图形图像通信与处理技术在林火监测中的应用 第4页
东北林业大学硕士学位论文
像机，以及一台由测量地面温度的红外线监测器。这种监测器能以每分钟旋转360
度的转速对林区进行扫描，如果在连续3次的旋转电均发现地面温度升高，它便发
出火灾警报，通过消防队伍赶赴现场，从而控制火灾的蔓延和发展【2引。
除地面监测外，国外还成功地研制空中监测技术。如以色列用无人驾驶飞机进
行监测，美国也研制成功机载监测器，法国和美国还用卫星监测林火。以色列飞机
公司研制成功的飞鸟200l型遥控无人驾驶飞机可以准确地报告森林起火的时间、林
火规模、蔓延速度等信息。它由地面站控制，接受飞机上的电脑资料，然后把这些
资料传给灭火指挥部和前方灭火营地129116刀。
我国的林火监测技术和国外比还存在差距。在20世纪60年代初开始建立森林
生态定位研究站，后停滞10多年，于20世纪80年代又逐渐兴起。彭镇灯于1999
年提出中国森林生态网络系统(forest OCO．network system)工程，我国开展了森林
遥感’rM图像进行森林资源分类方面的研究及森林资源管理的遥感技术应用研究，
并且将“3S”技术用于生态环境综合及林火监测等Im]1481。
采用常规的了望塔、护林塔和飞机监测火情是我国最常规的火灾监测方法，但
是受监测范围、时次有限和费用高昂的约束，尤其在人迹罕见的原始林区，它们的
作用受到产量限制。为此我国设立了以国家林业局卫星林火监测处，租用美国的两
颗气象卫星NOAA．12和NOAA．14，距地面大约833km，平均扫描宽度为2700kin。
它主要是从气象卫星收集的气象资料中提取有关林火方面的信息，经国家林业局卫
星林火监测处接收后，对数据进行处理，制成可供森林防火部门使用的标明火场位
置、火势强弱、火场面积及发展方向的计算机图形文件，并经卫星监测计算机网络
传输到全国各级森林防火部门的林火监测网络终端机内，森防部门可以在计算机上
了解到有关林火方面的各种信息【4引。已在我国的东北、西南、西北林区县级以上的
森防部门大多已设立卫星林火监测接收站或终端站，已经形成了以国家林业局卫星
林火监测处为中心，遍布全国各林区的137个卫星监测终端站的卫星林火监测网。
两颗卫星同时运行每天约有14．2条轨道，对同地点一昼夜至少扫描4次，弥补了飞
机巡护每天一般只一次，了望台观测不方便的缺点。但是卫星对于林区同一点每天
只能扫描4～14．2次，且每次时间一般不超过30分钟，所以在白天的大部分时间里
卫星不能对大部分林区热点进行监测，如果能增加卫星的扫描次数，或者利用专业
卫星在航期对林区热点进行全天候观测，虽然能及时准确发现林区的任何热点，但
是租用国外卫星所付出代价相当昂贵【26113gH40!。
目前我国可行的森林自动监测技术采用蜂窝式定点监测方案，即按一定距离间
隔设置监测点，点与点之间有网络扫描相连，最后传送到主控制室中，有主控计算
图像通信与处理技术在林火监测中的应用研究
机做出正确的判断结果。监测设备包括摄像机、各种传感器如红外传感器、温、湿
度传感器以及通讯设备等I’4114”。
为推进中国国家林业局森林防火业务信息化为目的，防止和预防森林火灾的发
生，努力减少由森林火灾造成的损失，提高火灾扑救指挥的工作效率，目前由中日
双方共同合作在国家林业局信息中心计算机网络和国家林业局森林防火办公室林火
监测网络基础之上，由日方提供技术支持和平台开发，中方负责的地理信息的采集
涉及中国全国的地理信息，采用Client／Server数据库技术、WWW技术、地理信
息技术和遥感技术，利用基础地理信息数据、林业专题数据、遥感数据、林业调查
数据，结合数字图像处理与通信技术完成了林火监测信息处理分析、预测预报、林
火损失评估、林火信息查询和信息发布等功能开发。项目通过林火预测预报，林火
监测、辅助决策、信息发布等功能使森林火灾及早发现，并提供辅助决策手段，努
力减少火灾造成的损失，并通过互连网发布和收集有关林火信息，宣传森林火灾的
有关知识，减少火灾发生。
由此可见，林火自动检测技术的发展越来越离不开数字图像处理与通信技术的
支持。
1．2数字图像处理与通信技术 ，
1．2．1数字图像处理技术
图像是人类获取信息的一个重要来源，大约有70％的信息是通过人眼获得的图
像信息而来。图像处理发展经历了很长的发展历史，随着计算机技术的飞速发展，
图像处理技术从原先的光学方法向数字图像处理(Digital Image Process)方法方向
发展【13l。叫。数字图像处理技术起源于20世纪20年代，从20世纪60年代起，随着
电子技术和计算机技术的不断提高和普及，数字图像处理进入高速发展时期。1964
年美国喷射推进实验室(JPL))进行太空探测工作，用计算机处理测距器7号发回的月
球图片，以校正飞船上电视摄像机中各种不同形式的固有的图像畸变。随后，对1965
年“徘徊者8号”发回地球的几万张照片进行较为复杂的数字图像处理(解卷积、
去运动模糊等)，使图像质量进一步提高。到了20世纪80年代，各种硬件的发展，
使得人们不仅能够处理二文图像，而且开始处理三文图像。许多能获取三文图像的
设备和分析设备三文图像的系统研制成功，图像处理技术得到了广泛的应用。进入
20世纪90年代，图像处理技术己逐步进入人类生活和社会发展的方方面面，它已经
成功应用于电站锅炉燃烧器火焰检测[2113ll’Jl。’lI’。儿’’113‘JI。引。
但是由于数字图像处理的数据量非常庞大，因此处理速度相对较慢，这就限制
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了数字图像处理的发展。随着计算机技术的高速发展，计算机的运算速度大大提高，
目前1GHz以上的CPI．J已经开始推广应用，这将大大促进数字图像处理技术的发展。
小波分析理论、人工神经元网络理论、遗传算法等各种理论的不断涌现，为图像处
理技术发展奠定了理论基础，它逐步向工业、医疗保健、航空航天、环境监测等学
科领域渗透，并为其所利用，在国民经济中发挥越来越大的作用。
1．2．2图像通信技术
图像通信系统所传送的主要是人视觉能够感知的图像信息。在通信的发送端，
首先由图像输入设备将图像信息变为电信号，经光、电等传输媒体传送到通信的接
收端，再将其恢复成视觉可以接收的形式。
图像信源 图像显示
图1．1数字图像通信系统模型
数字图像通信系统的组成框图如图1．1所示，它和以往的模拟系统比，具有以
下优点l’4J：
1)可以多次中继而不致引起噪声的严重积累，因此可以远距离图像通信。
2)有利于采用压缩编码技术。虽然数字图像基带信号的传输需要占用很高的频
带，但利用压缩编码技术后，可在一定的信道频带的条件下，获得比模拟传输更高
的通信质量；甚至在窄带条件下，实现一定质量的图像通信。
3)易于与计算机技术结合，实现综合图像、声音、数据等多种信息的综合业务。
4)可采用数字通信中的抗干扰编码技术，以提高抗干扰性能。
5)易于实现保密通信。
6)采用大规模集成电路，可以降低功耗、减少体积，提高可靠性，便于文护。
互联网的迅猛发展和普及为网络图像通信技术的发展提供了强大的市场动力，
流媒体业务正变得日益流行。它己广泛用于远程视频监控、多媒体新闻发布、在线
直播、视频点播、远程教育、远程医疗、网络电台、实时视频会议等互联网信息服
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务。随着计算机、电视与通信技术的结合，新的图像通信业务将不断涌现。虽然近
年来实时视频传输方面也有了许多进展，不过仍受传输速率和网络特性的限制，
Internet上的实时视频传输仍处在起步阶段，但是随着宽带技术的发展、光纤技术的
成熟，实时视频传输必将成为现实【12If侈l。
1．3课题的目的和意义
20世纪是人类物质文明发达的时代，但也是地球生态环境和自然资源遭到破坏
日趋严重的时期。当前我国面临突出的生态环境问题诸如水土流失、土地荒漠化、
水资源短缺、生物多样性锐减以及水、旱、风等灾害频繁，都与我国森林的严重破
坏和总量不足密切相关。我国是一个自然环境十分复杂的国家，土地面积占世界土
地面积的7％，林地面积约l 30万km。，占世界第5位。但是我国森林覆盖率很
低，仅为16．55％，人均林地为世界平均的1／6，占世界第12l位。活立木蓄积108
亿m’，其中可采的用材林资源只有30亿m’，而且用材林资源在逐年下降。主要原
因在森林生产建设中缺乏科学性，一些重大生产建设还没有建立在充分的科学依据
基础上；人民的文化水平低，森林采伐技术落后，大批毁坏森林的问题非常严重：
不重视森林，给自然灾害、干旱和洪涝、病虫害、全球气候变暖等提供了有机可乘
的机会，特别是森林火灾，它是森林的主要灾害之一，它不仅严重破坏森林资源，
而且是制约林业持续发展的主要因素之一。它每年都会给林业生产带来严重的损失，
影响着森林资源的保护和发展，同时造成灾区及周边地区环境的严重污染。中国是
森林火灾多发国，据林业部1950～1989年森林火灾统计资料表明：建国40年来共
发生火灾63万次，年平均发生森林火灾l 5750多次，年平均烧毁森林面积达89万
hm2，为世界平均森林受害率的8倍。据估测，40年来我国森林火灾造成的森林资
源损失价值在1500亿元人民币左右，严重危害国家和人民的生命财产安全I’。115引。
1992年联合国召开了世界环境与发展大会宣布了《2l世纪议程》，确定了可持
续发展是人类2l世纪的主旋律，森林可持续发展是可持续发展的重要组成部分，森
林的可持续发展不仅仅是林业可持续发展的前提条件和基本标志，也是整个地球生
命支持系统持续发展的重要支持力量和重要标志【3¨。
我国也于1998年在全国范围内全面实施天然林资源保护工程，简称“天保”工
程，在lO年问投资962亿元，改善我国日益严重的生态环境问题，实现林业可持续
发展的重大国策，它不仅涉及面广，影响范围大，而且也给我国林区的社会改革及
其完善相应的经营模式提供了重大的机遇和挑战I弛114】】I。引。
如何及时、准确了解和掌握林区内森林火灾显得尤为重要，它不仅能够为工程
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