微型無人機林火監測系統的設計與實現

馬瑞升，楊 斌，張利輝，劉志平

（1.廣西氣象減災研究所，廣西 南寧 530022；2.國家衛星氣象中心 遙感應用試驗基地，廣西 南寧 530022；3.淮陰師范學院，江蘇 淮安 223300；4.中國空氣動力研究與發展中心，四川 綿陽 621000）

森林是自然界中最為重要的生態系統之一。根據第7次全國森林資源調查結果，截至2008年，中國的森林覆蓋率為20.36%，林業資源十分有限，保護好現有的森林對于實現可持續發展的戰略目標具有重要意義[1]。森林火災是威脅森林安全的最大因素之一。1950－2005年，中國平均發生的森林火災超過1.3萬次·a－1，林區過火面積占到森林總面積的5%[2]，造成的經濟和生態效益損失巨大。中國目前采用的林火監測手段主要有衛星遙感、塔臺瞭望、地面巡視和飛機巡護等[2－5]。利用衛星監測林火的優勢是覆蓋面積大，1～2 d就可以獲取一次覆蓋全國的資料，但受自身軌道周期和天氣影響，資料的實時性和分辨率欠佳。防火塔瞭望的實時性最好，但單塔的覆蓋范圍有限，需要組網配置，這大大增加了人員和設備成本，且近地面瞭望受地形影響大，存在視覺盲點。趙相瑜等[6]研制了基于視頻圖像和因特網（Internet）網絡的嵌入式林火監測系統，可以實現監控點周圍3 km的森林監控。類似系統用于塔臺瞭望，可以減少人員配置，但密集組網的成本和長期維護的費用不可忽視。人工地面巡視工作量巨大，人員處于森林底層，視線遮擋嚴重，觀察范圍有限，效率低下。相對而言，飛機空中巡護監測林火的實時性和適應性俱佳，優點突出，但其保有和使用成本高，難以大規模、常態化運行，目前，多數林區只在重點防火時期租用飛機開展相關護林作業。無人機是一種新型的航空平臺，近年來隨著其技術的成熟已在氣象探空、災情監測、環境遙感等眾多領域中得到應用[7－10]。特別是質量輕、體積小的微型無人機具有購置成本低、運行費用少、操作簡便、機動靈活等特點，能夠根據現場情況實時調整作業方案及載荷設備，非常適合用于森林火災的監測作業。在中國氣象局支持下，以原有工作為基礎，設計研制了基于視頻影像和煙霧自動識別技術的微型林火監測任務載荷設備，并與氣象無人機共同構成微型無人機林火監測系統。在火情探測試驗的基礎上，進一步探討了無人機林火監測系統可能的作業流程和應用方式。

1 無人機林火監測系統的設計

1.1 系統功能設計

森林火災是一種無組織的燃燒過程，主要特點就是不完全燃燒，其外在表現為火災發生時會有大量的煙氣產生，特別是在初期火勢較小時，這一現象尤為突出[11]。大量的實際經驗也表明，在林火發生時煙與火往往是伴生的。特別是處于 “暗燃”狀態的林火，煙的指示作用更加明顯。且相對于明火而言，燃燒產生的煙霧在色彩和空間尺度上都具有更明顯的特征，對傳感器的要求更低，也更容易被自動識別。因此，系統設計時將林火監測設備的探測目標定為煙霧，通過對煙霧的檢測來判斷林火的發生。

從視覺探測的角度來看，對于一個目標的探測通常分為3個層次：①發現目標；②判識目標種類；③判明目標特征。這3個層次對應到林火煙霧探測上分別是：①發現林區可疑煙霧目標；②判明可疑煙霧是否為林火產生；③通過煙霧及其他信息判明林火的類型及發展態勢等信息。

獲取林火的種類及發展態勢等信息涉及的因素眾多，需要專業人員實踐經驗和大量其他信息的輔助，而減少和降低森林火災損失的首要條件是能夠做到“早發現”，因此，無人機林火監測系統的探測層次定位在了第2層次。即系統的功能設計目標是：能夠自動檢測林區可疑煙霧目標，并在人工輔助下確定是否有林火發生，同時通過人機交互給出火點位置、范圍等相關參考信息。

1.2 技術路線與系統結構設計

為實現上述功能目標，擬采用常規攝像頭為探測器，將獲得的視頻通過無線數據鏈路實時發回地面站，利用圖像識別技術在傳回的影像中自動檢測煙火，并完成存檔及報警工作。同時為提供林火的位置、范圍和其他相關信息，系統配置了全球定位系統（GPS）、三軸姿態傳感器和同軸數碼相機。

無人機林火監測系統由無人機子系統和林火監測子系統兩部分組成，其系統總體結構框架見圖1。在設計上，為提高林火監測設備的通用性和可移植性，避免它們與無人機之間的相互干擾，在軟硬件上2個子系統之間是完全隔離的。

1.3 煙霧檢測技術方法

圖1 無人機林火監測系統框圖Figure1 Framework of UAV forest-fire monitoring system

以數碼相機獲取的高分辨率影像（圖2a）為試驗數據，將其中的煙霧區作為目標類別（圖2b），以每個煙霧區像素的紅綠藍（RGB）值為分類依據，使用統計產品與服務解決方案（statisticalproduct and service solutions，SPSS）軟件對其進行聚類分析，即可得到影像分類判別式：D=－0.124R＋0.203G－0.05B－3.338。當像素運算后的D值大于0時為煙區，小于0時為非煙區。該判別式用于樣本數據時，得到的統計結果見表1，其中類別1為煙區，類別2為非煙區，煙區像素的識別率為91.3%（圖2c），誤判為煙區的像素在判識所得煙區中占4.05%。考慮到煙的反射特性，在紅綠藍3個波段中波長最短的藍波（B）段反射最強，在煙區像素中藍波（B）值應是最大的（表2）。經過對樣本數據的統計分析，94.0%的煙區像素滿足判別式2×B－（R＋G）＞0，初次判識后的煙區經過再次判識優化后去除了絕大多數的非煙區誤判（圖2d）。由于煙霧具有連續性，故使用低通脈沖響應陣列對圖像進行消噪處理，可以去除零散的誤判點。消噪陣列的大小依據實際獲取的影像可靈活調整，本例使用11×11陣列進行消噪處理 （圖2e）。處理后的識別圖，在保留煙區形狀和特征的基礎上，最大限度地降低了誤判的可能性（圖2f）。

將獲得的煙霧識別模型和消噪參數用于其他同期林火影像得到的分析結果見表2。試驗表明：此識別模型在同期影像中的煙霧識別率在77.0%以上，對于森林火災中的主要煙區均可檢出，無漏報情況的發生[12]。由于建立模型的樣本和驗證影像均在同一林火試驗中取得，時間為9月下旬，地點為黑龍江省五大連池市引龍河林場，當地林區為稀疏白樺Betula platyphlla林，樹種單一，故此識別模型可能對于北方秋季同類型森林的監測較為有效。對于其他季節、其他類型森林的煙霧識別模型可以參照本研究的方法，利用當地影像自行建模。

系統檢測到煙霧后，由地面人員根據煙柱形狀、濃度分布及其與地面角度等信息確認是否有林火發生，并判斷火點在圖像中的位置和范圍。由于林火發生時煙霧的形狀及擴散情況受到火點分布和天氣條件的影響，變化復雜，規律性不強，目前難以做到程序自動判識，因此，需要地面監測人員依據實踐經驗判定火點相關信息。

圖2 樣本及識別過程Figure2 Modeling sample and recognition process

表1 樣本圖煙霧識別結果Table1 Recognition results of smoke sample

表2 林火影像煙霧識別結果Table2 Recognition results of forest-fire images

2 無人機林火監測系統的實現

2.1 無人機系統

系統的無人機平臺由中國空氣動力研究與發展中心提供，機體由通用靶機改造而成，使用汽油發動機作為動力，可手拋、彈射起飛，傘降或滑降回收，非常適合在林區小場地使用。該機型機身全長為1.5 m，翼展2.1 m，起飛質量7～8 kg，有效載荷1～2 kg，續航時間3 h，海拔升限5000 m，飛行速度為 80 km·h-1。

2.2 林火監測設備

無人機林火監測設備由空中和地面兩部分組成，其詳細結構參見圖3。攝像頭和數碼相機作為機載設備的火情探測傳感器使用，數碼相機通過支架直接與無人機機體進行固連，兩者在飛行中姿態一致。攝像頭則通過兩軸穩定云臺與探測設備盒連接，在姿態傳感器的支持下，機載計算機可以控制穩定云臺使攝像頭主光軸始終保持與地面的“垂直”。

在作業飛行中，地面站同時接收機載攝像頭的視頻影像和無人機的航向、經緯度、航高、俯仰角和側滾角等參數信息，通過煙霧檢測模塊處理后就可以實時確定林區煙火的發生位置和范圍，并在監視界面中高亮顯示以提醒地面人員確認火情，及時做出反應。檢測到有煙霧的影像會被自動以圖片的形式記錄下來，與影像同步的姿態、位置等數據也一并記錄。飛行結束后，通過時間同步可以將這些資料用于數碼相機影像的處理，從而獲得更高質量的影像資料，以便進一步開展林區明火識別、態勢評估、損失估算和改進檢測模型等方面的工作。

限于篇幅，試制中選用設備的具體型號和參數不詳細列出，僅給出完成后的林火監測任務載荷設備的主要技術指標如下：①實時視頻影像分辨率380線，鏡頭視角70（°）；②經采集卡獲得的靜態視頻影像分辨率720×576；③數碼影像行列數4368×2912，鏡頭視角84（°）；④無線數據與視頻鏈路通訊距離15 km；⑤全球定位系統（GPS）定位精度10 m，姿態傳感器動態精度2（°）；⑥設備機載部分（不含數碼相機）質量小于1.2 kg，體積小于200 mm×120 mm×80 mm。

圖3 無人機林火監測設備系統框圖Figure3 Framework of UAV forest-fire monitoring device

2.3 地面站軟件開發

無人機林火監測系統的軟件包括無人機飛行測控和林火監測兩部分，其中無人機測控軟件由系統平臺生產單位提供，不再詳述。無人機林火監測系統地面站的運行界面參見圖4。林火監測軟件系統的開發以面向矩陣的第4代交互式數據語言（interactive data language，IDL）為工具，在Windows平臺下完成。系統的功能構成主要包括：對目標影像進行自動煙霧檢測的識別模型；對無人機飛行信息和影像數據進行保存記錄的后臺數據管理模塊；對連續視頻、火情影像和飛行參數等進行管理顯示的圖形顯示模塊等。此外，軟件系統還包括了可視化的人機交互界面、背景地圖管理和火場范圍估算等基礎構件。

圖4 無人機林火監測系統地面站界面Figure4 Interface of UAV forest-fire monitoring system

2.4 火情探測試驗

由于森林火災具有突發性，且大多數林火的持續時間較短，因此，尚未在林區開展針對真實火災的探測試驗。為檢驗無人機林火監測系統的實際探測能力和作業表現，在四川省綿陽市近郊以人工火為目標進行了火情探測試驗。

試驗火點以作物秸稈和灌木枯枝為燃料，燃燒面積約1 m2，無人機飛行高度設定為650 m，升空后使用回形針航線對目標區進行掃描探測。試驗中系統成功探測到了火點產生的煙霧，并做出報警提示，證明其已具備基本的林火探測能力（圖4）。以圖4顯示的瞬間為例，系統在做出林火報警的同時，還給出了視場中心坐標為31.412408°N，104.78555°E，視場覆蓋面積為929 m×654 m，地面人員可以據此結合煙柱的形狀對火點位置和火勢大小做出評估；同時綜合考慮飛機的當前航向126度（飛機航向以正北為0度順時針增加）和煙霧在影像中的擴散方向，可以得出火場的地面風向為東南。

2.5 作業流程

鑒于無人機飛行作業的復雜性，為提高效率、保證安全、規范操作，根據以往的飛行經驗，并結合林火監測的特點，提出了應急狀態下無人機林火監測系統的作業流程（圖5）。

無人機林火監測系統設計的初衷是：以無人機為平臺，結合視頻設備，以較低的成本，實現部分航空護林的功能，尤其是在林火的早期探測和發展態勢監測方面，為森林保護工作提供一種全新的、可長期業務化運行的技術裝備。因此，在進入業務化運行之后，每個無人機監測站的作業流程將有所變化。首先，根據實地情況和業務需求擬定飛行周期、飛行航線和每次作業的飛行時間；之后由上級部門統一向航管部門完成整個巡護季節的空域使用申請；空域獲得批準后，每個監測站只需在起飛前向航管部門確認后即可開始升空作業。在巡護飛行中，如發現林區異常情況或可疑目標，則控制無人機在目標區域上空進行監視飛行以進一步確認，防止火警誤報。在確認有林火發生的情況下，立即向上級單位上報火警并提供參考定位信息。之后可根據情況滯留火場上空，進行發展態勢監測，也可繼續執行林區巡護飛行。

圖5 無人機林火監測系統作業流程Figure5 Operation process of UAV forest-fire monitoring system

3 應用分析及存在問題

3.1 經濟性分析

由于無人機系統的安全性不及常規有人機，且無人機在起降過程中存在損毀的可能，因此，系統的經濟性分析以可能發生損毀的空中部分為重點。目前，一套起飛質量在10 kg左右的微型無人機系統的批量采購費用為5.0～10.0萬元人民幣，機體和飛行控制系統等組成的空中部分約為3.0萬元。林火監測設備的購置成本約3.0萬元，此價格不含數碼相機及地面計算機，以采用3000.00元的數碼相機為例，林火監測設備的機載部分約需3.0萬元。以上合計，無人機林火監測系統的空中部分成本需6.0萬元。以無人機可用起降次數為20次，飛行3 h·次－1計，作業成本為1000.00元·h－1。以飛行航高1000 m，鏡頭視角70（°），航速80 km·h－1計，無人機系統可覆蓋的面積約為112 km2·h－1，單位面積成本8.90元。

有人機以目前較為常用的運12飛機為例，租用期間每日的臺班費用約6000.00～7000.00元，停機、人員等費用另計，執行飛行作業的每小時機時費用約1.2萬元。在其他條件相同的情況下，以航速300 km·h－1計，可覆蓋的面積約為 420 km2·h－1，單位面積成本 28.60 元。

從上述對比中可見，就直接使用成本而言，無人機系統在兩方面都具有較大優勢。考慮到有人飛機的觀察視角遠大于70度，在回形針航線中兩側的觀察范圍更大，其單位面積成本會有所降低。但無人機系統的風險主要來自起降階段，如能進一步延長系統的續航時間，提高巡航速度，則其單位時間和單位面積的使用成本都將大幅降低，且無人機在購置及保有成本方面的優勢是普通飛機無法比擬的。

3.2 林火監測應用方式

中國空域并未開放，當前低空空域管理改革試點也剛剛開始，無人機飛行作業由于管理上的制約還無法大規模開展。而且無人機的民用化時間較短，受到平臺本身安全性和性能的制約，無人機開展業務化的林火實時監測還不現實。就本研究所述的系統而言，選擇一個林場進行試運行，與其他林火監測技術結合，作為應急手段，對林區可疑目標開展快速探測，在確認災情發生后為林火撲救決策提供信息支持，是目前系統最可能發揮作用的方式。在此基礎上，進一步改進性能，探索業務化運行的經驗，以便為系統的推廣應用做好準備。

3.3 其他應用可能

無人機林火監測系統在本質上是由無人機搭載攝像頭構成的空中對地實時觀測系統，因此，除了用于林火的探測，還可廣泛用于森林管理的其他方面。如監測森林中的可燃物堆積情況，搭載溫濕度傳感器獲取林區的氣象資料，監測林區的可疑火源等。這些信息的加入將有效提高森林火險預測預報[13－14]服務的準確性。同時系統還可以用于林區的病蟲害防治，林木生長狀況監測，林木蓄積量估算，防止亂砍濫伐和林區生物資源調查等眾多領域。

3.4 存在問題

就硬件設備而言，受經費的制約，系統的性能還有很大的提升空間。采用更高分辨率的攝像頭和更好的無線數據鏈路將極大地提升系統的作業半徑和影像的清晰度。目前，完成的小型兩軸穩定云臺，在飛行中地面不能對其進行實時控制，應用的靈活性也受到限制。

就軟件系統而言，由于全部采用交互式數據語言開發，雖然圖像處理效率較高，但該語言對于底層硬件和通信接口的管理能力不強，獲取的視頻幀率偏低，導致實時視頻的連貫性較差。由于時間、經驗的限制，計算機軟件穩像技術（防抖）和基于清晰度的圖像篩選技術沒有加入到軟件功能中，目前獲取的視頻截圖清晰度和視覺效果有待提高。進一步開展圖像信息的挖掘工作，如根據影像中煙柱的形狀、方向和密度分布，準確推算火場的風速風向，確定火點位置等信息都是下一步可以探索的工作。

受無人機作業能力和林火突發性強、持續時間短等特點的制約，完整系統還沒有在實際的林火監測中得到應用，系統在真實環境中的可靠性和表現有待檢驗。

無人機使用汽油發動機作為動力，在林區上空作業中如發生意外墜機等事故，其本身將有可能導致火情的發生。通過使用無刷電機和電池作為動力組合的無人機平臺可以在一定程度上降低這種風險，但會導致系統的飛行時間大大減少，作業效率降低。如何提高無人機的安全可靠性和在意外情況下怎樣避免飛機起火將成為決定無人機能否大規模用于林區作業的關鍵因素。

4 結束語

利用實時視頻傳輸和計算機技術研制的無人機林火監測設備體積小、質量輕，設計功能獨立完整，適應性好，可以搭載在目前幾乎所有的中小型無人機上使用。利用基于顏色特征的煙霧自動識別技術，監測地面站在飛行中即可對視頻數據進行處理，從而實現了對林區煙火的實時探測。

經試驗證明：由無人機和監測設備構成的微型空中林火監測系統可實現航空護林的部分功能，具有良好的煙火探測能力，能夠及時發現林區異常并做出報警提示，且運行成本低，操作簡便，是一種全新的航空護林技術裝備。微型無人機林火監測系統的進一步完善和推廣應用，將有助于提高中國森林火情的監測、預警能力和森林安全管理工作的自動化、信息化水平。

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