森林火災(zāi)監(jiān)測無人機探測系統(tǒng)的研究

蔡親瑋 王瀟宇 王晴

摘要：隨著人類社會的發(fā)展進(jìn)步，森林火災(zāi)成為了社會不可忽視的常態(tài)性多發(fā)性問題。由于森林火災(zāi)具有傳播速度快、撲滅森林火災(zāi)較為困難等特點，且森林火災(zāi)一次次展示了其對于人員傷亡和財產(chǎn)的巨大破壞性，所以如何有效的對森林火災(zāi)的發(fā)生進(jìn)行有效的監(jiān)測以及預(yù)防就成為了目前的研究熱點。

由于森林火災(zāi)發(fā)生的時間與地點具有不確定性，而且森林面積廣闊，目前市面上的一些主流火災(zāi)檢測系統(tǒng)無法正常的檢測與識別森林火災(zāi)，故森林火災(zāi)的發(fā)生給消防員與附近群眾帶來了諸多安全問題。

本設(shè)計主要針對檢測場所空間大、范圍大，地點不確定等問題，并為此展開深入的研究與討論，設(shè)計了一款全自動森林檢測無人機，它可以通過不定期的飛行在特定的區(qū)域進(jìn)行火災(zāi)檢測，通過高精度的紅外CCD圖像傳感器采集火災(zāi)現(xiàn)場的圖片，通過視頻采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像傳送到監(jiān)控中心，有監(jiān)控中心的計算機終端利用圖像處理技術(shù)對火災(zāi)圖像進(jìn)行識別。

一、項目的背景

近年來，隨著各項自然災(zāi)害的頻繁發(fā)生，人類的力量在大自然中顯得微不足道，而傳統(tǒng)的火災(zāi)報警系統(tǒng)只適用于小空間，小面積的環(huán)境中，且多采用煙塵檢測法，而并不檢測其火焰本身，所以其檢測準(zhǔn)確率低、檢測靈敏度低，監(jiān)測適用范圍少。

隨著信息傳輸技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，圖像AI處理技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用。圖像監(jiān)測識別技術(shù)的基礎(chǔ)是視覺所接受的信息以光為傳播媒介，并且圖像更加具體和形象，為火災(zāi)的前期發(fā)生提供了更好的預(yù)防基礎(chǔ)，因此可以利用圖像處理技術(shù)與無人機融為一體進(jìn)行火災(zāi)的監(jiān)控與報警，能夠更好的預(yù)防森林火災(zāi)。

由上述背景可知，我們發(fā)現(xiàn)目前市面上的火災(zāi)檢測識別系統(tǒng)針對森林火災(zāi)這一特殊復(fù)雜環(huán)境場合都存在部分缺陷，為此我們著眼于森林火災(zāi)檢測與識別，實現(xiàn)自動化的檢測森林火災(zāi)，減少消防員與滅火隊員的人身安全傷害，提高對森林的保護(hù)級別，面向未來開展的研究項目。

二、森林火災(zāi)監(jiān)測研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的火災(zāi)報警監(jiān)測一般采用濃度檢測濃度法，而并不檢測火焰的溫度，所以檢測時間較長，并且監(jiān)測的準(zhǔn)確率低，對某些情況無法預(yù)報，比如低顆粒濃度的無煙火焰等。而現(xiàn)有的圖像處理方法，因為設(shè)備昂貴、對環(huán)境或傳感器等要求高而無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。

與以往把火災(zāi)過程中的某個特征物理量作為監(jiān)測對象的方案相比較。近年來，人們在研究火災(zāi)等問題時更多的將目光投入到研究火災(zāi)的預(yù)防的過程中，并已經(jīng)取得與以往把火災(zāi)過程中的某個特征物理量作為監(jiān)測火災(zāi)的方案相比較。近年來，火災(zāi)科學(xué)界正逐漸將注意力轉(zhuǎn)移到火災(zāi)現(xiàn)象本身和深層次的機理研究方面，并已經(jīng)取得一定的成果。

三、項目研究的意義

根據(jù)調(diào)查的結(jié)果與最近發(fā)生的森林火災(zāi)新聞，我們發(fā)現(xiàn)目前市面上的火災(zāi)檢測識別系統(tǒng)針對森林火災(zāi)這一特殊復(fù)雜環(huán)境場合都存在部分的缺陷，為此我們團(tuán)隊著眼與森林火災(zāi)檢測與識別，實現(xiàn)自動化的檢測森林火災(zāi)，減少消防員與滅火隊員的人身安全傷害，提高對森林的保護(hù)級別，面向未來開展的研究項目。火災(zāi)的探測實質(zhì)就是利用傳感器件感受火焰物理特征的變化，并將其轉(zhuǎn)化為易處理的物理量。

四、森林火災(zāi)監(jiān)測無人機主要系統(tǒng)的設(shè)計思路

系統(tǒng)有三部分組成，分別是控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、識別系統(tǒng)。

無人機支持自動巡視和手動控制。通過預(yù)先規(guī)劃監(jiān)控區(qū)域，無人機自動規(guī)劃路徑，在整個區(qū)域上方進(jìn)行巡視，巡視過程中，識別系統(tǒng)通過攝像頭獲取圖像并對圖像進(jìn)行火焰特征識別，如果識別到火焰特征，識別系統(tǒng)對控制系統(tǒng)發(fā)送前往火焰特征所在區(qū)域的指令和火焰區(qū)域大小的數(shù)據(jù)，在前往火焰特征所在區(qū)域的過程中，如果識別系統(tǒng)識別到明顯的火焰特征和較大的火焰區(qū)域，立即向控制系統(tǒng)發(fā)送火災(zāi)警告的指令和火焰區(qū)域大小的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)接收到指令和數(shù)據(jù)后通過通信系統(tǒng)回傳火情信息。

（一）控制系統(tǒng)

處于自動巡視模式時，當(dāng)識別到火焰特征，首先前往火焰區(qū)域以獲得足夠的火焰特征樣本信息，然后對火焰特征區(qū)域進(jìn)行環(huán)繞飛行，從不同的角度采集火焰特征信息，以提高識別的準(zhǔn)確性。考慮到森林所在區(qū)域特殊的空間結(jié)構(gòu)，攝像頭通過云臺控制。當(dāng)需要進(jìn)入森林時，通過無人機的旋轉(zhuǎn)和云臺攝像頭的俯仰獲取無人機所在位置的空間信息，以確保無人機的安全和飛行路徑的可行性，同時在飛行的過程中對飛行路徑進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃并記憶飛行路徑，避免因為森林特殊的空間結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致無人機無法返航。

（二）通信系統(tǒng)

為了保證通信鏈路的完整性和數(shù)據(jù)回傳的有效性，無人機和控制平臺之間通過心跳包對通信鏈路進(jìn)行監(jiān)測，飛行過程中定時進(jìn)行位置信息和通信信號信息的采集和記錄，在進(jìn)入森林時也會進(jìn)行信息采集和記錄，以提高信號丟失后能夠自動尋回信號的可能性，也提高了數(shù)據(jù)回傳的有效性，同時也支持了在特殊情況下通過預(yù)先規(guī)劃路徑而進(jìn)行的中斷通信鏈路時的數(shù)據(jù)采集并在通信鏈路恢復(fù)后的自動數(shù)據(jù)回傳。

（三）識別系統(tǒng)

為保證火焰識別的可靠性，采用RGB 與 HIS 顏色空間模型相結(jié)合的火焰尺寸檢測方法。采集到的視頻幀為RGB顏色空間模型，之后轉(zhuǎn)換為HIS 顏色空間模型。根據(jù)火焰的 RGB 與 HIS 主要顏色特征對視頻幀進(jìn)行閾值濾波，濾波后視頻幀保留的像素點為火焰像素點，進(jìn)而檢測出火焰區(qū)域的大小，以及火焰區(qū)域所在方位。

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