無人機(jī)在森林火災(zāi)中的應(yīng)用

1、無人機(jī)在森林火災(zāi)中的應(yīng)用13林學(xué)創(chuàng)新3135405033王兆京摘要：為探索林火監(jiān)測(cè)的新手段，提高森林安全管理水平，將實(shí)時(shí)視頻傳輸和計(jì)算機(jī)技 術(shù)相結(jié)合，研制了林火監(jiān)測(cè)任務(wù)設(shè)備，并與無人機(jī)飛行平臺(tái)共同構(gòu)成了微型無人機(jī)林火 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以林區(qū)火場(chǎng)影像為樣本，像素RGB值為分類依據(jù)，使用統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解 決方案軟件進(jìn)行聚類分析，得到基于顏色特征的煙霧識(shí)別模型。該模型經(jīng)過光譜特性改 進(jìn)和消噪處理后，對(duì)于試驗(yàn)影像的煙霧識(shí)別率在77%以上。利用該模型，系統(tǒng)可在飛行 中實(shí)時(shí)完成對(duì)地 面火情的探測(cè)并給出報(bào)警提示。在飛行試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出無人機(jī)林火 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的飛行作業(yè)流程，并討論了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和目前存在的問題。

2、無人機(jī)林火 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同樣可用于林區(qū)氣象探測(cè)、可燃物和病蟲害調(diào)查等方面，切實(shí)提高林區(qū)管理的技 術(shù)水平。關(guān)鍵詞：森林保護(hù)；無人機(jī)；森林火災(zāi)；監(jiān)測(cè)；識(shí)別；模型森林火險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估和重大火情監(jiān)測(cè)一直是中國氣象局對(duì)外服務(wù)的主要內(nèi)容之一，由于重大 火情往往發(fā)生在偏遠(yuǎn)的原始林區(qū)和東北、西南等大林區(qū)，這些地區(qū)都具有面積大，交通不 便等特點(diǎn)，因此這一服務(wù)目前主要依賴于衛(wèi)星遙感技術(shù)。但是由于平臺(tái)本身有固定的運(yùn) 行周期且地面分辨率較低，衛(wèi)星通常難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情，在復(fù)雜天氣情況下更是如此，往 往是火情已有相當(dāng)發(fā)展的時(shí)候才能發(fā)現(xiàn)，錯(cuò)過了林火控制的最佳階段。相對(duì)于了望塔和衛(wèi) 星而言，飛機(jī)巡護(hù)是目前林區(qū)火情監(jiān)測(cè)最為有效的作業(yè)手

3、段，具有巡視面積大、作業(yè)效率 高、反應(yīng)速度快等特點(diǎn),搭載一定的人員和滅火設(shè)備，還可以在發(fā)現(xiàn)火情后就地實(shí)施撲救, 因而在國外已成為森林防火的主力軍之一。我國早在1952年就建立了東北航空護(hù)林中 心,1961年又成立了西南航空護(hù)林總站,開展航空護(hù)林業(yè)務(wù)。但由于經(jīng)費(fèi)等原因,我國航 空護(hù)林面臨著飛機(jī)陳舊、設(shè)備老化、飛行能力不足等問題。缺乏高效、經(jīng)濟(jì)、易維護(hù)的 飛行平臺(tái)成為制約航空護(hù)林事業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。無人駕駛飛機(jī)（以下簡稱無人機(jī)）是當(dāng) 今航空科技發(fā)展的熱點(diǎn)之一，相對(duì)于普通飛機(jī)而言，具有體積小、重量輕、成本低、維護(hù) 簡單、使用靈活等特點(diǎn)。目前國內(nèi)外都在積極開展無人機(jī)的民用研究，并且在資源遙感、 環(huán)境評(píng)

4、估、航空測(cè)繪、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、氣象探測(cè)和人工影響天氣等領(lǐng)域內(nèi)取得了一定的進(jìn)展。 在森林防火方面也有相關(guān)工作開展，如NASA艾姆斯中心研制了無人機(jī)用AIRDAS（機(jī)載紅 外災(zāi)害評(píng)估系統(tǒng)）組件；齊齊哈爾大學(xué)的李春林等研制了林火監(jiān)測(cè)無人飛艇?？梢妵鴥?nèi)外 對(duì)無人機(jī)在森林防火方面的應(yīng)用潛力已有了相當(dāng)?shù)恼J(rèn)識(shí)，如能開發(fā)出實(shí)用、低成本的微型 無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于森林防火工作，不僅具有飛機(jī)巡護(hù)的諸多優(yōu)勢(shì)，而且能夠大大降 低運(yùn)行成本，為我國森林安全工作提供一種全新的低成本、高效作業(yè)工具。無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)森林火災(zāi)是一種無組織的燃燒過程，主要特點(diǎn)就是不完全燃燒，其外 在表現(xiàn)為火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)有大量的

5、煙氣產(chǎn)生，特別是在初期火勢(shì)較小時(shí)，這一現(xiàn)象尤為突 出。大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)也表明，在林火發(fā)生時(shí)煙與火往往是伴生的。特別是處于“暗燃”狀 態(tài)的林火，煙的指示作用更加明顯。且相對(duì)于明火而言，燃燒產(chǎn)生的煙霧在色彩和空間 尺度上都具有更明顯的特征，對(duì)傳感器的要求更低，也更容易被自動(dòng)識(shí)別U。因此，系 統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將林火監(jiān)測(cè)設(shè)備的探測(cè)目標(biāo)定為煙霧，通過對(duì)煙霧的檢測(cè)來判斷林火的發(fā)生。從 視覺探測(cè)的角度來看，對(duì)于一個(gè)目標(biāo)的探測(cè)通常分為3個(gè)層次：發(fā)現(xiàn)目標(biāo)；判識(shí) 目標(biāo)種類；判明目標(biāo)特征。這3個(gè)層次對(duì)應(yīng)到林火煙霧探測(cè)上分別是：發(fā)現(xiàn)林區(qū) 可疑煙霧目標(biāo)；判明可疑煙霧是否為林火產(chǎn)生；通過煙霧及其他信息判明林火的 類型及發(fā)展態(tài)勢(shì)等信

6、息。獲取林火的種類及發(fā)展態(tài)勢(shì)等信息涉及的因素眾多，需要專業(yè)人 員實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量其他信息的輔助，而減少和降低森林火災(zāi)損失的首要條件是能夠做到 早發(fā)現(xiàn)”，因此，無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)層 次定位在了第2層次。即系統(tǒng)的功能 設(shè)計(jì)目標(biāo)是：能夠自動(dòng)檢測(cè)林區(qū)可疑煙霧目標(biāo)，并在人工輔助下確定是否有林火發(fā)生，同 時(shí)通過人機(jī)交互給出火點(diǎn)位置、范圍等相關(guān)參考信息。1.2技術(shù)路線與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)上述功能目標(biāo)，擬采用常規(guī)攝像頭為探測(cè)器，將獲 得的視頻通過無線數(shù)據(jù)鏈路實(shí)時(shí)發(fā)回地面站，利用圖像識(shí)別技術(shù)在傳回的影像中自動(dòng)檢測(cè) 煙火，并完成存檔及報(bào)警工作。同時(shí)為提供林火的位置、范圍和其他相關(guān)信息，系統(tǒng) 配置了全球定位系統(tǒng)

7、（GPS）、三軸姿態(tài)傳感器和同軸數(shù)碼相機(jī)。無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由 無人機(jī)子系統(tǒng)和林火監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)兩部分組成，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架見圖1。在設(shè)計(jì)上，為 提高林火監(jiān)測(cè)設(shè)備的通用性和可移植性，避免它們與無人機(jī)之間的相互干擾，在軟硬件 上2個(gè)子系統(tǒng)之間是完全隔離的。1.3煙霧檢測(cè)技術(shù)方法以數(shù)碼相機(jī)獲取的高分辨率影像（為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其中的煙霧區(qū) 作為目標(biāo)類別，以每個(gè)煙霧區(qū)像素的紅綠藍(lán)（RGB）值為分類依據(jù)，使用統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服 務(wù)解決方案（statistical product and service solutions，SPSS）軟件對(duì)其進(jìn)行聚類分析，即 可得到影像分類判別式：D=0.124R+0.203G0.

8、05B 3.338。當(dāng)像素運(yùn)算后的D值大 于0時(shí)為煙區(qū)，小于0時(shí)為非煙區(qū)。系統(tǒng)檢測(cè)到煙霧后，由地面人員根據(jù)煙柱形狀、 濃度分布及其與地面角度等信息確認(rèn)是否有林火發(fā)生，并判斷火點(diǎn)在圖像中的位置和范 圍。由于林火發(fā)生時(shí)煙霧的形狀及擴(kuò)散情況受到火點(diǎn)分布和天氣條件的影響，變化復(fù) 雜，規(guī)律性不強(qiáng)，目前難以做到程序自動(dòng)判識(shí)，因此，需要地面監(jiān)測(cè)人員依據(jù)實(shí)踐經(jīng) 驗(yàn)判定火點(diǎn)相關(guān)信息。2無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn)2.1無人機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)的無人機(jī)平臺(tái)由中國空 氣動(dòng)力研究 與發(fā)展中心提供，機(jī) 體由通用靶機(jī)改造而成，攝像頭和數(shù)碼相機(jī)作為機(jī)載設(shè)備的火情 探測(cè)傳感器使用，數(shù)碼相機(jī)通過支架直接與無人機(jī)機(jī)體進(jìn)行固連，兩者在飛行 中

9、姿態(tài)一致。攝像頭則通過兩軸穩(wěn)定云臺(tái)與探測(cè)設(shè)備盒連接，在姿態(tài)傳感器的支持 下，機(jī)載計(jì)算機(jī)可以控制穩(wěn)定云臺(tái)使攝像頭主光軸始終保持與地面的“垂直”。在作業(yè)飛 行中，地面站同時(shí)接收機(jī)載攝像頭的視頻影像和無人機(jī)的航向、經(jīng)緯度、航高、俯仰 角和側(cè)滾角等參數(shù)信息，通過煙霧檢測(cè)模塊處理后就可以實(shí)時(shí)確定林區(qū)煙火的 發(fā)生位置和范圍，并在監(jiān)視界面中高亮顯示以提醒地面人員確認(rèn)火情，及時(shí)做出反應(yīng)。檢 測(cè)到有煙霧的影像會(huì)被自動(dòng)以圖片的形式記錄下來，與影像同步的姿態(tài)、位置等數(shù)據(jù)也 一并記錄。飛行結(jié)束后，通過時(shí)間同步可以將這些資料用于數(shù)碼相機(jī)影像的處理，從而 獲得更高質(zhì)量的影像資料，以便進(jìn)一步開展林區(qū)明火識(shí)別、態(tài)勢(shì)評(píng)估、損失

10、估算和改進(jìn) 檢測(cè)模型等方面的工作。限于篇幅，試制中選用設(shè)備的具體型號(hào)和參數(shù)不詳細(xì)列出，僅 給出完成后的林火監(jiān)測(cè)任務(wù)載荷設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)如下：實(shí)時(shí)視頻影像分辨率380 線，鏡頭視角70 （）； 經(jīng)采集卡獲得的靜態(tài)視頻影像分辨率720 x 576；數(shù)碼 影像行列數(shù)4 368 x 2 912，鏡頭視角84 （）；無線數(shù)據(jù)與視頻鏈路通訊距離15 km； 全球定位系統(tǒng)（GPS ）定位精度10 m，姿態(tài)傳感器動(dòng)態(tài)精度2 （）；設(shè)備機(jī)載部 分（不含數(shù) 碼相機(jī)）質(zhì)量小于1.2 kg，體積小于200 mm x 120 mm x 80 mm。2.3地面 站軟件開發(fā)無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件包括無人機(jī)飛行測(cè)控和林火

11、監(jiān)測(cè)兩部分，其中無人 機(jī)測(cè)控軟件由系統(tǒng)平臺(tái)生產(chǎn)單位提供，不再詳述。無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)地面站的運(yùn)行界面參見圖4。林火監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)的開發(fā)以面 向矩陣的第4代交互式數(shù)據(jù)語言(interactive data language, IDL)為工具， 在Windows平臺(tái)下完成。系統(tǒng)的功能構(gòu)成主要包括：對(duì)目標(biāo)影像 進(jìn)行自動(dòng)煙霧檢測(cè)的識(shí)別模型；2.4火情探測(cè)試驗(yàn)由于森林火災(zāi)具有突發(fā)性，且大多數(shù)林火的持續(xù)時(shí)間較短，因此，尚 未在林區(qū)開展針對(duì)真實(shí)火災(zāi)的探測(cè)試驗(yàn)。為檢驗(yàn)無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際探測(cè)能力和作 業(yè)表現(xiàn)，在四川省綿陽市近郊以人工火為目標(biāo)進(jìn)行了火情探測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)火點(diǎn)以作物秸 稈和灌木枯枝為燃料，燃燒面積

12、約1 m2，無人機(jī)飛行高度設(shè)定為650 m，升空后使 用回形針航線對(duì)目標(biāo)區(qū)進(jìn)行掃描探測(cè)。試驗(yàn)中系統(tǒng)成功探測(cè)到了火點(diǎn)產(chǎn)生的煙霧，并做出 報(bào)警提示，證明其已具備基本的林火探測(cè)能力。無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是：以無人機(jī) 為平臺(tái)，結(jié)合視頻設(shè)備，以較低的成本， 實(shí)現(xiàn)部分航空護(hù)林的功能，尤其是在林火的早期探測(cè)和發(fā)展態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)方面，為森林保護(hù) 工作提供一種全新的、可長期業(yè)務(wù)化運(yùn)行的技術(shù)裝備。因此，在進(jìn)入業(yè)務(wù)化運(yùn)行之后， 每個(gè)無人機(jī)監(jiān)測(cè)站的作業(yè)流程將有所變化。首先，根據(jù)實(shí)地情況和業(yè)務(wù)需求擬定飛行周 期、飛行航線和每次作業(yè)的飛行時(shí)間；之后由上級(jí)部門統(tǒng)一向航管部門完成整個(gè)巡護(hù)季 節(jié)的空域使用申請(qǐng)；空域獲得批準(zhǔn)后

13、，每個(gè)監(jiān)測(cè)站只需在起飛前向航管部門確認(rèn)后即可 開始升空作業(yè)。在巡護(hù)飛行中，如發(fā)現(xiàn)林區(qū)異常情況或可疑目標(biāo)，則控制無人機(jī)在目 標(biāo)區(qū)域上空進(jìn)行監(jiān)視飛行以進(jìn)一步確認(rèn)，防止火警誤報(bào)。在確認(rèn)有林火發(fā)生的情況下，立 即向上級(jí)單位上報(bào)火警并提供參考定位信息。之后可根據(jù)情況滯留火場(chǎng)上空，進(jìn)行發(fā)展 態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)，也可繼續(xù)執(zhí)行林區(qū)巡護(hù)飛行。3應(yīng)用分析及存在問題3.1經(jīng)濟(jì)性分析由于無人機(jī)系統(tǒng)的安全性不及常規(guī)有人機(jī)，且無 人機(jī)在起降過程中存在損毀的可能，因此，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析以可能發(fā)生損毀的空中部 分為重點(diǎn)。目前，一套起飛質(zhì)量在10 kg左右的微型無人機(jī)系統(tǒng)的批量采購費(fèi)用為 5.010.0萬元人民幣，機(jī)體和飛行控制系統(tǒng)等組

14、成的空中部分約為3.0萬元。林火監(jiān)測(cè) 設(shè)備的購置成本約3.0萬元，此價(jià)格不含數(shù)碼相機(jī)及地面計(jì)算機(jī)，以采用3 000.00元的 數(shù)碼相機(jī)為例，林火監(jiān)測(cè)設(shè)備的機(jī)載部分約需3.0萬元。以上合計(jì)，無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)的空中部分成本需6.0萬元。以無人機(jī)可用起降次數(shù)為20次，飛行3 h次一1計(jì)，作 業(yè)成本為1 000.00元h 1。以飛行航高1 000 m，鏡頭視角70 ()，航速80 kmh -1計(jì)，無人機(jī)系統(tǒng)可覆蓋的面積約為112 km2 h 1，單位面積成本8.90元。有人 機(jī)以目前較為常用的運(yùn)12飛機(jī)為例，租用期間每日的臺(tái)班費(fèi)用約6 000.007 000.00元， 停機(jī)、人員等費(fèi)用另計(jì)，執(zhí)行飛

15、行作業(yè)的每小時(shí)機(jī)時(shí)費(fèi)用約1.2萬元。在其他條件相 同的情況下，以航速300 kmh 1計(jì)，可覆蓋的面積約為420 km2 h 1，單位面積成 本28.60元。從上述對(duì)比中可見，就直接使用成本而言，無人機(jī)系統(tǒng)在兩方面都具有較 大優(yōu)勢(shì)。考慮到有人飛機(jī)圖5無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作業(yè)流程Figure 5 Operation process of UAV forest-fire monitoring system馬瑞升等：微型無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)787 浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)2012年10月20日的觀察視角遠(yuǎn)大于70度，在回形針航線中兩 側(cè)的觀察范圍更大，其單位面積成本會(huì)有所降低。但無人機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)主要

16、來自起降階 段，如能進(jìn)一步延長系統(tǒng)的續(xù)航時(shí)間，提高巡航速度，則其單位時(shí)間和單位面積的使用 成本都將大幅降低，且無人機(jī)在購置及保有成本方面的優(yōu)勢(shì)是普通飛機(jī)無法比擬的。3.2 林火監(jiān)測(cè)應(yīng)用方式中國空域并未開放，當(dāng)前低空空域管理改革試點(diǎn)也剛剛開始，無人機(jī) 飛行作業(yè)由于管理上的制約還無法大規(guī)模開展。而且無人機(jī)的民用化時(shí)間較短，受到平 臺(tái)本身安全性和性能的制約，無人機(jī)開展業(yè)務(wù)化的林火實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)還不現(xiàn)實(shí)。就本研究所 述的系統(tǒng)而言，選擇一個(gè)林場(chǎng)進(jìn)行試運(yùn)行，與其他林火監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合，作為應(yīng)急手段， 對(duì)林區(qū)可疑目標(biāo)開展快速探測(cè)，在確認(rèn)災(zāi)情發(fā)生后為林火撲救決策提供信息支持，是目 前系統(tǒng)最可能發(fā)揮作用的方式。在此基礎(chǔ)上

17、，進(jìn)一步改進(jìn)性能，探索業(yè)務(wù)化運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)， 以便為系統(tǒng)的推廣應(yīng)用做好準(zhǔn)備。3.3其他應(yīng)用可能無人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在本質(zhì)上是由 無人機(jī)搭載攝像頭構(gòu)成的空中對(duì)地實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，因此，除了用 于林火的探測(cè)，還可廣 泛用于森林管理的其他方面。如監(jiān)測(cè)森林中的可燃物堆積情況，搭載溫濕度傳感器獲取 林區(qū)的氣象資料，監(jiān)測(cè)林區(qū)的可疑火源等。這些信息的加入將有效提高森林火險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào) 服務(wù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)系統(tǒng)還可以用于林區(qū)的病蟲害防治，林木生長狀況監(jiān)測(cè)，林木蓄積 量估算，防止亂砍濫伐和林區(qū)生物資源調(diào)查等眾多領(lǐng)域。1夏其表，李光輝，尹建新.滲透理論在森林火災(zāi)模擬系統(tǒng)中的仿真研究J.浙江 林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26 (2)：

18、233 238. XIA Qibiao，LI Guanghui，YIN Jianxin. Application of percolation theory in forest fire simulation J . J Zhejiang For 788 第 29 卷第 5 期 Coll， 2009， 26 (2)： 233 238. 2吳雪瓊，秦先林，李程，等.我國林火監(jiān)測(cè)體 系現(xiàn)狀分析J.內(nèi)蒙古林業(yè)調(diào)查設(shè)計(jì)，2010， 33 (3) : 69 72. WU Xueqiong， QIN Xianlin， LI Cheng， et al. Analysis of current forest

19、fire monitoring system in China J . Inner Mongolia For Inv Design， 2010， 33 (3)： 69 72. 3 王彩云，扎西頓珠，陳 濤.EOS/MODIS數(shù)據(jù)在西藏森林火災(zāi)中的應(yīng)用J.高原山地氣象研究，2010，30 (3): 66 69. WANG Caiyun， ZHAXI Dunzhu， CHEN Tao. Application of EOS/MODIS data on the forest fire in Tibet J . Plateau Mount Meteorol Res,2010， 30 (3)： 66 6

20、9. 4熊文成，魏斌，孫中平，等.基于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星B星CCD與紅外相機(jī)融合的澳洲火災(zāi) 監(jiān)測(cè)J.遙感技術(shù)與應(yīng)用，2010， 25 (2) : 178 182. XIONG Wencheng， WEI Bin， SUN Zhongping， et al. Australian forest fire disaster monitoring based on CCD and IRS data of HJ-1-B J . Remote Sens Technol Appl, 2010， 25 (2)：178 182. 5 田曉瑞，張有慧，舒立福，等.林火研究綜述(V)-航空護(hù)林J.世界林業(yè)研究，2004，17 (5)： 17 20. TIAN Xiaorui， ZHANG Youhu