研究無人機在林火監測中的應用

尹琳芳

（云南省玉溪市林業和草原局 云南玉溪 653100）

長期以來，中國氣象局對森林火險進行實時監測和等級評估是其對外服務的關鍵內容，目前服務工作依賴于衛星遙感技術。由于森林是開放性的生態系統，而通常森林發生重大火情都是突發性且比較強，又在偏遠的原始林區處置撲救極為困難，所造成的危害極大。在我國西南以及東北等地區都有大面積的林區，而這些地區地勢陡險、植被豐富、交通極為不便，森林中可燃物載量大，諸多的因素給森林巡護工作帶來巨大的困難。而無人機遙感技術可以為林業工作提供防火預警。運用飛機巡護的模式對林區火情進行監測，采用計算機技術與實時視頻傳輸融合起來的方式，實現對森林防火監測任務設備的研制，通過飛機上搭載的滅火設備，實現及時滅火，無人機檢測面積廣，計算機反應速度快，這些都為林火的預警預報以及及時的遏制火勢起到有效幫助。

1 無人機林火監測系統的設計

在燃燒過程中煙與火往往是相伴而生的，在林火初期火勢較小處于“暗燃”狀態時，此時煙霧在色彩與空間范圍上都與“明火”時期大相徑庭，“明火”因其勢頭等原因很容易被傳感器檢測到，但是“暗火”相對難以檢測，但“暗火”發生時產生大量的煙氣現象尤為突出，煙的指示作用更加明顯，因此將“暗火”作為判斷煙霧識別是最理想的途徑。基于此，在設定可疑探測目標時，利用機載設備對煙霧的檢測實現對森林的巡護，也就是說將“煙霧”作為探測目標。從視覺探測角度來說，應從三個層次對目標進行確定，其中發現目標、進行目標種類的判識、判明目標特征，這三個方面是對一個目標的三個層次的探測，這三個層次分別對應三項林火探測目標，即發現可疑煙霧、判斷是否因為林火而產生的煙霧、對林火類型及發展事態進行判斷。為了降低森林火災損失，運用林火監測手段對森林進行巡護，采用無人機林火監測系統，并將系統的功能設計目標探測層次定位在“煙霧的產生判明是否林火所致”這一層次上（第二層次），可以自動檢測林區可疑煙霧目標，而地面人員通過機載設備傳回的火情位置進行實地確認，輔助人工則能夠確定是否有林火發生，采用人機交互模式確定林火位置和范圍以及發展態勢等相關信息[1]。

對于系統結構設計與技術路線。林火監測系統作為全新的高效、低成本作業工具，如何實現上述功能目標、實現系統運行的經濟性，擬采用計算機技術融合實時視頻傳輸，通過常規攝像頭捕捉視頻畫面，再利用計算機技術實時將視頻畫面發回地面站，通過圖像識別檢測甄別煙火，提供關于林火起火位置、火勢范圍等有效信息，并及時報警并將所有數據收藏存檔。無人機林火監測系統是由林火監測系統與無人機飛行平分構成，利用GPS 技術、數字傳輸技術、無線通信技術以及三軸姿態傳感器。無人機平臺系統與機載設備系統各自有獨立的空間，所以相互間互不干擾[2]，各自執行任務相互間不影響。

對于煙霧檢測技術方法。根據像素（每個煙霧區）的RGB 值進行分類，運用SPSS 軟件對每個煙霧區進行聚類分析，通過分析軟件（統計產品與服務解決方案），獲取具有顏色特征的煙霧識別模型，判定是否煙區以零作為界線，影像值的計算用計算機技術進行，如果運算結果在零界線以上則為煙區，以下則為非煙區。指揮中心觀察員按照系統檢測到的煙霧后，依據煙霧與地面的角度、濃度分布、煙柱形狀等信息判斷林火發生與否，對圖像中火點的位置及范圍進行確認。目前煙霧檢測技術很難做到計算機程序自動判識，主要是因為林火發生時煙霧變化復雜，必須借助人工日積月累的實踐經驗進一步確定。

2 無人機林火監測系統的實現

中國空氣動力研究中心提供的無人機平臺將通用靶機改造為機體，搭載攝像機和數碼相機作為森林火災探測傳感器。運用多光譜攝像機航拍，攝像機機頭與被監測區域的垂直度是依靠姿態傳感器作支持、在計算機系統控制的下得以保持，穩定云臺能夠控制數碼相機始終處于平穩狀態，保證攝像頭的穩定性，從而進行影像資料的采集，此時地面站則接收無人機作業飛行參數信息、機載視頻影像信息，在監視界面以高亮顯示作為報警提示，提醒地面人員及時做出反應[3]，主要是通過煙霧檢測模塊處理后實現林火確認。檢測到有煙霧的影像數據和信息會自動記錄儲存。飛行作業完畢，確保時間同步的前提下用數碼相機對這些影像資料進行處理，經過處理的影像資料質量更高，對后續林區開展改進檢測模型、損失估算以及明火識別評估提供更加高清晰度的影像資料。

對無人機監測站而言，無人機量產投入到森林火災監測后其運行方式和作業流程將會發生變化。各無人機監控站應根據使用需求和地面情況來制定有效的飛行周期，明確制定飛行時間和航線，并在整個巡邏季申請空域使用權。經航空管理部門批準后，無人機每次執行林火監測時只需要在起飛前經航空部門確認就可作業。無人機開展林火監測作業時一旦監測到目標，能自動控制在火情區域內上空繼續執行任務，直至判斷識別通過，以避免誤報。

3 應用及建議

對森林火情偵查、護林巡查、火場實時勘察是無人機林火監測的主要工作內容，在森林防火中應用無人機系統具有應急迅速、耐力強、實時巡邏能力強、圖像傳輸實時、功能多樣、機動靈活等特點，在人與車難以到達的區域無人機在上空將實地狀況及時反饋地面站，無人機具有機動性強、操作方便等優點，可以實時檢測更大林區的安全狀態，使林業部門能夠及時管理森林火源，護林巡查管理能力快速提升。無人機攜帶火情監測系統在空中巡查時按照預定的航線對監控基站附近的林區以垂直120方位、水平360 方位實施視頻監控圖像采集，并將獲取的影像信息資料傳輸給地面站，系統的智能化使其自動完成火情的識別、自動定位火情位置，對可疑火點、重點防護的區域，通過遙控指令改變飛行航線實施重點詳查。無人機除了應用于林火監測以外，在森林管理的其他方面也可以廣泛運用，例如，用溫濕度傳感器監測林區可疑火源，不僅可以從根本上了解森林生態氣候的變化規律，同時還接收林區的實時氣象數據，監測可燃物的收集情況。它可以監測林木的生長狀況和病蟲害的防治，也可以用于森林蓄積量的估測和林區生物資源的采集。

無人機為實現林火探測隨機攜帶多種光譜的攝像系統，檢測區域有專門規劃好的航線，無人機的起飛和降落需要彈射架和相對開闊的環境，對于無人機的操控，則需要專業人士操作，利用專門的圖像處理軟件對反饋的視頻圖像進行處理。由于無人機系統屬于新興技術，所以應建立相應的專業隊伍作保障，相應的搭建操作培訓場地，采取定期或不定期的形式開展人員培訓活動。

4 結語

目前低空空域管理改革試點剛起步，受管理、平臺穩定性等外在因素的制約，無人機檢測林火工作還未能大面積展開，而且到完全普及還需要很長一段時間，實施業務化的林火實時監測運用無人機系統還不現實。可以選樣林場進行試運行，就本研究的系統融合其他林火監測技術，快速探測林區是否存在安全隱患。同時對林火數據進行統計分析，可以為林火的預防提供前瞻性的數據支持，在確認災情發生、判斷識別災情類型上發揮其作用。