無人機(jī)圖像采集技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用研究

邢志斌 王培毅 伍剛

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?qǐng)?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。可以通過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。

火焰的顏色是由焰心向焰外、由黃色到紅色漸變的，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。火災(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)。

基于森防巡查過程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。

總體來看，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、新技術(shù)提高無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間、承載能力;再比如，在數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)陌踩院涂煽啃苑矫?，尤其是海量?shù)據(jù)的傳輸，在森林圖像處理分析識(shí)別技術(shù)的深度和效率方面，以及在新材料、新軟件的研發(fā)應(yīng)用等方面都將朝著智能化、便捷化等方向發(fā)展，從而提高森林圖像采集和處理效率等。

四、結(jié)語

未來，會(huì)有更加先進(jìn)的技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用到森林防火工作中，但無人機(jī)圖像采集技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用前景仍不可小覷，仍需加強(qiáng)這方面的研究，使森林防火工作變得更加便捷、高效、智能，為國家森林資源保護(hù)作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓美林.基于數(shù)字圖像的火焰識(shí)別算法研究與仿真[J].科技經(jīng)濟(jì)市場，2018（09）：11-12.

[2]賈艷成.基于紅外圖像的森林火災(zāi)識(shí)別技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2015.

[3]鄭昕然.基于圖像處理技術(shù)的火災(zāi)識(shí)別方法的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（01）：66.

[4]李玲，張旭，賈磊磊.火焰圖像分割算法研究[J].科技視界，2015（33）：105-106.

[5]李玲.基于視頻圖像的火災(zāi)識(shí)別研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2012.