森林火災(zāi)應(yīng)急通信保障方案研究與設(shè)計

滕波 嚴(yán)恩澤 滕志奇

摘 要：森林火災(zāi)與城市火災(zāi)不同，其撲救方法也不完全相同。傳統(tǒng)森林火災(zāi)撲救方法無法應(yīng)對火災(zāi)環(huán)境惡劣、蔓延迅速快、點多線長面廣的特點。針對該問題，結(jié)合城市消防救援隊伍職能任務(wù)與典型森林火災(zāi)案例，提出一種加強森林火災(zāi)撲救應(yīng)急通信保障能力的方法。通過構(gòu)建衛(wèi)星—無人機—地面的空天地一體化通信系統(tǒng)，保證話音、定位、圖像等通信業(yè)務(wù)實時性，并設(shè)計一種基于傾斜攝影與金字塔匹配技術(shù)構(gòu)建三維實景模型，提高后續(xù)滅火力量部署位置準(zhǔn)確性。該方案有效性在廣東佛山12·5山火消防救援撲救行動中得到了驗證。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急通信;空天地一體化;無人機自組網(wǎng);三維地圖;火災(zāi)識別

DOI：10. 11907/rjdk. 201846 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）008-0192-05

Abstract： Forest fire is different from urban fire， and its fighting methods are not completely the same. The traditional forest fire fighting methods cannot deal with the characteristics of bad environment， rapid spread， many points， long line and large scope. By analyzing some typical forest fire cases and considering the capacity of the urban fire rescue team， we propose a method which provides a guarantee of forest fire fighting and emergency communication. A space-air-ground integrated communication system called Satellite-UAV-Ground is designed， which helps ensure the real-time performance of voice， localization， image and other communication services. Moreover， a 3D real-scene model method based on oblique photography and spatial pyramid matching technology is designed to improve the accuracy of the following fire fighting forces position. The efficiency of the method is proved during the fire rescue in Foshan， Guangdong Province on December 5，2019.

Key Words： emergency communication; space-air-ground integrated communication system; UAV ad hoc network; 3D map; fire identification

0 引言

森林火災(zāi)與城市火災(zāi)不同，其撲救方法也不完全相同。森林火災(zāi)具有點多線長面廣、蔓延迅速、撲救時間長、環(huán)境惡劣、參戰(zhàn)力量多的特點。本文針對這些特點，設(shè)計一種森林火災(zāi)應(yīng)急通信系統(tǒng)，如圖1所示。

森林火災(zāi)屬于敞開式燃燒，往往火借風(fēng)勢，風(fēng)助火勢，火勢蔓延速度極快;同時需投入大量救火力量，還需長時間的作戰(zhàn)指揮，因此對通信系統(tǒng)暢通性要求較高。衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無人機自組網(wǎng)通信系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)已比較成熟，無人機自組網(wǎng)中無人機中繼通信的應(yīng)用也逐漸廣泛。文獻(xiàn)[1]提出衛(wèi)星通信在應(yīng)急通信系統(tǒng)中具有覆蓋區(qū)域大、可多址聯(lián)接、機動靈活、不受地理條件限制、通信容量大、線路穩(wěn)定等優(yōu)點，并提出未來可依托天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建立應(yīng)急通信平臺;文獻(xiàn)[2]提出衛(wèi)星通信能夠彌補4G或5G移動通信系統(tǒng)在通信范圍、通信可靠性等方面的缺點，而衛(wèi)星通信與5G的結(jié)合可以為用戶帶來更為穩(wěn)定的服務(wù)體驗，進(jìn)而實現(xiàn)空、天、地、海等多維空間連通，將其融為一體;文獻(xiàn)[3]提到具有應(yīng)急起飛、可快速抵達(dá)服務(wù)海區(qū)特點的無人機應(yīng)急通信手段可滿足針對陸地或海洋偏遠(yuǎn)地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)接入及通信應(yīng)用需求;文獻(xiàn)[4]基于無人機中繼通信系統(tǒng)設(shè)計了一種水面清障機器船;文獻(xiàn)[5]針對單無人機中繼方式、無人機中繼系統(tǒng)的全雙工與半雙工模式以及多跳無人機中繼的混合雙工模式傳輸策略進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[6]提出將無線自組網(wǎng)與無人機在安全領(lǐng)域結(jié)合，實現(xiàn)多平臺協(xié)同、無線覆蓋與中繼、通信和控制距離延伸3類應(yīng)用場景;文獻(xiàn)[7]提出一種基于無中心的自組網(wǎng)的指揮調(diào)度通信系統(tǒng);文獻(xiàn)[8]總結(jié)了在應(yīng)急通信保障中對無線自組網(wǎng)的3種應(yīng)用：便攜式移動通信網(wǎng)絡(luò)、安全監(jiān)控和預(yù)警的無線傳感網(wǎng)絡(luò)、無線自組網(wǎng)與移動通信網(wǎng)絡(luò)混合的通信網(wǎng)絡(luò);文獻(xiàn)[9]介紹了一種使用雙向業(yè)務(wù)分配并經(jīng)由中心站轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)星狀網(wǎng)全網(wǎng)業(yè)務(wù)互通的方法;文獻(xiàn)[10]提出一種以衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)為核心，裝備自組網(wǎng)、無人機通信網(wǎng)絡(luò)、星狀通信網(wǎng)的應(yīng)急通信系統(tǒng)架構(gòu);文獻(xiàn)[11]提出無人機機載通信終端可以同時具備無人機集群自組網(wǎng)功能以及與地面站直接通信的功能。綜上所述，目前針對衛(wèi)星通信與5G融合、無人機應(yīng)用于應(yīng)急通信以及無人機中繼通信關(guān)鍵技術(shù)的研究已積累一定成果，但還沒有一種能夠面向森林火災(zāi)的可靠的應(yīng)急通信系統(tǒng)。

此外，森林火災(zāi)往往發(fā)生在山區(qū)，山高林密，坡陡谷深，雜草叢生，道路崎嶇，風(fēng)力大，氣溫低，視野差，環(huán)境相對惡劣。傳統(tǒng)森林火災(zāi)檢測技術(shù)包括衛(wèi)星遙感、紅外熱成像以及基于視頻或圖像的檢測技術(shù)。在衛(wèi)星遙感方面，光學(xué)載荷分辨率不斷提高，確保了遙感技術(shù)應(yīng)用到測繪地圖中高質(zhì)量的產(chǎn)出[12];紅外熱成像技術(shù)可以確保圖像不受光照等自然因素干擾，但容易忽略圖像細(xì)節(jié)紋理信息;基于視頻或圖像的火災(zāi)檢測則是當(dāng)下研究熱點。文獻(xiàn)[13]提出一種基于火焰像素顏色規(guī)則的圖像處理方法，但在復(fù)雜條件下僅從顏色模型的角度考慮存在很多相似顏色的干擾;文獻(xiàn)[14]根據(jù)火焰的運動特性，采用前景累積法，提取出運動區(qū)域，但前景累積法時延較大，無法滿足森林火災(zāi)撲救緊迫性要求;文獻(xiàn)[15]利用光流法，根據(jù)火災(zāi)區(qū)域與非火災(zāi)區(qū)域流場大小方向的不同進(jìn)行區(qū)分;文獻(xiàn)[16]基于梯度運動法處理分析固定攝像機視頻火焰特征，但是在火焰燃燒時主體部分運動特性并無太大變化;文獻(xiàn)[17]通過紅外圖像的統(tǒng)計學(xué)特征，排除火焰中煙霧干擾;卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在訓(xùn)練過程中綜合考慮顏色、幾何與紋理特征，因此文獻(xiàn)[18]使用微調(diào)的GoogLeNet網(wǎng)絡(luò)模型，檢測目標(biāo)是否為火焰;文獻(xiàn)[19]結(jié)合火焰顏色、輪廓以及視頻幀之間的運動信息檢測視頻火焰;文獻(xiàn)[20]利用光流法與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方式，判斷是否存在火焰、煙霧。但是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要采用的參數(shù)較多，計算量大，難以保證實時性，而且卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對靜態(tài)圖像的訓(xùn)練容易忽略幀間的相關(guān)性。

基于以上分析，為了更好地應(yīng)對突發(fā)的森林火災(zāi)，將現(xiàn)場火情及時、準(zhǔn)確地傳遞給各級指揮人員和前線消防員，從而快速、準(zhǔn)確地作出決策，本文分為兩部分進(jìn)行探究。首先將衛(wèi)星通信系統(tǒng)、無人機自組網(wǎng)通信系統(tǒng)以無人機集群為核心，組合成為衛(wèi)星—無人機—地面的空天地一體化應(yīng)急通信系統(tǒng)，以應(yīng)對森林火災(zāi)中惡劣的信道環(huán)境并滿足其迫切的通信需求;然后將可見光圖像、紅外圖像以及衛(wèi)星遙感技術(shù)、地面監(jiān)測、無人機偵察方式相結(jié)合實時獲取火災(zāi)信息與火災(zāi)地理位置、溫度及細(xì)節(jié)紋理特征，保證獲取森林火災(zāi)信息實時性，避免單一方法忽略目標(biāo)屬性間相關(guān)性的問題。在白天可利用可見光圖像得到火焰特征，為火災(zāi)區(qū)域檢測提供依據(jù)。利用紅外熱成像技術(shù)，結(jié)合火焰燃燒溫度場特性，確定火災(zāi)區(qū)域，提高檢測準(zhǔn)確率。此外本文采用衛(wèi)星遙感技術(shù)精準(zhǔn)定位火災(zāi)區(qū)域經(jīng)緯度坐標(biāo)，并結(jié)合無人機偵察方式拍攝的二維正射影像圖和三維模型構(gòu)建森林火災(zāi)周邊地圖、標(biāo)定坐標(biāo)。

1 空天地一體化應(yīng)急通信系統(tǒng)

森林火災(zāi)大多發(fā)生在山區(qū)，地勢險要，4G/5G信號差，衛(wèi)星通信設(shè)備對星困難，道路狹窄，多數(shù)路段車輛無法通行，大型通信車無法抵近火場保障，所以需綜合運用無線電臺、單兵圖傳、衛(wèi)星電話、北斗有源終端等通信設(shè)備，保障話音、圖像、定位和短報文通信服務(wù)，保持與后方指揮部的不間斷通信。

1.1 基于多種通信設(shè)備的空天地一體化通信系統(tǒng)

在森林火災(zāi)通信系統(tǒng)中，第一位要求是保證通信系統(tǒng)暢通，所以首先通信前突小隊乘坐摩托車或越野車遂行，攜帶無線電臺、4G/5G單兵圖傳、北斗有源終端、衛(wèi)星電話等通信設(shè)備。同時調(diào)派“動中通”衛(wèi)星通信越野車，并協(xié)調(diào)三大通信運營商第一時間調(diào)派超級基站越野車或系留無人機基站趕赴現(xiàn)場，提供4G/5G信號和寬帶互聯(lián)網(wǎng)和指揮調(diào)度專線，保障話音、數(shù)據(jù)和視頻傳輸需要。

應(yīng)急通信需要綜合利用手機、公網(wǎng)集群電臺、專網(wǎng)對講機、自組網(wǎng)電臺、衛(wèi)星電話、超輕型衛(wèi)星便攜站等通信設(shè)備，尤其是衛(wèi)星設(shè)備作為保底通信手段。在使用無線電臺時，要按照無線通信三級組網(wǎng)要求，劃分幾個指揮網(wǎng)和戰(zhàn)斗網(wǎng)，明確通信頻道和通話規(guī)則，利用背負(fù)、車載、飛行器載或高點中繼臺，實現(xiàn)區(qū)域通信覆蓋，集中各方面、各火線參戰(zhàn)隊伍的通信人員，實施統(tǒng)一調(diào)度，對口下達(dá)滅火救援指令。使用衛(wèi)星電話時，要選擇合適位置架設(shè)，盡量使用全向天線，專人值守，定時報告。如果火場面積過大，可通過無人機掛載中繼臺與自組網(wǎng)設(shè)備，以無人機中繼的方式，實現(xiàn)地對空、空對空、空對地的通信互聯(lián)，保證滅火一線隊伍與指揮部的通信聯(lián)絡(luò);或者利用無人機掛載自組網(wǎng)與動中通衛(wèi)星設(shè)備，建立地對空、空對天、天對地通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全天候、全地域通信，如圖2所示。現(xiàn)場采集的視頻畫面通過無人機組網(wǎng)、4G/5G、互聯(lián)網(wǎng)、應(yīng)急車聯(lián)網(wǎng)或北斗衛(wèi)星專網(wǎng)回傳至各級指揮部，輔助前后方會商并研判應(yīng)急救災(zāi)方案和部署。

1.2 基于無人機自組網(wǎng)的通信系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的應(yīng)急通信系統(tǒng)具有靈活機動性能，采用隨時轉(zhuǎn)場、動態(tài)組網(wǎng)的形式。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以采用分層的混合組網(wǎng)，以地面前方指揮站和現(xiàn)場指揮部為無人機集群網(wǎng)絡(luò)中心站，無人機通信終端應(yīng)具備在無人機集群中自組網(wǎng)功能以及與地面前方指揮站和現(xiàn)場指揮部直接通信的功能;同時為滿足滅火行動中不斷變化的通信需求，通過無人機與自組網(wǎng)等方式，接力通信、中繼轉(zhuǎn)信，延伸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，確保指揮過程中通信暢通。由于續(xù)航問題及火災(zāi)災(zāi)情變化時，無人機集群數(shù)量必然隨之發(fā)生變化。分層混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠快速減少、增加或更替無人機節(jié)點，迅速完成無人機集群通信網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。而各無人機節(jié)點維護的路由表信息簡化后大幅提高通信網(wǎng)絡(luò)可靠性。森林火災(zāi)中信道環(huán)境惡劣，無人機需采用MIMO技術(shù)（Multiple Input Multiple Output），通過構(gòu)成多個信道最大程度確保森林火災(zāi)中通信可靠性。如果現(xiàn)場受風(fēng)、雨、地形、地勢等影響，無人機無法起飛，可采取反向覆蓋的方式，在無人機通信覆蓋范圍內(nèi)選擇合適位置起飛，建立空對地遠(yuǎn)程通信覆蓋。其中，最可靠的做法是按照平戰(zhàn)結(jié)合的原則，事先在林區(qū)合適高點或利用廣播電視高山轉(zhuǎn)播塔架設(shè)固定中繼臺或自組網(wǎng)設(shè)備，實現(xiàn)林區(qū)通信覆蓋，戰(zhàn)時利用無人機高空中繼，補點入網(wǎng)，實現(xiàn)與指揮部的全域通信。

2 火災(zāi)信息獲取與地圖構(gòu)建

本文將地面監(jiān)測、無人機偵察、衛(wèi)星遙感技術(shù)相結(jié)合，獲取火災(zāi)整體態(tài)勢、發(fā)展趨勢、范圍，以及火災(zāi)受氣象、地形等影響蔓延的方向、速度。采用傾斜攝影和金字塔匹配技術(shù)構(gòu)建三維地圖，獲取林區(qū)地形地貌、山勢走向、道路、水源、隔離帶分布，周邊重點目標(biāo)、重大危險源等，并進(jìn)行滅火力量繪制。

2.1 基于二維圖像的火災(zāi)信息提取

圖像處理中用到的二維圖像主要是可見光圖像和紅外圖像。由于本文針對森林火災(zāi)區(qū)域提取圖像，需把握火災(zāi)整體態(tài)勢與發(fā)展趨勢。而單一的可見光圖像只能獲取火災(zāi)顏色、紋理、幾何輪廓等基本屬性，單一的紅外圖像只能獲取目標(biāo)表面溫度。如果僅采用其中某種方式，則會忽略各屬性間的相關(guān)性，導(dǎo)致設(shè)計方案抗干擾能力差。所以本文采用可見光圖像與紅外熱成像相結(jié)合的技術(shù)，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。

本文采用3種偵察的方式相結(jié)合的方式獲取二維圖像，包括地面監(jiān)測、無人機偵察、衛(wèi)星遙感。同時為滿足森林火災(zāi)現(xiàn)場航拍需要，現(xiàn)場至少調(diào)派2架抗風(fēng)性能好、航行時間長、飛行速度快的無人機，如六旋翼、八旋翼、固定翼、復(fù)合翼、油電混合無人機等，執(zhí)行視頻偵查任務(wù)。尤其是在道路受阻、車輛無法行進(jìn)的情況下，無人機可就地起飛前往偵查，搜尋道路，圖傳火場情況。

在利用單兵或車載圖傳、手機拍攝現(xiàn)場的火災(zāi)視頻以及林區(qū)的監(jiān)控視頻得到連續(xù)幀的可見光圖像后，進(jìn)行火災(zāi)區(qū)域獲取。首先根據(jù)火焰像素點顏色劃分可見光RGB顏色空間區(qū)域，再利用火焰燃燒時在二維圖像中的幾何輪廓相對于背景變化頻率更快，框選火焰區(qū)域。此外本文利用紅外熱成像技術(shù)，通過紅外熱成像儀計算得到目標(biāo)溫度。二者結(jié)合可去除樹木遮擋和煙霧干擾，實現(xiàn)火情檢測。森林火災(zāi)區(qū)域提取方法設(shè)計如圖3所示。

對現(xiàn)場采集的視頻圖像進(jìn)行處理后，通過4G/5G、互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星專網(wǎng)回傳至各級指揮部，輔助前后方會商并研判。大面積的火場情況通過共享氣象、航天等部門提供的衛(wèi)星遙感圖像，方便指揮人員了解火場位置、火災(zāi)范圍，以及火災(zāi)發(fā)展變化趨勢等信息。

為保證后續(xù)滅火力量的部署，本文采用串列翼無人機，其具有GNSS北斗、GPS、GLONASS+慣性導(dǎo)航等導(dǎo)航定位裝備，可利用GPS或北斗衛(wèi)星終端獲取精確的火災(zāi)區(qū)域經(jīng)緯度信息，并實現(xiàn)裝備授權(quán)、定位、控制指令等信息聯(lián)通。

2.2 基于二維正射影像圖與三維模型地圖構(gòu)建技術(shù)

傳統(tǒng)森林火災(zāi)滅火力量部署結(jié)合的是GIS地圖、軍事地圖、遙感地圖等，存在時效性、分辨率雙低的問題。本文將無人機航拍制作二維正射影像圖與三維模型相結(jié)合，根據(jù)二維正射影像圖及圖像縮放比例可得到火場長度、寬度、面積，由此標(biāo)繪滅火力量。利用傾斜攝影的飛行平臺的五目相機，分別采集垂直攝影圖像和前后左右4個攝影圖像，制作三維模型，輔助指揮決策、部署滅火力量。如圖5所示，傾斜攝影可在無人機一步頻率下同時得到目標(biāo)區(qū)域多位攝影，為三維實景建模提供紋理信息和測量數(shù)據(jù)。

對傾斜攝影獲得的多視影像進(jìn)行聯(lián)合平差，具體采用金字塔匹配，在各級金字塔影像上進(jìn)行同名點匹配，建立對應(yīng)點和對應(yīng)線的連接。然后對多視影像進(jìn)行密集匹配，將二維特征轉(zhuǎn)換為三維特征，并確定各個墻面，構(gòu)建三維模型。

本文采用串列翼混合動力無人直升機，具備多種能力：①垂直起降、緊急避障、迫降或返航能力;②第一視角飛行控制能力，其攝像頭分辨率720P，最大續(xù)航時間可達(dá)3小時;③寬帶無線電通信中繼能力，可組成無人機蜂群通信網(wǎng)絡(luò)，并且可集成無線寬帶通信和4G/5G通信系統(tǒng)，光電偵察、擴音喊話、照明等裝置;④內(nèi)藏式傘降裝置，可保證飛機平臺及載荷設(shè)備安全，滿足森林撲救工作及滅火力量部署的需求。同時在撲救過程中需確保無人機拍攝在直升機灑水前進(jìn)行。

3 實驗結(jié)果

為測試在森林火災(zāi)中無人機飛行高度對語音、圖像的影響，2019年9月，在四川德陽山區(qū)展開測試，兩地直線距離為31.9km，中間有上千米的高山阻擋，當(dāng)兩地?zé)o人機升空500m時，兩地間語音圖像均無法連通;當(dāng)無人機升空至690m時，兩地間語音連通;當(dāng)無人機分別升至890m、 ? ?1 000m時，兩地間圖像連通。

2019年在佛山12·5森林火災(zāi)撲救作戰(zhàn)力量部署如圖6所示。該部署圖利用本文設(shè)計的方案，傾斜攝影構(gòu)建三維實景模型獲得。圖中描繪了廣東佛山森林火災(zāi)地區(qū)地形地貌、地勢坡度，并注明了火場范圍、面積，火線位置、長度，風(fēng)向、風(fēng)力，天氣晴、雨情況，火頭、火尾，火勢蔓延方向。根據(jù)該圖部署了滅火力量、指揮部位置、水源位置及距離、重點目標(biāo)及重大風(fēng)險源位置、距離及滅火力量部署等，明確作戰(zhàn)意圖和力量部署，為后續(xù)撲救工作的高效實施提供保障。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的基于衛(wèi)星—無人機-地面的空天地一體化應(yīng)急通信保障方案能夠在最大程度上應(yīng)對森林火災(zāi)中各種惡劣的通信環(huán)境，確保話音、圖像、定位和短報文的通信服務(wù)質(zhì)量。基于分層混合組網(wǎng)的無人機集群對地通信系統(tǒng)以地面站為中心確保了多個無人機獲取的災(zāi)情信息能夠快速匯聚到地面指揮部，使指揮員最大程度了解全局災(zāi)情、便于作出科學(xué)決策。無人機集群內(nèi)部采用無中心的網(wǎng)狀自組網(wǎng)，可快速完成無人機節(jié)點退出或增加，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，大幅提高了通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。系統(tǒng)結(jié)合多種偵察方式，可實時獲取災(zāi)情信息，較為準(zhǔn)確地判斷森林火災(zāi)態(tài)勢和火災(zāi)區(qū)域地理位置，并準(zhǔn)確掌握水源位置、距離，重點目標(biāo)及重大風(fēng)險源位置、距離等情況，確保滅火力量部署、指揮部選址科學(xué)合理。

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