旋翼無人機林火點定位技術(shù)研究

何 誠，張思玉，姚樹人

(1.南京森林警察學院林火研究中心，江蘇 南京 210023；2.國家林業(yè)局森林防火工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210023；3.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100091)

旋翼無人機林火點定位技術(shù)研究

何 誠1，2，3，張思玉1，2，姚樹人1

(1.南京森林警察學院林火研究中心，江蘇 南京 210023；2.國家林業(yè)局森林防火工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210023；3.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100091)

無人機攜帶攝像系統(tǒng)在森林防火中應(yīng)用廣泛，林火點的精準定位是該項技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。本文提出一種基于GPS和微波測距的森林著火點定位方法，通過在南京森林警察學院院內(nèi)兩塊試驗場地(林地、無林土丘)進行火燒除工作點火試驗，以無人機和飛控系統(tǒng)為主要手段獲取旋翼無人機現(xiàn)實飛行參數(shù)、無人機航空攝影林火數(shù)據(jù)，以地面精準監(jiān)測林火實證數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合三維地形數(shù)據(jù)信息，對基于GPS和微波測距的森林著火點定位方法精度進行檢驗。數(shù)據(jù)表明，該方法是一項有效的無人機林火點定位技術(shù)，且林火定位技術(shù)的真誤差在10 m以內(nèi)，完全滿足林火監(jiān)測精度要求。該技術(shù)能夠迅速、準確判斷森林著火點位置，為森林防火提供決策性數(shù)據(jù)支持。

無人機；林火位置；定位技術(shù)；旋翼

一、引 言

目前采用的林火監(jiān)測手段主要有衛(wèi)星遙感、塔臺瞭望、地面巡視和飛機巡護等。利用衛(wèi)星監(jiān)測林火的優(yōu)勢是覆蓋面積大，1～2 h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(wǎng)配置，這大大增加了人員和設(shè)備成本，且近地面瞭望受地形影響大，存在視覺盲點。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(jiān)測林火的實時性和適應(yīng)性俱佳，優(yōu)點突出，但其保有和使用成本高，難以大規(guī)模、常態(tài)化運行，目前，多數(shù)林區(qū)只在重點防火時期租用飛機開展相關(guān)護林作業(yè)[1-2]。無人機是一種新型的航空平臺，近年來隨著其技術(shù)的成熟已在氣象探空、災(zāi)情監(jiān)測、環(huán)境遙感等眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用[3-6]。特別是質(zhì)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(jù)現(xiàn)場情況實時調(diào)整作業(yè)方案及載荷設(shè)備，非常適合用于森林火災(zāi)的監(jiān)測作業(yè)。

但目前針對無人機林火點定位技術(shù)的研究卻很少，無人機上攜帶攝像系統(tǒng)在森林防火中巡護時，如發(fā)現(xiàn)火災(zāi)卻不能及時準確定位出火點位置，將會大大減少無人機在森林防火中的作用[7]。通過文獻發(fā)現(xiàn)[8]，很多無人機運用到測繪方面，通過對獲取的影像進行拼接處理，從而獲取了地物坐標。該方法如應(yīng)用到森林防火上，將失去時效性，從而耽誤林火撲救指揮。本文提出一種能夠迅速、準確判斷森林著火點位置的基于GPS和微波測距的森林著火點定位方法，為林火管理提供科學依據(jù)，從而可以降低由于林火監(jiān)測的盲目性造成的損失。

二、無人機系統(tǒng)組成

試驗無人機為無人駕駛電動六旋翼直升機，飛機自身重10 kg，最大載荷5 kg，6個旋翼組成了六邊形，長寬高為1110 mm×1060 mm×650 mm，飛行速度為0～20 m/s，飛行時間為20～30 min。該無人機上裝有GPS接收器和云臺，在云臺上設(shè)置有攝像機和微波測距儀；與地面控制中心進行無線通信的控制器，分別與驅(qū)動云臺動作的驅(qū)動器、控制無人機動作的駕駛中心、攝像機、微波測距儀、GPS接收器電連接，如圖1所示。該旋翼無人機操控系統(tǒng)使用的是Futaba 2.4 GHz10通道遙控器，配備 R6014HS接收機。

試驗中的無人機使用的定位系統(tǒng)是雙頻Trimble 5700型RTK GPS接收機，該接收機水平定位精度為2 cm＋1 um，垂直定位精度3 cm＋2 um。在受地面遙控的無人機上設(shè)置控制器和云臺，該云臺既能繞大地坐標系中的縱軸左右旋轉(zhuǎn)，又能在平面內(nèi)上下旋轉(zhuǎn)；在云臺上固定有攝像機、微波測距儀；GPS接收器與攝像機相連，并位于攝像機的光軸上。控制器用于與地面的控制中心進行無線通信，控制器分別與驅(qū)動云臺動作的驅(qū)動器、控制無人機動作的駕駛中心、攝像機、微波測距儀、GPS接收器電連接[9-10]，配置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 搭載GPS的六旋翼無人電動直升機

圖2 無人機配置示意圖

三、材料與方法

1.試驗場地概況

試驗場地共分為兩部分，一部分選擇楊樹林面積為126.9 m2的區(qū)域，該楊樹林為人工林，林分平均高為10 m，郁閉度0.7，在該區(qū)域上均勻鋪設(shè)厚度為5 cm左右的枯枝落葉等可燃物，周邊清理出2 m左右的隔離帶，防止跑火，為了增加燃燒效果，在可燃物上撒上適量汽油。為了清晰了解林火行為，在點燒區(qū)域的楊樹進行標注，使用紅漆標注出每棵樹的序號，并在每棵樹的1 m、2 m、3 m方位使用紅漆標出，方便判別林火高度，試驗場地如圖3所示。另一塊試驗場地為高差7 m的土丘，面積在350.5 m2，在陡急及平緩區(qū)域都鋪上枯枝落葉，進行點燒，為了對林火點進行定量分析，在樣地上均勻布設(shè)花桿，并對花桿進行依次編號，如圖4所示。

圖3 試驗場地1(楊樹林)

圖4 試驗場地2(空曠土丘)

2.無人機火點定位原理

無人機在森林上方飛行時，攝像機自動對森林攝像，并通過控制器把拍攝的影像實時由無線裝置傳輸?shù)娇刂浦行?。當控制中心看到森林著火的圖像，控制中心向控制器發(fā)送指令，云臺停止動作，同時通過駕駛中心讓無人機懸停。此時，著火點位于攝像機的光軸上(如圖5所示)，通過GPS接收器接收到設(shè)定坐標系中的坐標S(XS，YS，ZS)。

圖5 無人機林火點定位原理圖

由于GPS接收器、攝像機、微波測距儀之間距離很小，可以認為GPS接收器、攝像機、微波測距儀均位于S點。通過微波測距儀測量出微波測距儀至著火點的距離L，其中微波測距原理為

式中，v為無線電傳播速度；t為傳播時間。

通過控制器得到攝像機光軸SE與SXWYWZW坐標系中的XWYW水平面的夾角B，以及攝像機光軸在水平方向上的投影SF與YW軸的夾角A。把距離L、夾角B、夾角A、XS值、YS值、ZS值通過控制器發(fā)送至控制中心，在控制中心計算出著火點的坐標E(XE，YE，ZE)并顯示

四、結(jié)果與分析

將無人機定位系統(tǒng)坐標系與地面量測系統(tǒng)坐標系統(tǒng)一，對兩塊試驗場地的特征樹木及花桿三維坐標進行量測，通過地面測量系統(tǒng)整理出無人機獲取的地物坐標(樹木、特征點、林火點)的三維坐標，通過人為分析比對，歸納出地面精準獲取地物點配套的無人機獲取的與其相近特征點三維坐標，具體見表1和表2。

地面測量系統(tǒng)使用的南方NTS-3401型免棱鏡全站儀進行樣地測量，儀器的精度為3 mm＋2×10－6D[11]。試驗中，選取地面測量系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)作為真值，用來檢驗無人機測量數(shù)據(jù)精度，無人機兩個試驗場地獲取特征點三維坐標的真誤差分別如圖6和圖7所示。

表1 試驗場地1(楊樹林)針對無人機測量坐標的檢驗結(jié)果

表2 試驗場地2(土丘)針對無人機測量坐標的檢驗結(jié)果

圖6 試驗場地1(楊樹林)無人機測量的三維坐標真誤差圖

圖7 試驗場地2(土丘)無人機測量的三維坐標真誤差圖

通過圖6可以得出，六旋翼無人機針對樹冠下的火點三維坐標定位的真誤差區(qū)間為(－8，10)，其中高程坐標的離散區(qū)間大于平面坐標離散區(qū)間，平面坐標的精度3 m左右，而高程坐標的精度為5 m左右；通過圖7可以發(fā)現(xiàn)，六旋翼無人機針對無樹冠遮擋的火點坐標測量的精度要高于樹冠遮擋的林火坐標精度，無人機獲取火點坐標的真誤差區(qū)間為(－3，2)，平面坐標的精度在1 m左右，高程坐標的精度在1.5 m左右。分析無人機光禿土丘獲取特征點坐標的精度高于樹林樣地內(nèi)獲取特征點坐標的原因，是因為無人機使用的測距為微波測距，由于樹冠的遮擋對無人機與特征點之間距離的量取產(chǎn)生了影響，從而導致特征點的三維坐標的精度降低。

五、結(jié)論與討論

本文提出了一種基于旋翼無人機定位林火點坐標的方法，該方法解決了旋翼無人機飛行過程中實時精準定位林火點坐標的難題，為森林火災(zāi)預防及火災(zāi)撲救指揮提供了決策性技術(shù)支持。

1)本文研究的基于GPS和微波測距的森林著火點定位方法，總體定位精度在10 m以內(nèi)，無樹冠遮擋的林火點探測精度要高于樹冠遮擋下的火點坐標探測精度，平面坐標精度高于高程坐標精度。整體相對精準測量的精度來說是低精度，但完全滿足林火監(jiān)測的精度要求，森林防火中的火點定位精度屬于林業(yè)測量粗放型的測量要求，50 m左右的偏差就足以提供林火監(jiān)測信息。

2)飛行員駕駛的飛機在森林防火巡航時，對森林火點定位時，依靠飛行人員目測判別后根據(jù)地形圖定位出火點方位，因部分大片森林，人員無法準確尋找出參照物，導致人員目估林火點定位精度穩(wěn)定性低，從而導致耽誤森林撲救指揮的決策和時機?；贕PS和微波測距的森林著火點定位方法是一種能夠迅速、準確、自動判斷森林著火點位置，有效解決了上述有人機林火監(jiān)測中的難題。

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2014-07-31

國家林業(yè)局948項目(2013-4-65)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(LGZD201401)；中國博士后科學基金(2014M561092)

何 誠(1985—)，男，安徽馬鞍山人，博士后，講師，主要從事測繪與3S技術(shù)、森林防火研究工作。

張思玉