区域联动式无人机森林火灾侦察系统设计

区域联动式无人机森林火灾侦察系统设计

发表时间：2019-08-09T15:34:57.280Z 来源：《防护工程》2019年9期作者：陈洋洋1 郝云飞2 郭靖超3

[导读] 森林在地球生态系统中占据主体地位，但面临森林火灾的严重威胁。

1.2.3.河南理工大学河南省焦作市 454000

摘要：森林火灾由于灾害监测范围大、起火源多等原因叠加导致目前监测手段在森林火灾监测中存在滞后性等问题，严重威胁生态安全及社会危机。本文介绍一种区域联动式无人机森林火灾侦察系统，通过多架次无人机联动巡察解决森林火灾侦察范围大等痛点，采用路径规划算法实现无人机自主巡航，通过多设备协调配合实现火灾侦察智能化、火灾监测实时化。以期提高森林火灾侦察能力，在新时代历史节点上提升我国应急救援能力进入新局面。

关键词：森林火灾；区域联动；自主巡航；侦察预警

引言

森林在地球生态系统中占据主体地位，但面临森林火灾的严重威胁。森林火灾突发性强、破坏性大、危险性高，是全球发生最频繁、处置最困难、危害最严重的自然灾害之一，是生态文明建设成果和森林资源安全的最大威胁，甚至引发生态灾难和社会危机[1]。我国平均每年发生森林火灾12683次，受灾面积高达7.95万公顷，造成严重的经济及生态损失[2]。目前传统的森林防护主要依靠人工巡视为主，我国森林范围大、地形复杂造成人工巡视不能及时发现火灾，造成事故侦察的滞后性；随着科技的发展，以护航飞机为主的新型森林防火技术应用于森林防火工作中，据统计我国森林面积2.1亿公顷，但侦察飞机数量仅80架，远远无法满足森林火灾侦察的需求[3]。基于目前森林防火侦察过程中存在的问题，设计一种区域联动式无人机森林火灾侦察系统，以期解决森林防火侦察过程中存在的不足。

1.系统总体方案设计

本装置采用区域联动式布局，采用综合指标预测森林火灾的模型能够很好地评价某区域森林火灾危险程度[4]，通过预测结合无人机单次侦测范围确定区域联动布局；通过多架次无人机协同配合保证对森林全范围的巡视侦察，通过无人机预先对飞行路径编码并结合北斗系统导航自动实现飞行控制，从而实现森林火灾自主侦察预警；热成像火灾探测仪、高清摄像头结合OpenCV算法探测火灾并构建受灾范围模型实现对起火位置、受灾范围及火势情况等参数的自动采集；通过风流检测装置检测风流风速；计算机自行处理数据，结果供决策者权衡。通过系统协调配合，使得事故探测得以高效推进，有力的促进了我国应急救援能力建设的发展。

2.硬件选择

无人机平台选择要求：为适应森林火灾防范范围大的特点应选用续航能力＞2h的无人机；无人机应选择开源无人机，以保障进行自主巡航设计；抗风等级应设计为5级，以满足一年内大部分气候条件符合飞行条件。

飞控传感器方面利用GNSS提供全局定位信息进行校准，利用IMU提供载体运动信息辅助定位跟踪，利用Stereo Visual获取图像信息进行飞行姿态跟踪。三类传感器均尺寸小、重量轻，便于无人机携带，而且有着明显的互补性，为系统带来了较强的飞控能力，能够满足自主巡航及稳定飞行。

无人机飞控单元选用Pixhawk飞控，结合预先路径规划能够实现无人机自主巡航及飞行姿态控制，内置MIC5129电源模块，确保北斗导航与电子罗盘稳定工作，定位装置采用北斗HD8040定位模块。

热成像火灾探测仪采用红外摄像模块，能够检测森林全方位深度检测；云台采用GOPRO三轴云台全方位灵活转动提供锁定模式和跟随模式，保证热成像火灾探测仪及高清摄像头稳定工作；风流检测装置通过对附近流场进行流体力学分析，排除无人机机翼照成的风流影响；电路方面采用树莓派进行数据初步处理以及数据传输。

3.系统工作原理

基于系统联动监测需求，系统设计以无人机续航能力为基准值对所需监测森林区域进行划分，当电量不足时，启用紧急返航功能返回基站，增派无人机继续收集信息。以无人机通信信号覆盖范围半径为标准值在划分区域中心建立独立监测基站。规划审核通过时，无人机利用路径规划算法和北斗导航系统按照规划路径自主巡航并对监测信息进行收集。无人机的云台上搭载了热成像仪以及高清摄像头。当热成像摄像头检查到火灾发生时，通过北斗HD8040定位模块实现对起火地点的定位；通过基于OpenCV计算机视觉库对火灾图像进行识别并处理判定受灾范围；通过高清摄像头传输实时火情影像资料判定火势情形等参数；将结果供给决策者权衡，以解决目前森林火灾侦察滞后性、救援盲目性的问题。

图1 系统工作流程图

4.设计特色与优势

（1）实现自动侦察，能够高效有序地展开火灾探测工作。

本装置通过自主飞行无人机实现了对森林火灾的自主侦察预警，设计出一种安全性高，自主性强，火情探测功能完备的火灾侦察无人机，实现了对森林火灾侦察的自动化、高效化，强有力地保障了我国应急救援能力的建设。

（2）实行区域联动，协同配合形成应急救援合力。

在火灾侦察过程中，可有效组织位于多区域的无人机协同配合，实行联动机制，协同侦察火灾隐患，能够实现有效地统一指挥调度，

反应快速使之有效发挥整体联动效应，形成应急侦察合力。

（3）采集现场数据，迅速将多种参数传送到指挥中心。

飞行器使用摄像机、热像仪等各种载荷，结合计算机软件处理，生成影像和地形图为灾难救援提供可靠的数据保障，能够为应急部署提供事故现场情况准确资料，保障救援人员的协调提供充分保障。

（4）跟踪事故发展动态，供指挥者进行判断和决策。

由于飞行器机动性好且能够实现超低空飞行，以及适应复杂多变的火灾现场，且监测灾情动态变化，利于指挥中心及时掌握事件态势，有效地降低了目前救援工作存在的盲目性及滞后性，保障了救援高效性、决策准确性。

5.结语

森林灾害是公认的八大灾害之一，森林火灾是森林灾害的严重灾害之一。本设备搭载飞行器平台具有长达2小时的续航时间，可以满足较大区块森林的排查，极大地减少了人力以及物力的消耗；该无人飞行机在森林巡航过程中，可以自动判断是否有火情并预警，并且还可以在第一时间自主采集火源信息并叠加输出给地面站，相比于传统的无人机火前预警自主性更高，功能也更加丰富。地面站可以根据所提供信息高效迅速地计算出火源的三维形状，为之后的救援与扑火行动给出指导性意见。本装置在监测森林火灾方面具有广阔的应用前景，能够有效解决目前森林火灾侦察中的滞后性以及救援的盲目性，将会在森林火灾侦察预警领域引起一场风暴式的革命。

参考文献：

[1]FAO. Forest health and forest fire in the context of climate change[C].COMMITTEE ON FORESTRY TWENTIETH SESSION，Rome，Italy，4~8 October 2010.

[2]苏立娟，何友均，陈绍志. 1950—2010年中国森林火灾时空特征及风险分析[J].林业科学，2015，51（01）：88-96.

[3]徐宏伟，张巍，刘斯文.我国森林防火基础设施建设中存在的问题及对策[J].森林防火，2017（04）：15-17.

[4]张思玉.区域森林火灾危害程度评价指标构建[J].防灾科技学院学报，2013，15（04）：1-6.