研究無(wú)人機(jī)在林火監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

尹琳芳

（云南省玉溪市林業(yè)和草原局 云南玉溪 653100）

長(zhǎng)期以來(lái)，中國(guó)氣象局對(duì)森林火險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和等級(jí)評(píng)估是其對(duì)外服務(wù)的關(guān)鍵內(nèi)容，目前服務(wù)工作依賴于衛(wèi)星遙感技術(shù)。由于森林是開(kāi)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(qiáng)，又在偏遠(yuǎn)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(guó)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(shì)陡險(xiǎn)、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(hù)工作帶來(lái)巨大的困難。而無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以為林業(yè)工作提供防火預(yù)警。運(yùn)用飛機(jī)巡護(hù)的模式對(duì)林區(qū)火情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)與實(shí)時(shí)視頻傳輸融合起來(lái)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林防火監(jiān)測(cè)任務(wù)設(shè)備的研制，通過(guò)飛機(jī)上搭載的滅火設(shè)備，實(shí)現(xiàn)及時(shí)滅火，無(wú)人機(jī)檢測(cè)面積廣，計(jì)算機(jī)反應(yīng)速度快，這些都為林火的預(yù)警預(yù)報(bào)以及及時(shí)的遏制火勢(shì)起到有效幫助。

1 無(wú)人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在燃燒過(guò)程中煙與火往往是相伴而生的，在林火初期火勢(shì)較小處于“暗燃”狀態(tài)時(shí)，此時(shí)煙霧在色彩與空間范圍上都與“明火”時(shí)期大相徑庭，“明火”因其勢(shì)頭等原因很容易被傳感器檢測(cè)到，但是“暗火”相對(duì)難以檢測(cè)，但“暗火”發(fā)生時(shí)產(chǎn)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(shí)別是最理想的途徑。基于此，在設(shè)定可疑探測(cè)目標(biāo)時(shí)，利用機(jī)載設(shè)備對(duì)煙霧的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)森林的巡護(hù)，也就是說(shuō)將“煙霧”作為探測(cè)目標(biāo)。從視覺(jué)探測(cè)角度來(lái)說(shuō)，應(yīng)從三個(gè)層次對(duì)目標(biāo)進(jìn)行確定，其中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)、進(jìn)行目標(biāo)種類的判識(shí)、判明目標(biāo)特征，這三個(gè)方面是對(duì)一個(gè)目標(biāo)的三個(gè)層次的探測(cè)，這三個(gè)層次分別對(duì)應(yīng)三項(xiàng)林火探測(cè)目標(biāo)，即發(fā)現(xiàn)可疑煙霧、判斷是否因?yàn)榱只鸲a(chǎn)生的煙霧、對(duì)林火類型及發(fā)展事態(tài)進(jìn)行判斷。為了降低森林火災(zāi)損失，運(yùn)用林火監(jiān)測(cè)手段對(duì)森林進(jìn)行巡護(hù)，采用無(wú)人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)目標(biāo)探測(cè)層次定位在“煙霧的產(chǎn)生判明是否林火所致”這一層次上（第二層次），可以自動(dòng)檢測(cè)林區(qū)可疑煙霧目標(biāo)，而地面人員通過(guò)機(jī)載設(shè)備傳回的火情位置進(jìn)行實(shí)地確認(rèn)，輔助人工則能夠確定是否有林火發(fā)生，采用人機(jī)交互模式確定林火位置和范圍以及發(fā)展態(tài)勢(shì)等相關(guān)信息[1]。

對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)路線。林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為全新的高效、低成本作業(yè)工具，如何實(shí)現(xiàn)上述功能目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，擬采用計(jì)算機(jī)技術(shù)融合實(shí)時(shí)視頻傳輸，通過(guò)常規(guī)攝像頭捕捉視頻畫(huà)面，再利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)時(shí)將視頻畫(huà)面發(fā)回地面站，通過(guò)圖像識(shí)別檢測(cè)甄別煙火，提供關(guān)于林火起火位置、火勢(shì)范圍等有效信息，并及時(shí)報(bào)警并將所有數(shù)據(jù)收藏存檔。無(wú)人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)飛行平分構(gòu)成，利用GPS 技術(shù)、數(shù)字傳輸技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及三軸姿態(tài)傳感器。無(wú)人機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)與機(jī)載設(shè)備系統(tǒng)各自有獨(dú)立的空間，所以相互間互不干擾[2]，各自執(zhí)行任務(wù)相互間不影響。

對(duì)于煙霧檢測(cè)技術(shù)方法。根據(jù)像素（每個(gè)煙霧區(qū)）的RGB 值進(jìn)行分類，運(yùn)用SPSS 軟件對(duì)每個(gè)煙霧區(qū)進(jìn)行聚類分析，通過(guò)分析軟件（統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案），獲取具有顏色特征的煙霧識(shí)別模型，判定是否煙區(qū)以零作為界線，影像值的計(jì)算用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行，如果運(yùn)算結(jié)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(cè)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(duì)圖像中火點(diǎn)的位置及范圍進(jìn)行確認(rèn)。目前煙霧檢測(cè)技術(shù)很難做到計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)判識(shí)，主要是因?yàn)榱只鸢l(fā)生時(shí)煙霧變化復(fù)雜，必須借助人工日積月累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步確定。

2 無(wú)人機(jī)林火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

中國(guó)空氣動(dòng)力研究中心提供的無(wú)人機(jī)平臺(tái)將通用靶機(jī)改造為機(jī)體，搭載攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)作為森林火災(zāi)探測(cè)傳感器。運(yùn)用多光譜攝像機(jī)航拍，攝像機(jī)機(jī)頭與被監(jiān)測(cè)區(qū)域的垂直度是依靠姿態(tài)傳感器作支持、在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的下得以保持，穩(wěn)定云臺(tái)能夠控制數(shù)碼相機(jī)始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，保證攝像頭的穩(wěn)定性，從而進(jìn)行影像資料的采集，此時(shí)地面站則接收無(wú)人機(jī)作業(yè)飛行參數(shù)信息、機(jī)載視頻影像信息，在監(jiān)視界面以高亮顯示作為報(bào)警提示，提醒地面人員及時(shí)做出反應(yīng)[3]，主要是通過(guò)煙霧檢測(cè)模塊處理后實(shí)現(xiàn)林火確認(rèn)。檢測(cè)到有煙霧的影像數(shù)據(jù)和信息會(huì)自動(dòng)記錄儲(chǔ)存。飛行作業(yè)完畢，確保時(shí)間同步的前提下用數(shù)碼相機(jī)對(duì)這些影像資料進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)處理的影像資料質(zhì)量更高，對(duì)后續(xù)林區(qū)開(kāi)展改進(jìn)檢測(cè)模型、損失估算以及明火識(shí)別評(píng)估提供更加高清晰度的影像資料。

對(duì)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)站而言，無(wú)人機(jī)量產(chǎn)投入到森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)后其運(yùn)行方式和作業(yè)流程將會(huì)發(fā)生變化。各無(wú)人機(jī)監(jiān)控站應(yīng)根據(jù)使用需求和地面情況來(lái)制定有效的飛行周期，明確制定飛行時(shí)間和航線，并在整個(gè)巡邏季申請(qǐng)空域使用權(quán)。經(jīng)航空管理部門(mén)批準(zhǔn)后，無(wú)人機(jī)每次執(zhí)行林火監(jiān)測(cè)時(shí)只需要在起飛前經(jīng)航空部門(mén)確認(rèn)就可作業(yè)。無(wú)人機(jī)開(kāi)展林火監(jiān)測(cè)作業(yè)時(shí)一旦監(jiān)測(cè)到目標(biāo)，能自動(dòng)控制在火情區(qū)域內(nèi)上空繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，直至判斷識(shí)別通過(guò)，以避免誤報(bào)。

3 應(yīng)用及建議

對(duì)森林火情偵查、護(hù)林巡查、火場(chǎng)實(shí)時(shí)勘察是無(wú)人機(jī)林火監(jiān)測(cè)的主要工作內(nèi)容，在森林防火中應(yīng)用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)具有應(yīng)急迅速、耐力強(qiáng)、實(shí)時(shí)巡邏能力強(qiáng)、圖像傳輸實(shí)時(shí)、功能多樣、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，在人與車難以到達(dá)的區(qū)域無(wú)人機(jī)在上空將實(shí)地狀況及時(shí)反饋地面站，無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)更大林區(qū)的安全狀態(tài)，使林業(yè)部門(mén)能夠及時(shí)管理森林火源，護(hù)林巡查管理能力快速提升。無(wú)人機(jī)攜帶火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在空中巡查時(shí)按照預(yù)定的航線對(duì)監(jiān)控基站附近的林區(qū)以垂直120方位、水平360 方位實(shí)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(dòng)完成火情的識(shí)別、自動(dòng)定位火情位置，對(duì)可疑火點(diǎn)、重點(diǎn)防護(hù)的區(qū)域，通過(guò)遙控指令改變飛行航線實(shí)施重點(diǎn)詳查。無(wú)人機(jī)除了應(yīng)用于林火監(jiān)測(cè)以外，在森林管理的其他方面也可以廣泛運(yùn)用，例如，用溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)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(shí)還接收林區(qū)的實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)可燃物的收集情況。它可以監(jiān)測(cè)林木的生長(zhǎng)狀況和病蟲(chóng)害的防治，也可以用于森林蓄積量的估測(cè)和林區(qū)生物資源的采集。

無(wú)人機(jī)為實(shí)現(xiàn)林火探測(cè)隨機(jī)攜帶多種光譜的攝像系統(tǒng)，檢測(cè)區(qū)域有專門(mén)規(guī)劃好的航線，無(wú)人機(jī)的起飛和降落需要彈射架和相對(duì)開(kāi)闊的環(huán)境，對(duì)于無(wú)人機(jī)的操控，則需要專業(yè)人士操作，利用專門(mén)的圖像處理軟件對(duì)反饋的視頻圖像進(jìn)行處理。由于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)屬于新興技術(shù)，所以應(yīng)建立相應(yīng)的專業(yè)隊(duì)伍作保障，相應(yīng)的搭建操作培訓(xùn)場(chǎng)地，采取定期或不定期的形式開(kāi)展人員培訓(xùn)活動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前低空空域管理改革試點(diǎn)剛起步，受管理、平臺(tái)穩(wěn)定性等外在因素的制約，無(wú)人機(jī)檢測(cè)林火工作還未能大面積展開(kāi)，而且到完全普及還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間，實(shí)施業(yè)務(wù)化的林火實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)還不現(xiàn)實(shí)。可以選樣林場(chǎng)進(jìn)行試運(yùn)行，就本研究的系統(tǒng)融合其他林火監(jiān)測(cè)技術(shù)，快速探測(cè)林區(qū)是否存在安全隱患。同時(shí)對(duì)林火數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以為林火的預(yù)防提供前瞻性的數(shù)據(jù)支持，在確認(rèn)災(zāi)情發(fā)生、判斷識(shí)別災(zāi)情類型上發(fā)揮其作用。