Editorial Feature

用于森林和野火早期探测的光学系统

森林火灾的发生率越来越高,破坏了生态系统,并夺去了生命。早期检测系统对于防止这些迅速蔓延到整个景观的火灾的不利影响至关重要。近年来,已经开发了多种光学系统,可以用作早期预警系统。我们将在下面讨论这些过程。

野火, 地球, 光学

图片来源:OSORIOartist/Shutterstock.com

森林火灾:全球变暖的结果和原因

近年来,森林火灾的频率、持续时间和燃烧范围都在增加。

全球气温升高、干旱加剧以及土壤中水的可用性都是受气候变化影响的因素,也会导致森林和野火的风险。

2020 年 4 月,数据显示森林火灾比 2019 年增加了 13%,这已经是火灾的历史记录。

气候变化无疑增加了野火的威胁,不幸的是,这种关系是相互的,野火释放出惊人数量的二氧化碳2 进入大气层,进一步促进气候变化。

森林和野火的影响不仅对气候具有破坏性,而且对人类和野生动物也具有破坏性。

至关重要的是,建立早期检测的新方法,以便在火灾规模较小且易于管理时,在它们摧毁景观和栖息在其中的物种之前,在居民失去家园甚至生命之前,将其扑灭,在吨 CO 之前2 被释放到大气中。

对光子学的新研究正在帮助开发早期预警系统,以尽早向紧急服务部门发出森林和野火的警报。这些系统可能是应对这些火灾带来的日益增加的危险的基础,并有望通过减少与火灾相关的排放来应对气候变化。

光学技术在森林和野火早期探测中的应用

科学家们已经在几乎每个行业的广泛应用中开发了各种传感器的使用。传感器技术的进步以及相机和计算机技术的发展导致建立了许多检测传感器,这些传感器可以在早期识别森林或野火,以便在造成重大破坏和生命损失之前将其阻止。在这里,我们讨论早期检测森林或野火的各种光学方法。

用摄像机和算法检测烟雾

许多研究和开发都集中在创建基于摄像机的系统,该系统可以在白天自动检测烟雾并在夜间自动检测火灾。

科学家们编写的算法可以检测视野中与火灾相关的不同因素,包括缓慢移动的物体、明亮区域的检测、表现出周期性运动的物体的检测,以及用于解释区域运动的子算法的视野。

这些子算法中的每一个都经过编程以检测火灾的不同方面。这些算法与平移-倾斜-变焦 (PTZ) 摄像机结合使用以可靠地检测火灾,并使用基于最小均方 (LMS) 的决策融合方法来计算对所提供数据的单个决策。火灾或不火灾的决定是通过主动学习方法实现的。

用于预警火灾探测的红外摄像机

红外摄像机也是森林火灾预警系统开发研究的重点。

红外热像仪可检测物体的热量,使其特别适用于火灾识别。一些红外热像仪可以感知温度的微小变化,低至 0.01 °C 的差异,这使它们能够在肉眼可见之前检测到火的存在。

还开发了红外相机技术来识别烟雾的光谱特征。如果无法检测到热量,红外摄像机可用于识别与森林火灾烟雾相关的模式。

光探测和测距 (LIDAR) 是一种使用脉冲激光测量原点与激光及其遇到的物体之间距离的光学方法。这种光学技术的首批应用之一是监测工厂产生的烟雾,提供消防安全系统。激光雷达以类似的方式检测野火。激光射线从火灾产生的烟雾中反射出来,提供了一种可靠的早期检测方法。

还建立了其他创新的光学系统。一些基于相机的算法已经与跟踪有多少像素包含烟雾或火光的算法相结合。处理单元然后将这些结果发送到另一个算法,该算法做出是否发出警报的选择。

光学技术在防火方面的未来

光学系统对于未来预防森林和野火至关重要。当我们开始体验气候变化的更严重影响时,我们必须应对它们。

光学系统不仅可以防止气候变化的影响,还可以通过防止大量二氧化碳排放来缓解气候变化本身2 不受控制的森林火灾进入大气层。

参考资料和进一步阅读

Alkhatib, A.,2014 年。森林火灾探测技术综述。 国际分布式传感器网络杂志, 10(3), p.597368。 //journals.sagepub.com/doi/full/10.1155/2014/597368

火灾、森林和未来:一场失控的危机。 [在线的]。世界自然基金会。可在: //wwf.panda.org/discover/our_focus/forests_practice/forest_publications_news_and_reports/fires_forests/ (2021 年 10 月 8 日访问)

Günay, O.、Taşdemir, K.、Uğur Töreyin, B. 和 Enis Çetin, A.,2009 年。基于视频的夜间野火检测。 消防安全杂志, 44(6), pp.860-868。 //www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0379711209000496

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莎拉·摩尔

撰稿人

莎拉·摩尔

在学习了心理学和神经科学之后,莎拉很快就找到了研究和撰写研究论文的乐趣;转向通过写作将想法与人联系起来的热情。

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