研究無人機在林火監(jiān)測中的應用

尹琳芳

（云南省玉溪市林業(yè)和草原局 云南玉溪 653100）

長期以來，中國氣象局對森林火險進行實時監(jiān)測和等級評估是其對外服務的關鍵內容，目前服務工作依賴于衛(wèi)星遙感技術。由于森林是開放性的生態(tài)系統(tǒng)，而通常森林發(fā)生重大火情都是突發(fā)性且比較強，又在偏遠的原始林區(qū)處置撲救極為困難，所造成的危害極大。在我國西南以及東北等地區(qū)都有大面積的林區(qū)，而這些地區(qū)地勢陡險、植被豐富、交通極為不便，森林中可燃物載量大，諸多的因素給森林巡護工作帶來巨大的困難。而無人機遙感技術可以為林業(yè)工作提供防火預警。運用飛機巡護的模式對林區(qū)火情進行監(jiān)測，采用計算機技術與實時視頻傳輸融合起來的方式，實現(xiàn)對森林防火監(jiān)測任務設備的研制，通過飛機上搭載的滅火設備，實現(xiàn)及時滅火，無人機檢測面積廣，計算機反應速度快，這些都為林火的預警預報以及及時的遏制火勢起到有效幫助。

1 無人機林火監(jiān)測系統(tǒng)的設計

在燃燒過程中煙與火往往是相伴而生的，在林火初期火勢較小處于“暗燃”狀態(tài)時，此時煙霧在色彩與空間范圍上都與“明火”時期大相徑庭，“明火”因其勢頭等原因很容易被傳感器檢測到，但是“暗火”相對難以檢測，但“暗火”發(fā)生時產生大量的煙氣現(xiàn)象尤為突出，煙的指示作用更加明顯，因此將“暗火”作為判斷煙霧識別是最理想的途徑?；诖?，在設定可疑探測目標時，利用機載設備對煙霧的檢測實現(xiàn)對森林的巡護，也就是說將“煙霧”作為探測目標。從視覺探測角度來說，應從三個層次對目標進行確定，其中發(fā)現(xiàn)目標、進行目標種類的判識、判明目標特征，這三個方面是對一個目標的三個層次的探測，這三個層次分別對應三項林火探測目標，即發(fā)現(xiàn)可疑煙霧、判斷是否因為林火而產生的煙霧、對林火類型及發(fā)展事態(tài)進行判斷。為了降低森林火災損失，運用林火監(jiān)測手段對森林進行巡護，采用無人機林火監(jiān)測系統(tǒng)，并將系統(tǒng)的功能設計目標探測層次定位在“煙霧的產生判明是否林火所致”這一層次上（第二層次），可以自動檢測林區(qū)可疑煙霧目標，而地面人員通過機載設備傳回的火情位置進行實地確認，輔助人工則能夠確定是否有林火發(fā)生，采用人機交互模式確定林火位置和范圍以及發(fā)展態(tài)勢等相關信息[1]。

對于系統(tǒng)結構設計與技術路線。林火監(jiān)測系統(tǒng)作為全新的高效、低成本作業(yè)工具，如何實現(xiàn)上述功能目標、實現(xiàn)系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，擬采用計算機技術融合實時視頻傳輸，通過常規(guī)攝像頭捕捉視頻畫面，再利用計算機技術實時將視頻畫面發(fā)回地面站，通過圖像識別檢測甄別煙火，提供關于林火起火位置、火勢范圍等有效信息，并及時報警并將所有數(shù)據(jù)收藏存檔。無人機林火監(jiān)測系統(tǒng)是由林火監(jiān)測系統(tǒng)與無人機飛行平分構成，利用GPS 技術、數(shù)字傳輸技術、無線通信技術以及三軸姿態(tài)傳感器。無人機平臺系統(tǒng)與機載設備系統(tǒng)各自有獨立的空間，所以相互間互不干擾[2]，各自執(zhí)行任務相互間不影響。

對于煙霧檢測技術方法。根據(jù)像素（每個煙霧區(qū)）的RGB 值進行分類，運用SPSS 軟件對每個煙霧區(qū)進行聚類分析，通過分析軟件（統(tǒng)計產品與服務解決方案），獲取具有顏色特征的煙霧識別模型，判定是否煙區(qū)以零作為界線，影像值的計算用計算機技術進行，如果運算結果在零界線以上則為煙區(qū)，以下則為非煙區(qū)。指揮中心觀察員按照系統(tǒng)檢測到的煙霧后，依據(jù)煙霧與地面的角度、濃度分布、煙柱形狀等信息判斷林火發(fā)生與否，對圖像中火點的位置及范圍進行確認。目前煙霧檢測技術很難做到計算機程序自動判識，主要是因為林火發(fā)生時煙霧變化復雜，必須借助人工日積月累的實踐經(jīng)驗進一步確定。

2 無人機林火監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)

中國空氣動力研究中心提供的無人機平臺將通用靶機改造為機體，搭載攝像機和數(shù)碼相機作為森林火災探測傳感器。運用多光譜攝像機航拍，攝像機機頭與被監(jiān)測區(qū)域的垂直度是依靠姿態(tài)傳感器作支持、在計算機系統(tǒng)控制的下得以保持，穩(wěn)定云臺能夠控制數(shù)碼相機始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，保證攝像頭的穩(wěn)定性，從而進行影像資料的采集，此時地面站則接收無人機作業(yè)飛行參數(shù)信息、機載視頻影像信息，在監(jiān)視界面以高亮顯示作為報警提示，提醒地面人員及時做出反應[3]，主要是通過煙霧檢測模塊處理后實現(xiàn)林火確認。檢測到有煙霧的影像數(shù)據(jù)和信息會自動記錄儲存。飛行作業(yè)完畢，確保時間同步的前提下用數(shù)碼相機對這些影像資料進行處理，經(jīng)過處理的影像資料質量更高，對后續(xù)林區(qū)開展改進檢測模型、損失估算以及明火識別評估提供更加高清晰度的影像資料。

對無人機監(jiān)測站而言，無人機量產投入到森林火災監(jiān)測后其運行方式和作業(yè)流程將會發(fā)生變化。各無人機監(jiān)控站應根據(jù)使用需求和地面情況來制定有效的飛行周期，明確制定飛行時間和航線，并在整個巡邏季申請空域使用權。經(jīng)航空管理部門批準后，無人機每次執(zhí)行林火監(jiān)測時只需要在起飛前經(jīng)航空部門確認就可作業(yè)。無人機開展林火監(jiān)測作業(yè)時一旦監(jiān)測到目標，能自動控制在火情區(qū)域內上空繼續(xù)執(zhí)行任務，直至判斷識別通過，以避免誤報。

3 應用及建議

對森林火情偵查、護林巡查、火場實時勘察是無人機林火監(jiān)測的主要工作內容，在森林防火中應用無人機系統(tǒng)具有應急迅速、耐力強、實時巡邏能力強、圖像傳輸實時、功能多樣、機動靈活等特點，在人與車難以到達的區(qū)域無人機在上空將實地狀況及時反饋地面站，無人機具有機動性強、操作方便等優(yōu)點，可以實時檢測更大林區(qū)的安全狀態(tài)，使林業(yè)部門能夠及時管理森林火源，護林巡查管理能力快速提升。無人機攜帶火情監(jiān)測系統(tǒng)在空中巡查時按照預定的航線對監(jiān)控基站附近的林區(qū)以垂直120方位、水平360 方位實施視頻監(jiān)控圖像采集，并將獲取的影像信息資料傳輸給地面站，系統(tǒng)的智能化使其自動完成火情的識別、自動定位火情位置，對可疑火點、重點防護的區(qū)域，通過遙控指令改變飛行航線實施重點詳查。無人機除了應用于林火監(jiān)測以外，在森林管理的其他方面也可以廣泛運用，例如，用溫濕度傳感器監(jiān)測林區(qū)可疑火源，不僅可以從根本上了解森林生態(tài)氣候的變化規(guī)律，同時還接收林區(qū)的實時氣象數(shù)據(jù)，監(jiān)測可燃物的收集情況。它可以監(jiān)測林木的生長狀況和病蟲害的防治，也可以用于森林蓄積量的估測和林區(qū)生物資源的采集。

無人機為實現(xiàn)林火探測隨機攜帶多種光譜的攝像系統(tǒng)，檢測區(qū)域有專門規(guī)劃好的航線，無人機的起飛和降落需要彈射架和相對開闊的環(huán)境，對于無人機的操控，則需要專業(yè)人士操作，利用專門的圖像處理軟件對反饋的視頻圖像進行處理。由于無人機系統(tǒng)屬于新興技術，所以應建立相應的專業(yè)隊伍作保障，相應的搭建操作培訓場地，采取定期或不定期的形式開展人員培訓活動。

4 結語

目前低空空域管理改革試點剛起步，受管理、平臺穩(wěn)定性等外在因素的制約，無人機檢測林火工作還未能大面積展開，而且到完全普及還需要很長一段時間，實施業(yè)務化的林火實時監(jiān)測運用無人機系統(tǒng)還不現(xiàn)實。可以選樣林場進行試運行，就本研究的系統(tǒng)融合其他林火監(jiān)測技術，快速探測林區(qū)是否存在安全隱患。同時對林火數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以為林火的預防提供前瞻性的數(shù)據(jù)支持，在確認災情發(fā)生、判斷識別災情類型上發(fā)揮其作用。