红色标注的森林火灾,左上角的 IDS 工业相机模糊不清

及时探测,有效防范

人工智能自动森林火灾探测系统可实现早期高效灭火

气候变化引起的热浪目前席卷整个欧洲,森林火灾相关风险大幅上升。在干旱或大风的共同影响下,野火越来越难以控制,对人、动物、自然和基础设施的威胁越来越大。那么,应该怎样在早期发现和定位火灾,从而尽量减少甚至避免严重损害呢?

图像处理和人工智能可以应对这种挑战。这并不需要精心设计解决方案,神经网络和深度学习算法使图像处理系统能够看到、识别和验证物体(在这种情况下是烟雾)。此外,人工智能使相应的图像处理系统能够从它学到的东西中得出结论。

从 Paratronic 上俯瞰森林的摄像头

法国Paratronic公司已经开始研究这个课题。这家解决方案提供商的业务领域是监控自然灾害,公司大力研发火灾监控智能产品,并取得突破。他们推出了自动森林火灾探测系统ADELIE(森林火灾警报探测定位系统),系统以工业图像处理和人工智能为核心,已经过实际验证。每个系统都集成了四台工业相机,它们由来自Obersulm的IDS Imaging Development Systems GmbH提供。

这些观测站可以长期观察半径20公里内的特定森林区域。他们最多需要两分钟来监控一片扇形区域,不同系统会有所区别。系统采用了Paratronic公司专门开发的算法,能够根据记录的图像识别和定位火源,并为适当的行动选项提供实时信息。通过这种方式,ADELIE能够有效规划和控制消防队伍,以保护我们的生活空间,并保护建筑、电线、电信线路、公路或铁路基础设施。

 

应用

ADELIE系统由至少两个监控点组成,它们通过网络连接在一起。每个监控点包括两个探测相机和一个用于排除疑点的相机。每一个ADELIE检测相机集成来自IDS的四个千兆以太网相机。因此,每个监控点总共使用8台IDS相机。这些监控点允许360°监控,每个方位角大约每两分钟可视化一次。系统能够对观察的自然区域进行每周7天、每天24小时的全天候自动监控。

4 台来自 IDS 的千兆以太网摄像机集成到 ADELIE 系统中

系统连接到一个处理单元,其软件包含基于人工智能的图像处理算法。这一程序由Paratronic开发,用于记录、比较和分析相机提供的图像。早在一棵树燃烧之前,烟雾就会从周围的草地和灌木丛中升起。通过比较图像和使用教学功能,系统检测升起的烟雾。一旦从监控点看到这种烟雾,ADELIE就会触发警报。这一阶段称为火灾和森林火灾自动探测。然后,值班操作员远程控制消除疑点相机,并检查探测类型。他通过三角测量法在地图上确定火源,通知控制中心,控制中心开始采取灭火措施。

同时,系统将AI获得的所有信息、图像等即时传输到火灾报警中心或消防控制中心。系统可以将事件进行实时可视化处理,在数字地图上确定火源位置,还提供了各种增强现实功能,可以清晰展示火灾的环境、程度和发展情况,并采取适当的灭火措施。一个遥控相机成为系统的点睛之笔。在第一个消防单位到达前,相机可以核实和监控火灾,并能够跟踪火灾从爆发到扑灭的全过程。

IDS相机在ADELIE系统的运行中起着重要作用。相机可以逐个方位角连续拍摄森林,并将这些图像实时提供给软件。

— Paratronic项目和创新总监Edouard BOUILLOT —

在为自动森林火灾探测系统选择合适的型号时,我们决定采用IDS公司SE系列的千兆以太网相机。Paratronic工程师Loïs Carrié表示:“我们的系统使用UI-5240SE-NIR-GL model”。这款尤为强大的工业相机配备了来自e2v的130万像素CMOS传感器。Paratronic在近红外版本(EV76C661ABT)中使用了高灵敏度传感器。它不但拥有出色的光灵敏度,还提供了全局快门和滚动快门两个版本,可以在操作过程中切换。这样就大大提高了系统的灵活性,可以应对不断变化的需求和各种环境条件,在这个实例中则是应对一天中不同时间和天气条件。此外,还提供了四个关注区(AOI)。这样,系统可以同时检查多个特征,或者在采用不同参数的一系列曝光中拍摄AOI。

Lois Carrie肯定地表示,这款相机满足了所有要求。“我们选择这种型号有三大主要原因。首先,它的光谱灵敏度值得信赖。传感器能捕捉到所有可见的颜色波长,在近红外波段的灵敏度尤其出色。我们还可以选择在C口旋入一个波长滤波器,接近传感器。第三,这款相机可以直接在增加曝光时间的情况下连续拍摄四张照片。连续拍摄可以获得很高的动态范围。”

软件

在图像采集方面,系统使用了uEye SDK,“这样我们自己的图像处理系统可以发挥作用,”Edouard BOUILLOT解释道。然后,ADELIE软件进行图像分析,检测树冠是否冒烟。分析的方法是比较在同一方向拍摄的两张图像来探测任何烟雾。PARATRONIC独有的几种算法可以对大量肉眼看不到的因素进行比较,从而满足了这些要求。

分析分三个阶段进行。在第一阶段,将1度分为50份,按照最接近的1/50度的位置记录要比较的图像。在第二阶段,对图像进行比较,突出显示任何变化,如物体的移动或烟雾的出现。在第三阶段,采用不同算法进行高级分析:系统会在形状、大小、距离等方面检查重点差异,尽可能消除烟雾之外的所有元素。其他算法则使用自动分类工具,并从一张或多张图像中提取参数,从而完成了这一分析过程。

从 PARATRONIC 系统眺望森林

然后,数据通过光纤等数字网络传输到计算机控制系统。数据集包含可以在屏幕上显示的JPEG文件,以及一个包含相机编号、视角、拍摄日期和时间、方位角的文件。与气象站数据整合后,还可以记录和考虑风力或降水等气象数据。如果只有一个观测塔探测到烟雾,就使用遥测仪中显示的距离进行标识。如果至少有两座塔探测到火灾,那么控制中心就可以通过三角测量法确定火源的确切位置。

当然,就像任何自动系统一样,对ADELIE发出的警报进行人工验证是必不可少的环节。控制中心的工作人员使用具有强大光学变焦(30倍广角镜头)的高分辨率相机来确认是否确实发生了火灾。正因为这些消除疑点相机的帮助,监控人员得以在不中断探测系统的情况下远距离观察情况。因此,ADELIE探测系统仍然可以正常运行,以便为多处发生火灾的情况做好准备。

这个系统非常强大。每个站点可以在24小时内拍摄、传输13500张图像,并可存储30天,这与图像是否包含检测结果无关。系统不但存储所拍摄的这些图像,还会存储用于观察和验证事件的相机的视频,从而建立全面的档案。根据收集到的所有数据,ADELIE可以生成统计数据,应急服务人员可以据此调整和优化相应措施。“在存储图像的帮助下,我们可以分析火灾的过程和随后的灭火工作。随着将每次事件输入数据库,数据量不断增长。这反过来又提高了统计数据的可靠性,满足了持续改进预防和控制措施的需求,”Edouard Bouillot总结道。

这一系统已成功应用于法国西北部森林最密集的萨尔省。在那里,森林火灾的风险日益增大,春夏两个月尤其危险。近年来,自然栖息地发生的火灾越来越多。2019年发生了多次森林火灾,到2021年初,共有11.7万公顷森林安装了火灾自动探测系统网络。现在,在高危地区临近区域,在12个点位布置了总共48台相机,在树顶之上监视着森林的情况。

ADELIE系统使我们不但能够提高探测时间,还可以提高火灾定位的精度。

— 萨尔省消防局(SDIS72)总审计长Christophe Burbaud —
The ADELIE system detects forest fires via cameras and algorithms, alerting firefighters with precise triangulation. Fully developed by PARATRONIC, it ensures rapid, reliable response with integrated alerts and monitoring capabilities

因此,ADELIE不仅仅是一个火灾和森林火灾自动探测系统,更是一个综合性的火灾和森林火灾监控和信息管理系统。这个法国图像处理解决方案对控制损失做出了决定性贡献。系统可以实现火灾的早期探测和火灾爆发的精确定位,从而大大降低火势蔓延的风险,并可将对人民、环境和国家经济的相关损害降至最低。

相机

uEye 摄像头