無人機(jī)圖像采集技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用研究

摘要：近年來森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了很大威脅。筆者針對(duì)無人機(jī)獲取森林圖像及處理分析的技術(shù)研究，介紹了無人機(jī)的特點(diǎn)，分析了無人機(jī)圖像采集處理技術(shù)在森林火災(zāi)防控中的技術(shù)要點(diǎn)，旨在對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行更好地預(yù)防和控制。關(guān)鍵詞：無人機(jī);森林防火;圖像處理;AI火點(diǎn)識(shí)別森林火災(zāi)既是八大自然災(zāi)害之一，又是破壞森林三大自然災(zāi)害之首?？萍及l(fā)展到今天，人類對(duì)森林火災(zāi)的控制效果依然較差，究其原因，一方面是森林火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間難以事先預(yù)測，另一方面因?yàn)榛馂?zāi)發(fā)生后，大火會(huì)借助風(fēng)勢及周邊森林等易燃物蔓延和擴(kuò)大，對(duì)森林系統(tǒng)甚至人類造成不可估量的危害和損失。森林火災(zāi)事件時(shí)有發(fā)生，整體來看，面臨的整體防火形勢依然嚴(yán)峻。隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，森林防火體系也在持續(xù)地完善和優(yōu)化，森林火災(zāi)監(jiān)測方式也呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)，目前無人機(jī)圖像采集技術(shù)在森林火災(zāi)預(yù)防方面的應(yīng)用最為廣泛。無人機(jī)圖像采集是借助固定翼無人機(jī)搭載吊艙/視頻攝像頭，無人機(jī)會(huì)根據(jù)需要不定時(shí)地在森林上空進(jìn)行巡航、拍攝，從而獲取不同時(shí)段的森林圖像，獲取的圖像通過鏈路實(shí)時(shí)回傳到地面站，再利用不同的識(shí)別算法對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，減少森林火災(zāi)的發(fā)生。一、無人機(jī)概況分析（一）無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和類型無人機(jī)是由遙控站管理的航空器，也稱遙控駕駛航空器，機(jī)上沒有駕駛員，能一次或多次使用，可以自行控制也可以遠(yuǎn)程引導(dǎo)。無人機(jī)系統(tǒng)也稱無人駕駛航空器系統(tǒng)，由飛機(jī)機(jī)體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)等組成。其中，飛控系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的“心臟”，對(duì)其飛行性能起決定性的作用，對(duì)無人機(jī)的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、精確度、實(shí)時(shí)性等都有重要影響;數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以保證對(duì)遙控指令的準(zhǔn)確傳輸，保證無人機(jī)接收、發(fā)送信息的實(shí)時(shí)性和可靠性;發(fā)射回收系統(tǒng)則是保證無人機(jī)順利升空，以達(dá)到安全的高度和速度飛行，并在執(zhí)行完任務(wù)后，從天空安全回落到地面。按飛行平臺(tái)構(gòu)型的不同，可將無人機(jī)分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)等;按用途可分為軍用、民用無人機(jī);按照無人機(jī)的活動(dòng)半徑，又分為超近程（15km以內(nèi)）、近程（15～50km之間）、短程（50～200km之間）無人機(jī)等;按照執(zhí)行任務(wù)的高度不同，分為超低空（0～100m）、低空（100～1000m）、中空（1000～7000m）無人機(jī)等。（二）無人機(jī)在森林防火中應(yīng)用的優(yōu)勢無人機(jī)使用靈活，具備全天候，受氣象、環(huán)境條件影響偏小等特性。同時(shí)，機(jī)上無駕駛員，可以不用考慮人的生理承受能力和體力限制，可執(zhí)行枯燥、危險(xiǎn)、污染性大的工作，即3D任務(wù)（Dangerous，Dirty，Dull），用途廣泛。無人機(jī)應(yīng)用于森林防火最突出的優(yōu)勢在于能夠快速到達(dá)現(xiàn)場，很好地完成林區(qū)的低空巡護(hù)任務(wù)，在火災(zāi)撲救處置過程中，提升對(duì)火點(diǎn)核查時(shí)效及火場環(huán)境的偵查能力。無人機(jī)所提供的火情信息，可以讓森林消防隊(duì)伍對(duì)火情進(jìn)行宏觀掌握，更好地進(jìn)行火災(zāi)撲救。二、無人機(jī)森林圖像采集處理與識(shí)別分析（一）無人機(jī)森林圖像采集流程無人機(jī)森林圖像采集通常是借助固定翼無人機(jī)裝載攝像頭通過巡航對(duì)森林進(jìn)行圖像拍攝，采集過程通常包括以下流程：（1）設(shè)備地面展開;（2）根據(jù)任務(wù)對(duì)航線進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì);（3）飛行前設(shè)備檢查;（4）啟動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng);（5）飛機(jī)起飛;（6）到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)、作業(yè)采集;（7）返回降落;（8）飛機(jī)落地后檢查維護(hù);（9）數(shù)據(jù)后期處理。具體作業(yè)流程如圖1所示。（二）無人機(jī)森林圖像處理由于采集的圖像不可避免地會(huì)受到不同程度的外界環(huán)境干擾，比如煙霧、噪聲等，因此，進(jìn)行正式分析識(shí)別前應(yīng)對(duì)圖像進(jìn)行去噪復(fù)原、邊緣檢測、圖像分割等處理，以便為后續(xù)特征提取和分析打下基礎(chǔ)。1.森林圖像降噪處理無人機(jī)采集圖像過程中，噪聲是圖像中一個(gè)常見且占比較大的干擾因素，而產(chǎn)生噪聲的原因也較多，包括無人機(jī)本身受外界環(huán)境干擾，比如會(huì)受到惡劣天氣、強(qiáng)磁場等影響，噪聲會(huì)對(duì)圖像的處理造成大的影響，而圖像降噪處理的本質(zhì)是采取有效措施最大限度減少圖像中噪聲的處理過程，不可能消除噪聲，只能盡力降低。當(dāng)前一般是根據(jù)實(shí)際情況采用適合的濾波器處理圖像，包括小波濾波、中值濾波和高通濾波等。2.森林圖像分割處理森林圖像分割選取處理是后續(xù)識(shí)別分析的基礎(chǔ)工作，是選擇敏感點(diǎn)、可疑點(diǎn)、重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)的過程，森林范圍一般較大，不宜全面識(shí)別分析，也不利于提高工作效率。圖像分割方法有灰度閾值分割、顏色分割等。彩色圖像是指每個(gè)像素由RGB分量構(gòu)成的圖像，而森林火災(zāi)的火焰顏色在圖像中較為明顯，通常使用RGB彩色空間進(jìn)行分割即可完成分割目的。而灰度閾值分割是通過圖像灰度級(jí)選擇一個(gè)較好的灰度閾值。閾值的設(shè)置是至關(guān)重要的，因?yàn)殚撝颠^大或過小都可能產(chǎn)生誤判或多判，不利于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析。分割圖像的前提是需要有明顯顏色差異等條件，而森林圖像中的土壤等灰度值同森林中的太陽光線等環(huán)境接近，形成準(zhǔn)確的分割極為不易，實(shí)踐中應(yīng)注意分割方法的選擇。3.森林圖像邊界提取森林圖像的邊界提取在森林防火中具有非常重要的作用，需要將分割后的森林火災(zāi)火焰的邊界線從森林圖像中提取出來，以便用于后期要素的提取分析，通常用的圖像邊界線提取算法是梯度算法。（三）無人機(jī)森林圖像特征提取與識(shí)別分析當(dāng)前，森林防火的研究多在火災(zāi)事后控制上，森林火災(zāi)的預(yù)防措施效果不佳或力度不夠，有些依靠護(hù)林員巡山，效率低下，未能達(dá)到真正的森林防火目的，而無人機(jī)森林圖像特征提取與識(shí)別分析能有效對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行預(yù)防。研究發(fā)現(xiàn)，利用無人機(jī)對(duì)森林圖像進(jìn)行提取，通過對(duì)森林土壤圖像灰度值進(jìn)行分析，確定森林環(huán)境的濕度情況，以此判斷森林火災(zāi)等危險(xiǎn)性;火災(zāi)發(fā)生后，利用森林圖像提取，針對(duì)火焰的特征，采取先進(jìn)的識(shí)別算法原理，對(duì)火災(zāi)火焰目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別分析等，綜合利用這些技術(shù)可以為森林火災(zāi)預(yù)防及森林火災(zāi)撲救提供有力的技術(shù)支撐。1.森林圖像濕度特征分析相關(guān)研究表明，在森林環(huán)境中，可以通過建立土壤圖像灰度值與濕度值的關(guān)系函數(shù)，通過森林土壤圖像灰度值監(jiān)測森林環(huán)境的濕度，當(dāng)森林中的濕度低于一定閾值時(shí)，就需要對(duì)森林進(jìn)行相應(yīng)的火災(zāi)預(yù)防工作，以達(dá)到森林火災(zāi)預(yù)防的目的。森林圖像中土壤腐殖層像素的灰度值可以反映出土壤中的含水量，通過太陽光譜中的光反射信息可以估算出土壤腐殖層的含水量。在可見光的范圍內(nèi)，土壤腐殖層表面的含水量越高，則土壤圖像的灰度值越小;反之，土壤中含水率越低，則圖像灰度值越大?？梢酝ㄟ^森林圖像先測量土壤濕度，再獲得森林圖像的平均灰度值，最后建立森林土壤圖像的灰度值與含水量之間的關(guān)系，從而確定預(yù)警值。2.森林火災(zāi)的火焰特征分析火災(zāi)本質(zhì)是一種燃燒現(xiàn)象，并且伴隨著發(fā)光發(fā)熱的現(xiàn)象，一旦有火災(zāi)的發(fā)生就必然有火焰的出現(xiàn)。在進(jìn)行森林火災(zāi)識(shí)別時(shí)，可依靠火焰顏色的分割對(duì)森林火災(zāi)圖像進(jìn)行有效甄別，初步確定火災(zāi)可疑區(qū)域或敏感范圍。但是，由于森林火災(zāi)火焰的顏色受外界（比如陽光）干擾較大，為了能準(zhǔn)確判定是否發(fā)生了火災(zāi)，就需要研究森林火災(zāi)火焰的特征來增強(qiáng)識(shí)別的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，因此，研究森林火災(zāi)的火焰特征顯得格外重要?；鹧娴念伾怯裳嫘南蜓嫱狻⒂牲S色到紅色漸變的，其中以紅色為主。而森林火災(zāi)發(fā)生后，火焰等特征一般會(huì)非常突出?；馂?zāi)是動(dòng)態(tài)的，火焰區(qū)域也是動(dòng)態(tài)的，而非火災(zāi)是靜態(tài)的或相對(duì)不變的，因此可以從固定和變化的角度考慮問題，實(shí)踐中可以通過非火災(zāi)區(qū)域的面積變化來判斷火災(zāi)發(fā)生的區(qū)域。由于森林火災(zāi)的火焰受風(fēng)等因素影響很大，其圓形度較?。ㄖ荛L與面積的比值），而太陽光的圓形度一般接近1，所以當(dāng)圓形度與1偏離較大時(shí)，則為火災(zāi)發(fā)生區(qū)域。實(shí)踐中可以將此特征作為森林火焰的判斷依據(jù)之一。另外，森林火災(zāi)發(fā)生后，火焰受到風(fēng)等外界因素的影響，火焰的邊緣會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，呈現(xiàn)在森林圖像上，邊緣曲線會(huì)呈現(xiàn)鋸齒狀，或者出現(xiàn)許多的尖頂點(diǎn)。但相對(duì)太陽光等穩(wěn)定的光源，雖然在圖像上也會(huì)存在尖角，但數(shù)量上基本穩(wěn)定，不會(huì)大量出現(xiàn)。相比而言，森林火災(zāi)火焰由于外部干擾因素多，其尖角特征是動(dòng)態(tài)的，會(huì)隨著火勢而持續(xù)變化。因此，也可以通過識(shí)別火焰的尖角特征來區(qū)分森林火災(zāi)火焰和其他干擾光源。3.利用森防AI火點(diǎn)識(shí)別森林防火最理想的技術(shù)手段是采用全天候、高密度、高精度的無人機(jī)圖像采集技術(shù)對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測，采用這種巡航、采集、處理、分析、識(shí)別報(bào)警、火點(diǎn)定位一體化系統(tǒng)將為森林防火作出強(qiáng)有力的貢獻(xiàn)?；谏姥膊檫^程AI火點(diǎn)識(shí)別自動(dòng)預(yù)警的技術(shù)是無人機(jī)森林圖像最直接的提取與識(shí)別分析方法，通過人工智能技術(shù)，系統(tǒng)采用不同的光學(xué)相機(jī)進(jìn)行拍攝，并根據(jù)照片的拍攝參數(shù)，來自動(dòng)識(shí)別出火點(diǎn)/火情，在查全率和查準(zhǔn)率上實(shí)現(xiàn)大幅提升，同時(shí)通過應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警，提升森防巡檢作業(yè)效率。實(shí)踐中，應(yīng)結(jié)合多種方法，增強(qiáng)識(shí)別判定結(jié)果的可靠性，提高預(yù)防森林火災(zāi)的能力。三、無人機(jī)圖像采集技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用（一）無人機(jī)圖像采集技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用現(xiàn)狀無人機(jī)在實(shí)際應(yīng)用過程中表現(xiàn)出了自身的優(yōu)勢及價(jià)值，長遠(yuǎn)來看，在森林防火工作中，無人機(jī)的應(yīng)用將越來越廣泛，對(duì)森林防火工作相當(dāng)有利。一方面，無人機(jī)圖像采集技術(shù)的應(yīng)用可明顯降低森林防火的工作強(qiáng)度，通過圖像采集與識(shí)別分析，無須實(shí)地巡檢就能大范圍地掌握森林火災(zāi)形勢，大大降低了防火工作的難度;另一方面，無人機(jī)圖像采集技術(shù)的應(yīng)用，明顯提升了森林防火的工作效率。森林面積一般較大，且火災(zāi)具有突發(fā)性特點(diǎn)，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，避免火災(zāi)蔓延。通過合理使用無人機(jī)圖像采集技術(shù)可監(jiān)測可視范圍內(nèi)任一角落，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患。然而，無人機(jī)森林圖像采集技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過程中，其作用并沒有完全展現(xiàn)出來。從無人機(jī)的普及度比較小到森林工作人員未能熟練掌握無人機(jī)及森林圖像處理技術(shù)等，都造成了無人機(jī)森林圖像采集技術(shù)未能從根本上發(fā)揮其價(jià)值。另外，我國無人機(jī)森林圖像采集技術(shù)水平與世界水平還存在一定差距，仍需深入研究?？傮w來看，無人機(jī)圖像采集技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用范圍還不夠廣，還不夠深入，存在技術(shù)體系不完善，管理措施不到位，硬件配套不齊全等劣勢，與當(dāng)前森林防火的嚴(yán)峻形勢不匹配，對(duì)于滿足森林防火的實(shí)際需要仍差距較大。（二）無人機(jī)圖像采集技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用前景一方面，無人機(jī)圖像采集技術(shù)獲取的森林圖像具有高效率、高精度、大范圍等特點(diǎn);且無人機(jī)能按照設(shè)定的線路飛行，能夠全天候、全方位監(jiān)測林區(qū)，機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)，成本低，且能識(shí)別可疑目標(biāo)，對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，常規(guī)目標(biāo)常規(guī)監(jiān)測，且在不良環(huán)境下依然具備監(jiān)測能力，為森林防火數(shù)據(jù)采集、處理、分析提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐，由此可見，無人機(jī)圖像采集技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用前景將更加廣闊。另一方面，無人機(jī)森林圖像采集的應(yīng)用技術(shù)體系將更加完善，技術(shù)手段將更加智能化、便捷化。隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，技術(shù)的不斷迭代、更新，森林防火的體系將會(huì)更加完善，不論是技術(shù)上，還是管理、應(yīng)用上，將形成地空一體的全方位綜合體系，不斷地加強(qiáng)新技術(shù)和應(yīng)用研究，比如，在無人機(jī)動(dòng)力方面，可以考慮采用新能源