森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)探測(cè)系統(tǒng)的研究

蔡親瑋 王瀟宇 王晴

摘要：隨著人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，森林火災(zāi)成為了社會(huì)不可忽視的常態(tài)性多發(fā)性問題。由于森林火災(zāi)具有傳播速度快、撲滅森林火災(zāi)較為困難等特點(diǎn)，且森林火災(zāi)一次次展示了其對(duì)于人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的巨大破壞性，所以如何有效的對(duì)森林火災(zāi)的發(fā)生進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)以及預(yù)防就成為了目前的研究熱點(diǎn)。

由于森林火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間與地點(diǎn)具有不確定性，而且森林面積廣闊，目前市面上的一些主流火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常的檢測(cè)與識(shí)別森林火災(zāi)，故森林火災(zāi)的發(fā)生給消防員與附近群眾帶來(lái)了諸多安全問題。

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)檢測(cè)場(chǎng)所空間大、范圍大，地點(diǎn)不確定等問題，并為此展開深入的研究與討論，設(shè)計(jì)了一款全自動(dòng)森林檢測(cè)無(wú)人機(jī)，它可以通過不定期的飛行在特定的區(qū)域進(jìn)行火災(zāi)檢測(cè)，通過高精度的紅外CCD圖像傳感器采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的圖片，通過視頻采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像傳送到監(jiān)控中心，有監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)終端利用圖像處理技術(shù)對(duì)火災(zāi)圖像進(jìn)行識(shí)別。

一、項(xiàng)目的背景

近年來(lái)，隨著各項(xiàng)自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，人類的力量在大自然中顯得微不足道，而傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)只適用于小空間，小面積的環(huán)境中，且多采用煙塵檢測(cè)法，而并不檢測(cè)其火焰本身，所以其檢測(cè)準(zhǔn)確率低、檢測(cè)靈敏度低，監(jiān)測(cè)適用范圍少。

隨著信息傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像AI處理技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用。圖像監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)是視覺所接受的信息以光為傳播媒介，并且圖像更加具體和形象，為火災(zāi)的前期發(fā)生提供了更好的預(yù)防基礎(chǔ)，因此可以利用圖像處理技術(shù)與無(wú)人機(jī)融為一體進(jìn)行火災(zāi)的監(jiān)控與報(bào)警，能夠更好的預(yù)防森林火災(zāi)。

由上述背景可知，我們發(fā)現(xiàn)目前市面上的火災(zāi)檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)針對(duì)森林火災(zāi)這一特殊復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)合都存在部分缺陷，為此我們著眼于森林火災(zāi)檢測(cè)與識(shí)別，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的檢測(cè)森林火災(zāi)，減少消防員與滅火隊(duì)員的人身安全傷害，提高對(duì)森林的保護(hù)級(jí)別，面向未來(lái)開展的研究項(xiàng)目。

二、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測(cè)一般采用濃度檢測(cè)濃度法，而并不檢測(cè)火焰的溫度，所以檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，并且監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確率低，對(duì)某些情況無(wú)法預(yù)報(bào)，比如低顆粒濃度的無(wú)煙火焰等。而現(xiàn)有的圖像處理方法，因?yàn)樵O(shè)備昂貴、對(duì)環(huán)境或傳感器等要求高而無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。

與以往把火災(zāi)過程中的某個(gè)特征物理量作為監(jiān)測(cè)對(duì)象的方案相比較。近年來(lái)，人們?cè)谘芯炕馂?zāi)等問題時(shí)更多的將目光投入到研究火災(zāi)的預(yù)防的過程中，并已經(jīng)取得與以往把火災(zāi)過程中的某個(gè)特征物理量作為監(jiān)測(cè)火災(zāi)的方案相比較。近年來(lái)，火災(zāi)科學(xué)界正逐漸將注意力轉(zhuǎn)移到火災(zāi)現(xiàn)象本身和深層次的機(jī)理研究方面，并已經(jīng)取得一定的成果。

三、項(xiàng)目研究的意義

根據(jù)調(diào)查的結(jié)果與最近發(fā)生的森林火災(zāi)新聞，我們發(fā)現(xiàn)目前市面上的火災(zāi)檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)針對(duì)森林火災(zāi)這一特殊復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)合都存在部分的缺陷，為此我們團(tuán)隊(duì)著眼與森林火災(zāi)檢測(cè)與識(shí)別，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的檢測(cè)森林火災(zāi)，減少消防員與滅火隊(duì)員的人身安全傷害，提高對(duì)森林的保護(hù)級(jí)別，面向未來(lái)開展的研究項(xiàng)目。火災(zāi)的探測(cè)實(shí)質(zhì)就是利用傳感器件感受火焰物理特征的變化，并將其轉(zhuǎn)化為易處理的物理量。

四、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)主要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)有三部分組成，分別是控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)。

無(wú)人機(jī)支持自動(dòng)巡視和手動(dòng)控制。通過預(yù)先規(guī)劃監(jiān)控區(qū)域，無(wú)人機(jī)自動(dòng)規(guī)劃路徑，在整個(gè)區(qū)域上方進(jìn)行巡視，巡視過程中，識(shí)別系統(tǒng)通過攝像頭獲取圖像并對(duì)圖像進(jìn)行火焰特征識(shí)別，如果識(shí)別到火焰特征，識(shí)別系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)送前往火焰特征所在區(qū)域的指令和火焰區(qū)域大小的數(shù)據(jù)，在前往火焰特征所在區(qū)域的過程中，如果識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別到明顯的火焰特征和較大的火焰區(qū)域，立即向控制系統(tǒng)發(fā)送火災(zāi)警告的指令和火焰區(qū)域大小的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)接收到指令和數(shù)據(jù)后通過通信系統(tǒng)回傳火情信息。

（一）控制系統(tǒng)

處于自動(dòng)巡視模式時(shí)，當(dāng)識(shí)別到火焰特征，首先前往火焰區(qū)域以獲得足夠的火焰特征樣本信息，然后對(duì)火焰特征區(qū)域進(jìn)行環(huán)繞飛行，從不同的角度采集火焰特征信息，以提高識(shí)別的準(zhǔn)確性?？紤]到森林所在區(qū)域特殊的空間結(jié)構(gòu)，攝像頭通過云臺(tái)控制。當(dāng)需要進(jìn)入森林時(shí)，通過無(wú)人機(jī)的旋轉(zhuǎn)和云臺(tái)攝像頭的俯仰獲取無(wú)人機(jī)所在位置的空間信息，以確保無(wú)人機(jī)的安全和飛行路徑的可行性，同時(shí)在飛行的過程中對(duì)飛行路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃并記憶飛行路徑，避免因?yàn)樯痔厥獾目臻g結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致無(wú)人機(jī)無(wú)法返航。

（二）通信系統(tǒng)

為了保證通信鏈路的完整性和數(shù)據(jù)回傳的有效性，無(wú)人機(jī)和控制平臺(tái)之間通過心跳包對(duì)通信鏈路進(jìn)行監(jiān)測(cè)，飛行過程中定時(shí)進(jìn)行位置信息和通信信號(hào)信息的采集和記錄，在進(jìn)入森林時(shí)也會(huì)進(jìn)行信息采集和記錄，以提高信號(hào)丟失后能夠自動(dòng)尋回信號(hào)的可能性，也提高了數(shù)據(jù)回傳的有效性，同時(shí)也支持了在特殊情況下通過預(yù)先規(guī)劃路徑而進(jìn)行的中斷通信鏈路時(shí)的數(shù)據(jù)采集并在通信鏈路恢復(fù)后的自動(dòng)數(shù)據(jù)回傳。

（三）識(shí)別系統(tǒng)

為保證火焰識(shí)別的可靠性，采用RGB 與 HIS 顏色空間模型相結(jié)合的火焰尺寸檢測(cè)方法。采集到的視頻幀為RGB顏色空間模型，之后轉(zhuǎn)換為HIS 顏色空間模型。根據(jù)火焰的 RGB 與 HIS 主要顏色特征對(duì)視頻幀進(jìn)行閾值濾波，濾波后視頻幀保留的像素點(diǎn)為火焰像素點(diǎn)，進(jìn)而檢測(cè)出火焰區(qū)域的大小，以及火焰區(qū)域所在方位。

參考文獻(xiàn)：

[1]改進(jìn)YOLOV3的火災(zāi)檢測(cè)方法[J]. 羅小權(quán)，潘善亮. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用. 2020（17）

[2]基于GIS的森林安全防火系統(tǒng)的研究[J]. 魏娜，肖冰，才麗華，佘光宇，曲航峰，何山. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備. 2019（12）

[3]可視化信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)平臺(tái)在森林防火工作中的應(yīng)用[J]. 閆楊. 林業(yè)科技情報(bào). 2019（03）

[4]探究數(shù)字化監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)在森林防火中的作用[J]. 王紅霞. 農(nóng)民致富之友. 2019（04）

[5]基于顯著性檢測(cè)的紅外森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 王亞，張寶峰. 消防科學(xué)與技術(shù). 2018（12）

[6]森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的WSN改進(jìn)路由算法[J]. 趙子豪，王紅蕾. 消防科學(xué)與技術(shù). 2018（09）

[7]一種智能火災(zāi)探測(cè)器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討[J]. 田樹仁，張鐵壁. 消防科學(xué)與技術(shù). 2017（10）

[8]森林火災(zāi)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外專利信息分析[J]. 曲夢(mèng)茜，王武魁. 消防科學(xué)與技術(shù). 2017（03）

[9]基于機(jī)器視覺的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 熊曉松，劉鈺如，董逸君，王劍. 消防科學(xué)與技術(shù). 2017（02）

[10]森林防火無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與林火識(shí)別算法研究[J]. 張慶杰，鄭二功，徐亮，徐偉. 電子測(cè)量技術(shù). 2017（01）