旋翼无人机林火点定位技术研究

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X S , YS , Z S
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)。
E(XE,YE,ZE) A L F B
S(XS,YS,ZS)
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图 5 无人机林火点定位原理图
由于 GPS 接收器、摄像机、微波测距仪之间距 离很小，可以认为 GPS 接收器、摄像机、微波测距 仪均位于 S 点。通过微波测距仪测量出微波测距仪 至着火点的距离 L ,其中微波测距原理如公式 1 所 示：
关键词：无人机；林火位置；定位技术；旋翼
中图分类号： 文献标识码： 文章编码：
目前采用的林火监测手段主要有卫星遥感、 塔 台瞭望、 地面巡视和飞机巡护等。利用卫星监测林 火的优势是覆盖面积大，1至2个小时就可以获取一 次覆盖全国的资料，但受自身轨道周期和天气影响， 资料的实时性和分辨率欠佳。防火塔瞭望的实时性 最好，但单塔的覆盖范围有限，需要组网配置，这 大大增加了人员和设备成本，且近地面瞭望受地形 影响大， 存在视觉盲点。 人工地面巡视工作量巨大， 人员处于森林底层，视线遮挡严重，观察范围有限， 效率低下。相对而言，飞机空中巡护监测林火的实 时性和适应性俱佳，优点突出，但其保有和使用成 本高，难以大规模、常态化运行，目前，多数林区 [1，2] 只在重点防火时期租用飞机开展相关护林作业 。 无人机是一种新型的航空平台，近年来随着其技术 的成熟已在气象探空、灾情监测、环境遥感等众多 [3-6] 领域中得到应用 。特别是质量轻、体积小的微型 无人机具有购置成本低、运行费用少、操作简便、 机动灵活等特点，能够根据现场情况实时调整作业 方案及载荷设备，非常适合用于森林火灾的监测作 业。 但目前针对无人机林火点定位技术的研究却很 少，无人机上携带摄像系统在森林防火中巡护时， 如发现火灾却不能及时准确定位出火点位置，将会 [7] 大大减少无人机在森林防火中的作用 。 通过文献发 [8] 现 ，很多无人机运用到测绘方面，通过对获取的影 像进行拼接处理，从而获取了地物坐标，该方法如 应用到森林防火上，将失去时效性，从而耽误林火 扑救指挥。本文提出一种能够迅速、准确判断森林
位精度为 2cm+1um，垂直定位精度 3cm+2um。在受地 面遥控的无人驾驶飞机（无人机）上设置控制器和 云台，该云台既能绕大地坐标系中的纵轴左右旋转 又能在平面内上下旋转；在云台上固定有摄像机、 微波测距仪；GPS 接收器与摄像机相连，并位于摄像 机的光轴上。控制器用于与地面的控制中心进行无 线通讯，控制器分别与驱动云台动作的驱动器、控 制无人机动作的驾驶中心、摄像机、微波测距仪、 [9,10] GPS 接收器电连接 ，配置结构图如图 2 所示。
40.874 38.643 37.351
[11]
地面测量系统使用的南方 NTS-3401 型免棱镜全站仪进行样地测量，仪器的精度(3mm ± 2ppm) 。所以 该实验中，两套测量系统中，选取地面测量系统获取的数据作为真值，用来检验无人机测量数据精度，无人 机两个实验场地获取特征点三维坐标（X,Y,Z）的真误差分别如图 6 和图 7 所示：
10 8 6 4
真误差/m
2 0 -2 -4 -6 -8 -10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 X Y Z
序号
图 6 实验场地 1（杨树林）无人机测量的三维坐标(X,Y,Z)真误差图
2
1
0
真误差/m
-1
-2
-3
X Y Z
-4 0 1 2 3 4 5 6 7 8
序号
图 7 实验场地 2（土丘）无人机测量的三维坐标(X,Y,Z)真误差图 通过图 6 可以得出，六旋翼无人机针对树冠下的火点三维坐标定位的真误差区间为（-8,10），其中高 程坐标的离散区间大于平面坐标离散区间，平面坐标的精度 3m 左右，而高程坐标的精度为 5m 左右；而通过 图 7 可以发现，六旋翼无人机针对无树冠遮挡的火点坐标测量的精度要高于树冠遮挡的林火坐标精度，无人 机获取火点坐标的真误差区间为（-3,2），平面坐标的精度在 1m 左右，高程坐标的精度在 1.5m 左右。分析 无人机光秃土丘获取特征点坐标的精度高于树林样地内获取特征点坐标的原因，是因为无人机使用的测距为 微波测距，其中树冠的遮挡，对无人机与特征点之间距离的量取产生了影响，从而导致特征点的三维坐标的 精度降低。
X W YW 水平面的夹角 B 和摄像机光轴在水 Y 平方向上的投影 SF 与 W 轴的夹角 A。把距离 L、夹
角 B、夹角 A、 S 值、 S 值、 S 值通过控制器发 送至控制中心，在控制中心以下式计算出着火点的 坐标 E（
将无人机定位系统坐标系与地面量测系统坐标 系统一，对两块实验场地的特征树木及花杆三维坐 标进行量测，通过地面测量系统整理出无人机获取 的地物坐标（树木、特征点、林火点）的三维坐标， 通过人为分析比对，归纳出地面精准获取地物点配 套的无人机获取的与其相近特征点三维坐标，具体 如表 1 和表 2 所示：
旋翼无人机林火点定位技术研究
摘要：无人机携带摄像系统在森林防火中应用，林火点的精准定位是该项技术推广应用的关键。本文提出
一种基于 GPS 和微波测距的森林着火点定位方法，通过在南京森林警察学院院内两块实验场地（林地、无 林土丘）进行火烧除工作点火试验，以无人机和飞控系统为主要手段获取旋翼无人机现实飞行参数、无人 机航空摄影林火数据，以地面精准监测林火实证数据为基础，结合三维地形数据信息，对基于 GPS 和微波 测距的森林着火点定位方法精度进行检验。数据表明，该方法为一项有效的无人机林火点定位技术，且林 火定位技术的真误差在 10m 以内，完全满足林火监测精度要求。该技术能够迅速、准确判断森林着火点位 置，为森林防火提供决策性数据支持。
着火点位置的基于 GPS 和微波测距的森林着火点定 位方法，为林火管理提供科学依据，从而可以降低 由于林火监测的盲目性造成的损失。
1
无人机系统组成
实验无人机为无人驾驶电动六旋翼直升机，飞 机自身重 10kg,最大载荷 5kg，六个旋翼组成了六边 形，长宽高为 1110mm×1060mm×650mm，飞行速度： 0-20m/s，飞行时间：20-30 分钟。该无人机上装有 GPS 接收器和云台； 在云台上设置有摄像机和微波测 距仪；与地面控制中心进行无线通讯的控制器，分 别与驱动云台动作的驱动器、控制无人机动作的驾 驶中心、摄像机、微波测距仪、GPS 接收器电连接， 如 图 1 所 示。 该旋 翼 无人 机 操控 系 统使 用的是 Futaba 2.4GHz10 通道遥控器，配备 R6014HS 接收 机。
X
Y
Z
X E , YE , Z E ）并显示。
表 1 实验场地 1（杨树林）针对无人机测量坐标的检验结果 相近 点对 序号 1 2 3 4 5 6 7 397607.614 397600.767 397602.445 397598.686 397598.181 397600.181 397601.953 3554860.515 3554860.163 3554884.853 3554884.599 3554877.614 3554872.076 3554870.171 32.112 31.062 32.170 32.223 32.159 32.061 32.097 397605.324 397602.784 397604.374 397594.374 397593.574 397603.337 397605.374 3554862.136 3554860.966 3554887.847 3554889.621 3554876.742 3554876.371 3554873.742 37.366 39.135 24.748 39.674 33.741 33.742 39.671 地面测量 无人机测量
图 1 搭载 GPS 的六旋翼无人电动直升机 针对实验中的无人机使用的定位系统是双频 Trimble 5700 型 RTK GPS 接收机，该接收机水平定
收稿日期： 基金项目：国家林业局 948 项目（2013-4-65） ；中央高校基本科研业务费专项资金项目（LGZD201401） 作者简介：何诚（1985-） ，男，安徽马鞍山人，博士后，讲师，主要从事测绘与 3S 技术、森林防火研究工 作。 通信作者：张思玉
无人机
云台
图 3 实验场地一（杨树林）
摄像机 GPS接收器 驱动器 微波测距仪 驾驶 中心 控制器
控制中心
图 2 无人机配置示意图
2
材料与方法
2.1 实验地概况 试验场地共分为两部分，一部分，选择杨树林 面积为 126.9 平方米的区域，该杨树林为人工林， 林分平均高为 10 米，郁闭度 0.7，在该区域上均匀 铺设厚度为 5 厘米左右的枯枝落叶等可燃物，周边 清理出两米左右的隔离带，防止跑火，为了增加燃 烧效果，在可燃物上撒上适量汽油。为了清晰了解 林火行为，在点烧区域的杨树进行标注，使用红漆 标注出每棵树的序号，并在每棵树的 1 米、2 米、3 米方位使用红漆标出，方便判别林火林火高度，实 验场地如图 3 所示。另一块实验地为高差 7 米的土 丘，面积在 350.5 平方米，在陡急及平缓区域都铺 上枯枝落叶，进行点烧 ，为了对林火点进行定量分 析，在样地上均匀布设花杆，并对花杆进行依次编 号，如图 4 所示。 图 4 实验场地 2（空旷土丘） 2.2 无人机火点定位原理 无人机在森林上方飞行时，摄像机自动对森林 摄像，并通过控制器把拍摄的影像实时由无线装置 传输到控制中心。当控制中心看到森林着火的图像， 控制中心向控制器发送指令，云台停止动作，同时 通过驾驶中心让无人机悬停。此时，着火点位于摄 像机的光轴上，参见图 5，通过 GPS 接收器接收到设 定坐标系中的坐标 S (
3
结论与讨论
本文提出了一种基于旋翼无人机定位林火点坐标的方法，该方法解决了旋翼无人机飞行过程中实时精准 定位林火点坐标的难题，为森林火灾预防及火灾扑救指挥提供了决策性技术支持。 1）本文研究的基于 GPS 和微波测距的森林着火点定位方法，总体定位精度在 10m 以内，无树冠遮挡的 林火点探测精度要高于树冠遮挡下的火点坐标探测精度，平面坐标精度高于高程坐标精度，整体相对精准测
X
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表 2 实验场地 2（土丘）针对无人机测量坐标的检验结果 相近 点对 序号 1 2 3 4 397639.422 397640.996 397650.352 397653.479 3554791.472 3554788.912 3554799.837 3554801.893 36.584 38.606 37.219 36.000 397638.655 397638.214 397651.255 397653.361 3554792.874 3554788.038 3554799.671 3554803.007 37.045 38.261 37.981 35.461 地面测量 无人机测量
X
Y
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Biblioteka Baidu 6 7
397653.438 397642.411 397646.168
3554794.682 3554795.936 3554795.801
40.057 37.301 38.595
397653.874 397642.097 397645.955
3554795.681 3554797.216 3554796.339
X E L cos A cos B X S YE L sin A cos B YS
3
(2) (3) (4)
L vt 2
Z E L sin B Z S 结果与分析
（1）
式中 v 无线电传播速度， t 为传播时间。 通过控制器得到摄像机光轴 SE 与 标系中的
X W YW ZW 坐
量的精度来说，是低精度，但完全满足林火监测的精度要求，森林防火中的火点定位精度属于林业测量粗放 型的测量要求，因为 50m 左右的偏差就足能提供林火监测信息。 2）飞行员驾驶的飞机在森林防火巡航时，对森林火点定位时，依靠飞行人员目测判别后根据地形图定 位出火点方位，因部分大片森林，人员无法准确寻找出参照物，从而导致人员目估林火点定位精度稳定性低， 从而导致耽误森林扑救指挥的决策和时机。基于 GPS 和微波测距的森林着火点定位方法是一种能够迅速、准 确、自动判断森林着火点位置，有效解决了上述有人机林火监测中的难题。