、成 本高、升級維護困難、抗電磁幹擾能力差的問題。因此開發一種先進的可視化遠程監控裝置 並通過相應的定位方法對所攝取的火點進行快速定位，為及時撲滅火災贏得富貴時間具有 十分重要的意義。
發明內容
本發明的目的是針對現有的森林防火監控自動化水平低的問題，設計一種成本 低，自動化水平高並能精確定位的集成化林火動態監測與精確定位系統並提供一種能根據 系統傳回的數據快速確定火點經緯度的定位方法。本發明的技術方案之一是一種集成化林火動態監測與精確定位系統，其特徵是它主要由監控中心1、現場監 控傳輸終端2和移動手持終端3組成，所述的監控中心1主要由無線網橋101、電視牆102、 3G模塊103和伺服器104組成，所述的現場監控傳輸終端2主要由數字雲臺攝像機201、視 頻伺服器202及無線網橋203組成，所述的移動手持終端3主要由PDA301和3G模塊302 組成，PDA301通過3G模塊302與監控中心1中的3G模塊101雙向無線相連，3G模塊103 與伺服器104相連，伺服器104與無線網橋101相連，無線網橋101與電視牆102相連的同 時通過無線與現場監控傳輸終端2的無線網橋203雙向連接，無線網橋203與視頻伺服器 202雙向連接，視頻伺服器202與數字雲臺攝像機201雙向連接。所述的PDA301中集成有GPS導航儀303、語音設備304和CXD攝像頭305。本發明的技術方案之二是一種集成化林火動態監測與精確定位方法，其特徵是它包括1)根據攝像機的視程在林區設置若干臺攝像機，通過有線或無線通訊方式將所攝 圖像及與圖像相配的參數實時傳送到控制中心的計算機和電視牆上，並將攝像機的地理位 置信息存儲在控制中心的計算機中；2)採用單點定位法確定火源，即當其中任一臺攝像機捕捉到火點畫面時，立即通 過以下方法確定火點的位置
首先，通過傳回圖像所攜帶的有關攝像機的信息，確定該攝像機相對於正北方向 的旋轉角，以確定火點發生的方向；其次，通過攝像機相對於水平面的俯仰角和旋轉角並結合漸進窮舉法確定火點距 離海平面的高度FD ；最後，根據以下公式計算出火點F的經緯度 式中AO是火點相對於攝像機的X方向的距離，它與攝像機的經度之和即為火點的經度 值；BO為是火點相對於攝像機的Y方向的距離，它與攝像機的緯度之和即為火點的緯
度值；α和β分別為攝像機的旋轉角和俯仰角；N為常數，可取任意常數，為了計算方便一般取10米、50米、100米等整數為佳，取 值大小最好根據攝像頭視程決定，視程大的取值大些，視程小的取值小些，常用的是50米 和100米較多。HO為攝像機的高度，可通過該攝像機的地理位置信息查得，F為火點，FD為火點的 高度，FC和DO為火點的水平投影點至攝像機水平投影點之間的距離；HC為攝像機的海拔高 度與火點海拔高度之差，η為漸進窮舉的次數。所述的攝像機為帶有雲臺的攝像機，攝像機的俯仰角和旋轉角即為雲臺的俯仰角 和旋轉角。為了提高定位速度，還可採用漸進窮舉法與二分法結合的方法加速求解火點F點 的坐標值。本發明的有益效果(1)本發明有利於直觀的觀察火情。三維地圖的數位化和實時視頻傳輸，使觀察人 員能更直觀的觀察到林區的信息。(2)精確自動定位。快速精確定位減少了火災帶來的損失並大大提高森林撲救效率。(3)相比以往的林火監測與定位系統，購置成本大為降低；移動終端方便小巧，穩 定性高。GIS和數字雲臺的聯動，更方便人員的管理和觀察。
圖1是本發明的組成結構示意圖。圖2是本發明的軟體整體架構示意圖。圖3是本發明的林火識別原理示意圖。圖4是本發明的林火定位原理示意圖。圖5是本發明的單點定位數學模型示意圖。
圖6是本發明的火點定位示意圖。圖7是本發明的俯仰角校正數學模型圖。圖8是本發明實施例中一個具體的定位試驗結果示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。實施例一。如圖1-4所示。一種集成化林火動態監測與精確定位系統，它主要由監控中心1、現場監控傳輸終端2和移動手持終端3組成，如圖1所示。監控中心1主要進行數據收集和處理並實時將 現場監控用的攝像機所攝取的圖像在電視牆上進行顯示，並根據實測的現場情況向攝像機 和巡視人員發出無線指令，現場監控傳輸終端2主要是根據設定的程序和監控中心1的指 令控制數控雲臺攝像機的動作，實現將攝取的圖像傳回給監控中心1，移動手持終端3主 要是供地面巡查人員使用，對於數字雲臺攝像機無法捕捉到的區域進行補充，並可為監控 中心和滅火人員進行導航，為電子地圖的建立提供現場數據等。所述的監控中心1主要由 無線網橋101(BreezeNet高速無線網橋B100)、電視牆102、3G模塊103 (華為WCDMA模塊 EM770)和伺服器104(奔4以上處理器)組成，所述的現場監控傳輸終端2主要由數字雲臺 攝像機201、視頻伺服器202(DS-6001HF)及無線網橋203 (BreezeNet高速無線網橋B100) 組成，所述的移動手持終端3主要由PDA301 (SBC8100單板機)和3G模塊302 (華為WCDMA 模塊EM770)組成，PDA301中還應集成有GPS導航儀303、語音設備304和CCD攝像頭305， PDA301通過3G模塊302與監控中心1中的3G模塊101雙向無線相連，3G模塊103與服務 器104相連，伺服器104與無線網橋101相連，無線網橋101與電視牆102相連的同時通過 無線與現場監控傳輸終端2的無線網橋203雙向連接，無線網橋203與視頻伺服器202雙 向連接，視頻伺服器202與數字雲臺攝像機201雙向連接。本發明的工作過程為數字雲臺攝像機的視頻信號和實時角度通過視頻伺服器處理後由無線傳輸設備 (無線網橋)傳輸至監控中心；來自監控中心的控制信號經過無線傳輸系統傳輸到視頻服 務器，通過視頻伺服器、數字雲臺解碼器實現對變焦鏡頭、雲臺的控制。本發明以VS2005 (C#)和ESRI的二次開發組件ArcEngine為開發平臺，實現地理 信息系統的基本功能、資料庫操作、林火自動定位以及二維地圖、三維模型和數字雲臺的聯 動；基於機器視覺，採用數字圖像處理技術進行林火識別；並利用嵌入式系統平臺，結合全 球定位系統GPS模塊對林區進行導航；利用WCDMA把視頻實時傳輸到伺服器端。(1)利用當今流行的嵌入式系統系統源碼完全開放，系統裁剪容易，擴展性強的特 點，與GIS技術相結合開發出用戶所需的功能界面，如PDA，智慧型手機等。且成本較低，體積 小方便攜帶，穩定性和安全性能能得到有效保證。(2)接收來自GPS模塊的經緯度信息，通過篩選接收、高斯投影及相對坐標變換等 算法從而將原始數據轉化為某一地區範圍的二維平面坐標，為GPS導航提供準確的數據來 源。(3)結合WCDMA協議和視頻編解碼的協議對視頻數據進行處理，從而實現實時傳輸視頻進行動態監測火情信息。(4)根據DEM數據、嘹望塔海拔高度和攝像機的水平角、旋轉角，計算攝像機視頻 窗口的中心線與地面的交點，從而可以在二維地圖和三維地圖實時跟蹤雲臺所觀測到的區 域；同時也可以根據用戶的興趣和需求去觀察一個目標點，從而反算出雲臺的水平角和旋 轉角，從而控制雲臺轉到所需的目標點。從而實現GIS和雲臺的聯動。(5)單點定位具有監測覆蓋區域廣，能夠在三維空間進行火點定位的優點，但由於 僅局限單個嘹望塔觀測的方位角和水平角數據就必須藉助電子地圖。(6)林火煙霧識別方法，一是圖像經過HSI空間變換後分離得到的H分量、S分量 和I分量的直方圖分布，二是煙霧的紋理信息，建立煙霧識別模版，從而實現林火預警。軟體整體架構 利用ArcEngine提供的組件和工具集，包括ArcEngine DeveloperKit禾口 ArcEngine Runtime兩部分組成[3]，能夠實現二維地圖操作功能，還能夠實現三維展示、三 維分析等高級功能。如圖2所示。林火識別林火識別的目的是實現林火的自動預警，所以需要經過大量試驗，建立煙霧的識 別模型，當發現圖像中被識別出的可疑區域符合判斷條件時，則判斷為火點並發出預警信 號。本發明主要從兩方面對林火煙霧進行識別，一是圖像經過HSI空間變換後分離得到的 H分量、S分量和I分量的直方圖分布，二是煙霧的紋理信息，建立煙霧識別模版，從而實現 林火預警，如圖3所示。林火定位採用掃描方式不斷讀取監測點數據，包括視頻和攝像機的角度，利用火情識別模 塊對視頻進行處理，分析是否有火情，如果有火情發生則進行報警和林火定位，攝像機也暫 時把鏡頭停留在火點位置；否則二維地圖、三維模型和攝像機聯動。如圖4所示。如果確定 有火點，則按實施例二的方式進行火點的定位。實施例二。如圖5-8所示。一種集成化林火動態監測與精確定位方法，它包括以下步驟1)根據攝像機的視程在林區設置若干臺攝像機，通過有線或無線通訊方式將所攝 圖像及與圖像相配的參數實時傳送到控制中心的計算機和電視牆上，並將攝像機的地理位 置信息存儲在控制中心的計算機中；2)採用單點定位法確定火源，即當其中任一臺攝像機捕捉到火點畫面時，立即通 過以下方法確定火點的位置首先，通過傳回圖像所攜帶的有關攝像機的信息，確定該攝像機相對於正北方向 的旋轉角，以確定火點發生的方向；其次，通過攝像機相對於水平面的俯仰角和旋轉角並結合漸進窮舉法確定火點距 離海平面的高度FD ；最後，根據以下公式計算出火點F的經緯度
值；
度值;
fi
式中
AO是火點相對於攝像機的X方向的距離，它與攝像機的經度之和即為火點的經度 B0為是火點相對於攝像機的Y方向的距離，它與攝像機的緯度之和即為火點的緯
a和0分別為攝像機的旋轉角和俯仰角；
N為常數，本實施例取50米作為計算間隔，具體實施時可根據攝像機的視程大小 進行選擇，視程大，N的取值可適當大一些；H0為攝像機的高度，可通過該攝像機的地理位置信息查得，F為火點，FD為火點的 高度，FC和DO為火點的水平投影點至攝像機水平投影點之間的距離；HC為攝像機的海拔高 度與火點海拔高度之差，n為漸進窮舉的次數。詳述如下本發明利用GIS數字圖形與資料庫，通過雲臺提供的參數實現林火的單點定位。 單點定位是基於單個嘹望塔實現定位，根據DEM(數字高程模型)數據、嘹望塔海拔高度和 攝像機的俯仰角、旋轉角，計算攝像機視頻窗口的中心線與地面的交點。由於雲臺攝像機提 供的俯仰角和旋轉角的信息跟地圖測繪精度、數字雲臺角度機械偏差、實時氣象條件、地理 坡度各異性等因素有關，將會影響定位的精度，因此，具體實施前還應進行旋轉角和俯仰角 的角度校正補償來提高定位精度。1、定位模型的建立首先，在地圖上標定正北方向為數字雲臺起始零度角，通過雲臺的旋轉角確定火 點發生的方向。其次，通過俯仰角確定火點的具體位置。建立數學模型如圖5所示。圖中 a和0分別為雲臺的旋轉角和俯仰角，線段H0長為嘹望塔海拔高度，F為假想火點，D為 F點在坐標系海平面(即X-Y)平面上的投影。由漸進窮舉法可得火點F的高度為FD，已知嘹望塔的經緯度為(x，y)，海拔為H0， 攝像機的旋轉角為3，俯仰角為a，由圖5得 由高斯-克呂格投影平面直角坐標反解地理坐標的方法計算出A、B兩點的地理坐 標，從而計算出火點F的經緯度。2、定位算法為了加快運算速度，可採用漸進窮舉法與二分法結合的方法求解F點的坐標。通過旋轉角α可以確定火點的具體方位，通過俯仰角可以確定火點距雲臺攝像機的距離。取 點OCFD構成的平面如圖5所示。如果前端視頻監控的攝像機的可視範圍是10公裡。根據實際應用情況，採用的定 位算法從坐標原點(即瞭望臺在地面的投影)開始，每隔50米取射線HF上一點，用射線上 點的高度值減去該點對應山坡上點的高程(可通過地理位置信息系統查詢而得)，直到前 後兩次差值之積小於0。當前後兩次差值之積小於0時，採用二分法確定火點位置。
攝像機角度的校正實際定位誤差除與上述定位算法有關外還與地圖測繪精度、數字雲臺角度機械偏 差、實時氣象條件、地理坡度各異性等因素密切有關，特別是俯仰角的細微偏差對最終的定 位結果會產生較大影響。為了減小單點定位的誤差，須對攝像機的俯仰角α和旋轉角β 進行校正。在單點定位數學模型中，當α =90°，0° < β < 360°時攝像機要絕對水平， 當β = 0°時攝像機要朝向正北方向。目前對攝像機俯仰角的校正多採用水平儀，然後對嘹望塔上的雲臺支架進行調 整，難度較大，成本較高；對攝像機旋轉角的校正多採用指南針，受雲臺電機中磁場幹擾很 大。採用這兩種方法對攝像機角度的校正都存在很大誤差。本系統在不改變雲臺支架等硬 件結構的前提下，利用GPS和GIS對攝像機角度進行校正，對角度誤差進行補償，節約施工 成本，效率高，提高了定位精度。1、俯仰角的校正在實際應用中，攝像機和雲臺的安裝很難達到理想水平位置。攝像機掃描一周所 確定的平面與水平面會有一個夾角，導致監測點回傳的俯仰角與攝像機實際的俯仰角之間 存在一定偏差，而且該偏差隨著旋轉角的變化而變化。假設攝像機掃描一周所確定的平面與水平面之間的夾角為θ，監測點回傳的俯仰 角與攝像機實際的俯仰角之差為Y，已知攝像機的旋轉角為β，俯仰角校正的數學模型如 圖7所示由圖7可得 式(2)中θ是一個未知的常數，可通過代入一個初始值計算出。假設一個目標點 P，使攝像機視窗中心線對準P，監測點回傳的攝像機俯仰角為α 』，利用GPS測定P點的經 緯度(X，y)，已知攝像機H點的經緯度和高度，在GIS中計算出攝像機實際的俯仰角α，可 得θ = α 『 -α(3)2、旋轉角的校正在地理信息系統中，在瞭望塔的正北方向選定一個目標點P，使攝像機視窗中心線對準P，此時攝像機實際的旋轉角應該為零，監測點回傳的攝像機旋轉角0』即為旋轉角的
誤差值。試驗數據以內蒙古白狼林區三廣山為例。首先，測得三廣山嘹望塔的經緯度(Xl，yi)為 (120° 13' 15.30" ,46° 97' 19.97〃)，海拔為 1528. 58，塔高為 15 米。在攝像機的監 測範圍內選擇了 4個試驗點分別進行了放火試驗，系統自動識別出火點並進行定位，定位 結果如圖8所示。當a = 37.5°，日=12。時，海拔高度為H，射線上點高度與海拔高度之差為c， 點防火試驗點的計算過程如下(以N取值為50米為例舉例說明)第一次計算n = 1S1S3 = 1526. 986 ；HPi = n*50 = 50 ；AO = 28. 93 ；OB = 9. 4;H = 1505. 834 ；c = 21. 152 ；d = c ；d*c > 0第二次計算n = 2S1S3 = 1525. 849 ；HPi = n*50 = 100 ；AO = 57. 865;OB = 18. 801 ；H = 1505. 433 ；c = 20. 416 ；d*c > 0 ;d = c ；......S1S3 = 1072. 774 ；AO = 87. 142 ；0B = 28. 314;H = 1072. 774 ；c = 0 ；d*c = 0再把火點距離瞭望塔的距離轉化為經緯度信息求出火點&的經緯度(可藉助於 地理信息系統和計算機中相應的計算程序自動計算而得)。採用類似的方法可以算出火點 f2，F3，F4的經緯度信息。結果如表1 表1系統自動定位出的試驗點經緯度
再利用GPS實施測得放火試■r點的經緯度坐標如表2所示
比較系統自動定位試驗結果和GPS測得的放火試驗點經緯度坐標，考慮到GPS定 位誤差，系統自動定位經緯度誤差大概為8"，距離誤差大概為250米。這種差距相對於一個大林場而言，完全符合監控要求。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
權利要求
一種集成化林火動態監測與精確定位系統，其特徵是它主要由監控中心(1)、現場監控傳輸終端(2)和移動手持終端(3)組成，所述的監控中心(1)主要由無線網橋(101)、電視牆(102)、3G模塊(103)和伺服器(104)組成，所述的現場監控傳輸終端(2)主要由數字雲臺攝像機(201)、視頻伺服器(202)及無線網橋(203)組成，所述的移動手持終端(3)主要由PDA(301)和3G模塊(302)組成，PDA(301)通過3G模塊(302)與監控中心(1)中的3G模塊(101)雙向無線相連，3G模塊(103)與伺服器(104)相連，伺服器(104)與無線網橋(101)相連，無線網橋(101)與電視牆(102)相連的同時通過無線與現場監控傳輸終端(2)的無線網橋(203)雙向連接，無線網橋(203)與視頻伺服器(202)雙向連接，視頻伺服器(202)與數字雲臺攝像機(201)雙向連接。
2.根據權利要求2所述的集成化林火動態監測與精確定位系統，其特徵是所述的 PDA (301)中集成有GPS導航儀(303)、語音設備(304)和CCD攝像頭(305)。
3.一種集成化林火動態監測與精確定位方法，其特徵是它包括1)根據攝像機的視程在林區設置若干臺攝像機，通過有線或無線通訊方式將所攝圖像 及與圖像相配的參數實時傳送到控制中心的計算機和電視牆上，並將攝像機的地理位置信 息存儲在控制中心的計算機中；2)採用單點定位法確定火源，即當其中任一臺攝像機捕捉到火點畫面時，立即通過以 下方法確定火點的位置首先，通過傳回圖像所攜帶的有關攝像機的信息，確定該攝像機相對於正北方向的旋 轉角，以確定火點發生的方向；其次，通過攝像機相對於水平面的俯仰角和旋轉角並結合漸進窮舉法確定火點距離海 平面的高度FD ；最後，根據以下公式計算出火點F的經緯度 式中AO是火點相對於攝像機的X方向的距離，它與攝像機的經度之和即為火點的經度值；B0為是火點相對於攝像機的Y方向的距離，它與攝像機的緯度之和即為火點的緯度值；a和0分別為攝像機的旋轉角和俯仰角；N為常數；H0為攝像機的高度，可通過該攝像機的地理位置信息查得，F為火點，FD為火點的高 度，FC和DO為火點的水平投影點至攝像機水平投影點之間的距離；HC為攝像機的海拔高度 與火點海拔高度之差，n為漸進窮舉的次數。
4.根據權利要求3所述的集成化林火動態監測與精確定位方法，其特徵是所述的攝像 機為帶有雲臺的攝像機，攝像機的俯仰角和旋轉角即為雲臺的俯仰角和旋轉角。
5.根據權利要求3所述的集成化林火動態監測與精確定位方法，其特徵是採用漸進窮舉法與二分法結合的方法加速求解火點F點的坐標值，所述的窮舉法是指從瞭望塔處H開 始每隔A米取射線HF上一點，用射線上點的高度值減去該點對應山坡上點的高程，直到前 後兩次差值之積小於或等於0。
全文摘要
一種集成化林火動態監測與精確定位系統及方法，其特徵是所述的定位系統主要由監控中心(1)、現場監控傳輸終端(2)和移動手持終端(3)組成，所述的移動手持終端(3)中的PDA(301)通過3G模塊(302)與監控中心(1)中的3G模塊(101)雙向無線相連，3G模塊(103)與伺服器(104)相連，伺服器(104)與無線網橋(101)相連，無線網橋(101)與電視牆(102)相連的同時通過無線與現場監控傳輸終端(2)的無線網橋(203)雙向連接，無線網橋(203)與視頻伺服器(202)雙向連接，視頻伺服器(202)與數字雲臺攝像機(201)雙向連接；所述的方法主要是將漸進窮舉法和二分法結合攝像機的旋轉角及俯仰角快速計算出火點的位置。本發明自動化水平高，結構簡單，成本低，易於實現和控制並能對火點進行快速定位。
文檔編號H04L29/06GK101860562SQ20101012700
公開日2010年10月13日 申請日期2010年3月18日 優先權日2010年3月18日
發明者叢靜華, 何瑞銀, 劉龍申, 張瑜, 李龍國, 汪東, 沈明霞, 許水燕 申請人:南京森林公安高等專科學校