基于多旋翼無人機森林防火巡護航路最佳三維模型規劃

毛潤科，胡勐鴻，張宏生，郭 贊，賈 軍，薛娜娜

(1.甘肅省小隴山林業實驗局李子林場，甘肅 天水 741020；2.甘肅省小隴山林業實驗局林業科學研究所/甘肅省次生林培育重點實驗室，甘肅 天水 741020；3.西北師范大學 地理與環境科學學院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

森林火災是一種突發性強、破壞性大、處置救助困難的自然災害。近年來，由于環境日益惡化，世界各地氣候變化異常，地球不斷增溫。高溫、干旱、大風等極端天氣增多，以及人為活動頻繁，致使森林火險等級持續居高不下。重特大火災在世界各地呈多發趨勢，一旦超出人為控制后在森林中延伸擴展，就會給人類生命安全和財產造成巨大的損失，給生態環境帶來巨大危害，短期內難以修復。準確預測林火發生和對林火進行實時監測不僅是森林防火的重要組成部分，而且是有效控制森林火災蔓延，減小經濟損失的重要手段[1]，同時，也是火災撲救指揮決策的重要依據。目前，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。衛星遙感易受自身軌道周期和天氣影響，實時性和分辨率較差；塔臺瞭望的實時性雖好，但單個塔臺覆蓋范圍有限，需組網配置，故成本較高，且受地形影響大，存在視覺盲點；人工地面巡視效率低，視線易被遮擋故觀察范圍有限；飛機巡護的實時性和適應性雖佳，但維護和使用成本高，難以大規模、常態化使用。而多旋翼無人機具備機械結構簡單，能夠垂直起降，空中穩定懸停[2]，以及響應速度快、俯瞰視野清晰、適合云臺布局、經濟可靠、高效便捷等諸多優點，尤其是在復雜多樣的較大范圍林地現場巡護和進行火災監測時，能夠快速抵達現場，為火災的預防和撲救提供第一手資料。

利用無人機搭載的攝影器材獲取高分辨率遙感影像已逐漸成為一種流行[3]。所做的工作證明了無人機在不同情況下的適用性，能夠及時、靈活地從不同有效監測載荷中獲取高分辨率數據[4]。無人機高空俯視開展森林防火巡護，作為人工實地作業重要的補充和輔助[5]，是未來森林防火巡護和火災監測方面工作的必然趨勢[6]。但是無人機航空影像的像幅小，航片之間的重疊度較大[7]，無人機作業航線數量及成像總數會遠遠超出預期，導致內外業工作量加大，不可控因素增加。目前裝備的小型無人機的續航多在15～25 min之間，因此在較大范圍復雜多樣的林區使用無人機進行森林防火巡護和火災監測，克服無人機續航時間短，航路重復，避免盲目性，提高空中作業的有效運行時間，并保證設備安全返回的關鍵是航路規劃(Path Planning)。

2 航路規劃基本方法

在利用無人機巡護時多采集正射影像資料供實時監測或后期數據分析，針對超出鏡頭視角范圍的較大范圍工作面時，一般采取多航路拍攝的方法來彌補。無人機的機身質量與負荷嚴重影響了無人機的續航能力，同時，無人機平臺和像控點之間的通信距離有限，相對低的能量來源，電池需要有效的利用，使其功能達到預定的目標[8]。無人機航路規劃實際上是一個復雜的多目標優化過程，即要求找到一條從當前位置到期望目標位置的最佳可飛航路，同時滿足一定的約束條件[9]。目前，國內外對航路規劃算法研究較多。比較流行的多產生或運用于二維航路規劃，如：啟發式(搜索)算法(隨機型搜索算法和確定型搜索算法)、隨機路標圖(PRM)算法、神經網絡算法、模擬退火算法、遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法[10]、Voronoi圖法[11]、動態規劃法、A*及改進型算法、Dijkstra’s算法、D*算法等[12]，近年來，這些方法逐漸被擴展到三維(3D),如尹高揚等人于2016年采用改進的快速擴展隨機樹法，解決了三維空間下的無人機航路規劃問題，在搜索最優路徑的基礎上，實現了障礙和威脅規避[13]。

針對無人機森林防火巡護工作任務，本文航路規劃依設備參數(鏡頭視角、飛行高度、續航能力)對照目標區域大比例地形圖進行前期數據計算，結合GPS、慣性導航系統定位和視角感知，將規劃空間表示成一系列導航點組成的網絡圖，引入飛行高度(H)因子，將水平面和垂直平面的規劃問題同時考慮，主要航路軌跡平面向量上移至一定高度空中作業面，構建三維立體模型，更加符合無人機森林防火巡護飛行的環境、任務、安全、時效等要求。

3 航路規劃約束條件

因無人機森林防火巡護使用場景的特殊性，其航路規劃不同于大多數研究點專注于導航精度的提升及主動威脅(如雷達、導彈)規避等方面。無人機森林防火巡護航路規劃主要約束條件集中在機動性能、工作環境、能量供應、安全威脅、操作技術等方面。

無人機運動是一個自由度較大的剛體運動[14]，飛行航向、姿態、空速、高度等機動性能是影響飛行任務完成的一個重要方面。受限于無人機最大攜帶負載和電池能量密度，能量供應是航路規劃必須考慮的問題。無人機森林防火巡護主要工作面處于森林林冠層上方，巡護作業時需要考慮大風天氣、險要地形、高大喬木、人工障礙物等的不利影響。林區無人機高空作業安全威脅源主要考慮鷹類猛禽的攻擊，曾有鷹類猛禽攻擊無人機的飛行安全事故發生，無人機巡護作業時注意避開鷹類猛禽的巢穴周圍和外出捕食及活動時間段，作業時如發現無人機上空出現鷹類猛禽盤飛，應迅降低飛行高度進行規避。當出現影響飛行安全的臨時約束事件或已知約束條件出現變化時，應及時規劃新的航路，在保證安全的前提下完成工作任務。

4 航點確定

(1)

S1=L2=OB2=(2CB)2

(2)

n=S/S1

(3)

圖1 無人機巡護示意

5 三維立體模型

考慮工作目標、安全威脅、無人機平臺參數及對目標實現過程產生的影響，分析無人機工作環境并進行數學抽象和描述，構建約束條件下的無人機工作導航點和垂點位置的空間模型。在此基礎上，以最大效率和最優化目標函數計算，對無人機航路進行規劃。設定無人機主要工作面剖面高度值為不變量，采用三維空間模型，可以較為直觀地表現工作任務過程中的航路軌跡，使無人機平臺搭載的影像采集設備鏡頭獲取的對應區域面積始終保持一致，多航路拍攝巡護所采集到的數據重疊量減少，提高無人機高空作業的效率。

利用三角函數計算得知單次航攝覆蓋區域寬度(L)和航點個數(n)，在三維坐標上構建立體模型，如圖2所示，K1、K2、K3、K4......Kn為航點，D1、D2、D3、D4......Dn為航點垂點，D1K1、D2K2、D3K3、D4K4......DnKn為飛行高度(H)，OXZ面為巡護目標面，O1X1Z2為無人機主要工作面。

6 像控點布設

像控點的布設對無人機森林防火巡護工作影響較大。針對較大范圍巡護工作面時，受電池重量和蓄電能力等限制[15]，小型無人機很難一次完成巡護，需要選擇數個像控點，多次起飛作業。像控點選擇應注意以下3點：①高程變化較小，地勢開闊，視野清晰，無較大遮擋物，避免峽谷、陡坡、尖山頭、高大喬木下等；②地面狀況簡單，人員設備容易抵達，轉運方便；③滿足無人機起飛條件，無干擾源(如高壓線)，不影響設備操控和信息采集。

圖2 無人機巡護航點和垂點立體模型

7 航路規劃

無人機森林防火巡護作業過程中，有效作業時間、能量消耗、路程、航拍影像資料重疊度、巡護區域覆蓋率和遺漏率等是評價航路規劃優劣的主要參考指標，在多個約束條件下，實現各指標的綜合尋優是本文航路規劃的主要目標。

無人機森林防火巡護航路規劃可視為一種全覆蓋路徑規劃，其規劃基礎為螺旋法和牛耕往復法[16，17]。實際工作中，巡護任務區域一般為不規則面，為方便計算，可以對巡護區域擴展為矩形平面，以此矩形平面進行函數計算，標示航點位置，在航路規劃中放棄任務區域外的航點。螺旋法航路規劃如圖3所示，為K1→K9→K17→K25→K33→K34→K35→K36→K37→K38→K39→K40→K32→K24→K16→K8→K7→K6→K5→K4→K3→K2→K10→K18→K26→K27→K28→K29→K30→K31→K23→K15→K14→K13→K12→K11→K19→K20→K21→K22；牛耕往復法航路規劃如圖4所示，為K1→K9→K17→K25→K33→K34→K26→K18→K10→K2→K3→K11→K19→K27→K35→K36→K28→K20→K12→K4→K5→K13→K21→K29→K37→K38→K30→K22→K14→K6→K7→K15→K23→K31→K39→K40→K32→K24→K16→K8。

螺旋法和牛耕往復法兩種方法均可對工作區域完成巡護，但返回路程方面螺旋法(圖3：K22→K1)較牛耕往復法(圖4：K8→K1)略短。一般在巡護區域航點確定以后，在總路程方面，兩種方法差別較小。無人機的巡護航路規劃主要是對中途往返線路的規劃，特別是針對較大區域巡護時，從能量供應和作業效率等約束條件出發，可以布設數個像控點，根據實際情況，使用螺旋法和牛耕往復法相互組合，合理分配各架次的工作任務，完成任務區域森林防火巡護。

圖3 螺旋法

圖4 牛耕往復法

8 討論

將無人機航拍、5G通信、遙感、自動化控制等技術和重要區域監控及森林防火實地巡護結合起來，并互為補充，是未來林火管理步入人工智能時代的重要發展方向。本文通過前期數據計算，構建三維立體模型，標示航點位置，結合GPS、慣性導航系統定位和視角感知，規劃最優航路，更加符合無人機森林防火巡護飛行的環境、任務、安全、時效等要求，在很大程度上節省了人力、物力、財力及時間成本，是解決森林防火難題的有效途徑。無人機作為人類感知能力在空中的延伸和擴展，與森林防火工作領域有著很高的行業契合度及多層次的應用發展空間。未來，使用無人機進行空中巡護、防火宣傳、林火撲救，實現數據存儲和畫面回傳、共享，及時發現和識別煙塵、熱源及可疑人員，有助于實現森林火災預防預警工作的自動化、信息化以及時效化，對于實現林業現代化和智慧林業建設潛力巨大。