火情监测.docx

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1、环保方向：林火检测1 .背景与意义森林是人类社会极其重要的自然资源，是人类生存与开展的根底。保护好森林资源是人类自身开展的需要。森林是陆地上最为重要的生态系统，能够防止风沙、净化空气、气候条件、修养水源、保持水土、维持大气平衡，保护着地球的生态平衡，是国家及其重要的资源。世界各国都把保护森林提高到生存的高度。火灾会对森林造成严重的破坏，不但破坏森林资源，而且制约着林业的可持续开展。火灾在每一年都会给林业的生产带来巨大的损失，影响着保护和开展森林资源，同时造成火灾地区及周边地区环境的严重污染。我国是一个森林火灾多发的国家，每年火灾烧掉森林覆被率为8%0左右。而世界平均每年烧毁森林覆被率仅在1%。

2、从建国初期到1999年全国共发生森林火灾68.8万次，受害森林面积3855万公顷，烧死烧伤3.3万人，平均每年发生森林火灾1.43万次，平均受害森林面积82.2万公顷，年均森林受害率为0.0063,大约占世界每年森林火灾的次数的14%,年均森林火灾受害面积为世界的20%,1987年5月6日发生在大兴安岭林区的森林大火震惊中外，过火林地面积为114万公顷，烧毁了3个林业局所在的城镇，9个林场，211人丧生,5万人无家可归;2000年森林火灾受害面积为8.84万公顷;2001年全国森林火灾次数4933次，受害森林面积4.6万公顷；2002年2001年全国森林火灾次数7527次，受害森林面积4.8万

3、公顷，在2002年7月28日，内蒙古大兴安岭北部原始森林发生了“建国以来最为严重的因雷击而引发的夏季森林火灾”。为了扑灭这次森林火灾，中国投入了将近2万名森警官兵和林场职工。过火面积近两万公顷，造成了巨大的损失；2003年全国森林火灾次数10463次，受害森林面积45.1万公顷；2004年发生森林火灾次数13401起，受害森林面积14.27万公顷；2004年发生森林火灾次数11542起，受害森林面积7.37万公顷；2006年，1-8月，全国共发生森林火灾7002起，受害森林面积38.0万公顷，对环境生态的破坏那么难以用数字表达。由于形成森林火灾的原因非常复杂，所以森林火灾的监测工作难度很大。鉴

4、于目前我国森林防火的严峻形势，必须开发有效技术解决森林火灾的监测问题，做好森林火灾的平安防范工作并尽早发现火灾，把损失减到最低，切实保障人民群众的生命财产平安。基于上述原因，必须把森林自身特点与信息技术应用紧密结合起来，通过多技术协同、智能识别、多源数据融合等技术，解决基于视频的森林烟火电子守候与自动报警、监测跟踪定位与森林资源信息获取、视频监控区域的可视域最优化、灾害预测预报与蔓延估测模型等关键技术，才能使森林灾害视频监控工程取得更好效果，发挥更大效益。因此，此项研究意义十分重大。图1无人机林火监测示意图2 .无人机用于森林防火监测2.1 无人机用于林火监测的优势无人机平台作为一种新型航空平

5、台，具有快速、机动灵活，低本钱，使用方便，可以进入危险环境等特点。根据林火监测任务要求，无人机可对林区进行大面积、长时间、不间断的巡视，机载摄像机能够实时采集林火图像并传回地面站进行分析，借助机载GPS和目标定位方法还可精确记录火灾发生地点，非常适合林火监测作业。2.2无人机作业流程设计无人机平台林火监测系统设计的目标是：以无人机为平台，结合机载摄像机模块、无线传输模块和地面站处理系统，为林火监测提供一种全新的、低本钱、可长期运行的技术装备。根据实际情况和林火监测任务需求，设定无人机飞行航线和周期，申请飞行空域，执行飞行任务。无人机将拍摄的高分辨率视频图像经无线传输模块发回地面站，同时记录下视

6、频拍摄时的地理和摄像角度信息，通过实时分析，可以确定火灾的位置。如果地面站程序分析结果显示林区出现火灾隐患并发出火灾警告，有关部门可及时组织灭火。无人机作业流程详见下列图。图2无人机平台林火监测系统作业流程2.3无人机林火监测系统图2中描述了无人机平台林火监测系统的框架结构，无人机平台上配有摄像机(CCD或CMOS)无线传输模块和GPS等任务载荷，无人机与无人机地面站进行交互，摄像机拍摄的林火实时图像经无线传输模块传至地面站，或森林火灾监测信息中心。地面站或森林火灾监测信息中心实时执行林火图像检测任务，并将结果反响给无人机地面站，向无人机发出下一步运动指令。2.3.1无人机平台无人机可搭载相机

7、摄像机、多光谱相机以及热红外探测仪等中型设备，能够满足森林防火、人工降雨、火情监测和余火巡检等需求。机身可拆为两截，每个翼面均可单独拆卸，连接有专用的紧固件，从开箱到起飞只需要15-30分钟，因为使用的都是国标航空插头，所以反复插拔仍能保证使用平安可靠。在完全拆卸后可置于1.5m*0.6m*0.6m的专用三防（防水、防震、防尘）运输箱中，便于公路小汽车运输、航空托运、铁路托运等。除了机身采用高强度的复合材料外，无人机起落架采用弓形减震设计，静态情况下机身可承重50-7Okg重量，降落时可有效缓解无人机着落过程冲力；发动机内置，到达防尘防雨的同时，极大降低飞行起降风险，延长发动机使用寿命。传感

8、器可搭载在360三轴随动云台上实现控制传感器横滚、俯仰、及旋偏，控制精度旋偏改正功能，确保传感器精确指向及定位。云台系统主要由陀螺测姿组件、伺服补偿组件、三向轴承组件组成，整体采用坐式安装模式，相较于悬挂式云台，承载能力及抗震能力更强。对各种起降条件、作业环境均具有超强的适应能力，例如公路、草地、土路、甚至河床均能满足起降作业要求。在没有跑道或操控人员能力有限的情况下，可使用弹射架进行弹射起飞，满足应急需求。具有独立的伞降舱及开伞触发器，可通过地面人工发送开伞指令、或自动翻开降落伞、实现平安平稳降落。2.3.2林火监测设备无人机林火监测设备由空中和地面两局部组成，其详细结构参见图5o摄像头和数

9、码相机作为机载设备的火情探测传感器使用，数码相机通过支架直接与无人机机体进行固连，两者在飞行中姿态一致。摄像头那么通过两轴稳定云台与探测设备盒连接，在姿态传感器的支持下，机载计算机可以控制稳定云台使摄像头主光轴始终保持与地面的“垂直二在作业飞行中，地面站同时接收机载摄像头的视频影像和无人机的航向、经纬度、航高、俯仰角和侧滚角等参数信息，通过烟雾检测模块处理后就可以实时确定林区烟火的发生位置和范围，并在监视界面中高亮显示以提醒地面人员确认火情，及时做出反响。检测到有烟雾的影像会被自动以图片的形式记录下来，与影像同步的姿态、位置等数据也一并记录。飞行结束后，通过时间同步可以将这些资料用于数码相机影

10、像的处理，从而获得更高质量的影像资料，以便进一步开展林区明火识别、态势评估、损失估算和改良检测模型等方面的工作。图5无人机林火监测设备系统框图2.3.3地面软件开发无人机林火监测系统的软件包括无人机飞行测控和林火监测两局部。（I）飞行控制系统无人机采用的无人机控制系统包含：机载飞控、地面站、通讯设备。可以控制各种布局的无人驾驶飞机，使用简单方便，控制精度高，GPS导航自动飞行功能强，并且有各种任务接口，方便用户使用各种任务设备。起飞后即可立即关闭遥控器进入自动导航方式，在地面站上可以随意设置飞行路线和航点，支持飞行中实时修改飞行航点和更改飞行目标点。作为无人机的飞行控制核心设备，飞行控制系统的

11、主要任务是利用GPS等导航定位信号，并采集加速度计、陀螺等飞行器平台的动态信息，通过INS/GPS组合导航算法解算无人机在飞行中的俯仰、横滚、偏航、位置、速度、高度等信息，以及接收处理地面发射的测控信息、，用体积小巧的嵌入式中央处理器形成以机载控制计算机为核心的电子导航设备,对无人机进行数字化控制，根据所选轨道来设计舵面偏转规律，控制无人机按照预定的航迹飞行，使其具有自主智能超视距飞行的能力。图6飞行控制系统工作原理流程图1.自动驾驶仪无人机飞行控制系统稳定可靠；导航及定姿精度高；可扩展多种导航方式（GPS、北斗、G1.ONASS,INS惯性导航系统）。自动驾驶仪是飞控系统中安装在飞机上面的局

12、部，包括飞控板（盒）、通讯设备、RCGg控）接收机、电池组、GPS天线、通讯天线、空速管，数传电台等。图71）参数RSC3OO自动驾驶仪参数如表2所示。表2RSC300自动驾驶仪参数表工程参数重量飞控板（包含GPS接收板）26克飞控盒（包含飞控板，接n珀1185克尺寸飞控板1OOmmX4OmmX16mm飞控盒103mm50mm40mm电源主供电源电压20OmA7.2V,输入电压范围：4V到26V,主电源有电源监视主供电电流220OnIA舵机电源3组6.0V舵机电池；输入电压范围：4.8V至6V；有电源监视精度姿态测量精度2o,RMS姿态控制精度横滚2。、俯仰2。、旋偏5。导航控制精度（偏航距）

13、2m,无差分，直飞段，重复精度高度控制精度3m,直飞段，重复精度环境适应性工作温度-40C+55C储存温度-40oC+85oC湿度95%3%(+30)可控范围可控地速350ms可控空速200ms可控飞行高度20-6500m海拔高度）其它导航支持方式集成4Hz更新率GPS,可扩展北斗、G1.ONASS导航及组合导航输出舵机控制通道9路舵机更新频率50HZ2）功能RSC300自动驾驶仪高度集成、重量轻、功耗低、体积小、控制精度高、抗干扰能力强、可拓展多应用探查系统等特点。总体具备如下核心功能：自稳能力在各种气象条件及外界不可预测影响下，智能测算无人机的各项指标参数，自动控制无人机的飞行姿态的稳定，

14、确保无人机正常飞行；自航能力在保持无人机飞行稳定的前提下，采用各种导航手段，控制无人机按照预先设定的航迹飞行，执行相应航线任务；定时、定距相机拍照控制，并在无人机上保存拍照时的飞机遥测参数；系统通过INS（惯性导航仪）/GPS组合导航算法解算无人机飞行中的俯仰、横滚、偏航、位置、速度、高度等信息，可实现GPS信号丧失的情况下在原地旋转180S后自动开伞降落，也可按照原路线返航。状态监控与测控接口作为整个无人机系统的控制核心，飞行控制计算机系统实时监控无人机各模块状态，并通过高速接口与地面站实时进行指令和数据的交换。3）飞行控制模式RSC300具有以下五种飞行控制模式： RC（比例遥控模式）这种

15、模式与通常的遥控模式是一样的，遥控器直接控制每个对应的舵机。在起降和PID参数调整时最常使用。 RPV（指令遥控模式）遥控器1通道操纵杆的左右动作输出转弯速率或者转弯坡度的控制指令，控制飞机的转弯（注意不是直接控制舵机）。飞行的稳定操作由飞控自动完成。遥控器2通道（升降）控制飞机的飞行高度，推杆减小，拉杆增加。遥控器3通道（风门）控制飞机的飞行速度，往上增加，往下减小。以上各个控制量都是以平飞记录的中立舵量为零点，偏离零点产生的量转化为偏离命令值。在高度和速度的控制上，是在设置的飞行高度和速度（一般是当前值）的根底上再加上偏离命令值，产生新的控制高度和速度。在转弯的控制上，就是以产生的偏离命令

16、值（转弯速率或者坡度）作为飞机的转弯控制值。 UAV（航点导航模式）关闭遥控器或者操作地面站上的关闭接收机的操作会让飞机切换到预置航点GPS导航自动飞行模式。通过设置航点的一些属性，可以产生几种不同的导航方式。在飞机飞离起飞点，为了防止其它同频遥控器对飞控系统的干扰和操作，可以关闭遥控接收机。在关闭接收机的同时，飞机如果处于RC状态将自动切换到UAV模式。 CPV（计算机遥控模式）进入CPV控制模式之前，需要先设定好需要飞行的高度和速度。点击地面站上的UAV-CPV转换按钮切换到CPV模式。可以手工输入需要飞行的航向，也可以在按下“CPV航向”按钮后，在地图上点击，由飞机当前点和点击的点构成的

17、航向就立即成为飞机的设定航向，飞机将会立刻朝这个航向飞行。 CRPV（游戏杆遥控模式）进入CRPV控制模式前，需要先设定好需要飞行的高度和速度。连接好游戏杆之后，点菜单“CRPV”将会跳出CRPV飞行控制窗口。按下窗口中的UAV-CRPV转换按钮，切换飞行模式到CRPV。对于使用1200BPS低速电台，需要点“停止下传”按钮关闭飞机下行数据发射。勾选“控制有效”，此时游戏杆的操作将不断的发送给飞机。其中左摇杆直接控制摄像云台的俯仰和方位角度舵机，右摇杆控制飞机的目标转弯坡度。(2)林火监测系统无人机林火监测系统地面站的运行界面参见图5。林火监测软件系统的开发以面向矩阵的第4代交互式数据语言(i

18、nteractivedata1.anguage,IDD为工具，在WindOWS平台下完成。系统的功能构成主要包括：对目标影像进行自动烟雾检测的识别模型；对无人机飞行信息和影像数据进行保存记录的后台数据管理模块；对连续视频、火情影像和飞行参数等进行管理显示的图形显示模块等。此外，软件系统还包括了可视化的人机交互界面、背景地图管理和火场范围估算等根底构件。图5无人机林火监测系统地面站界面2.3.4无人机林火监测信息提取无人机配备彩色CCD任务载荷或红外探测任务载荷可在距地面800到2000米飞行高度对地面火场进行实时观察，将获取的图像数据实时传回地面。为地面消防部门第一时间提供火场地理坐标(经、纬

19、度)、火场面积、火场边界、火场蔓延趋势等火场态势情报，使消防部队迅速调配人员进行重点区域灭火工作，及时通知消防人员撤离危险地区，并根据火场图像资料为消防人员提供撤离路径。该套系统也可为一线消防队伍配备地面便携式图像接收设备。无人机获取的空中观察火场图像在机上通过播送方式向地而发送，一线消防部队可在火场的任何区域实时接收到态势图像和数据，进一步提高消防部队的消防效率。对已消灭明火的区域进行空中勘查，及时发现存在的暗火，有效地防止火灾复燃。依靠空中火情观察人员的肉眼无法观察到火场暗火的情况。在过火面积较大时，采用地面人员查找暗火方式，要使用大量人员且不利于人员平安。无人机配备红外探测任务设备，在过

20、火地区空中对地面进行红外探测，红外探测设备可穿透烟雾敏感到地表的温度情况，采用制冷红外探测任务设备可增加红外探测距离、提高敏感温度精度。空中无人机使用红外探测任务载荷可获取火场区域完整的地面温度分布状态图像，火场红外探测图像实时传回地面。可使消防指挥及时了解灭火效果，及时调配消防人员对隐患点或区域进行重点防范消灭暗火。通过安装彩色CCD任务载荷的无人机对过火地区的空中观测，可获取森林火灾损毁评估的实时图像，并可对重点区域获取更为详细的图像数据。（八）原始影像(b)信息提取后影像可以看出，无人机的应用重点解决在地面巡护无法顾及的偏远地区发生林火的早期发现以及对重大森林火灾现场的各种动态信息的准确

21、把握和及时了解，也可以解决飞机巡护无法夜航、烟雾造成能见度降低无法飞行等问题。作为现有林业监测手段的有力补充，无人机显示出其它手段无法比较的优越性，在林业火灾的监测、预防、扑救、灾后评估等方面必将得到广泛的应用。另外，无人机系统也可用于人工增雨，其以使用简便，机动性好，便于投放，又没有人员平安的风险等特点而见长，因此特别适合森林防火作业中的人工增雨。无人机共携带10枚增雨焰条，通过挂架挂载在机腹与起落架中间。飞行中点燃某枚焰条由地面遥控进行控制，并通过遥测信息显示焰条是否已点的状态。每次可同时根据情况同时点燃多根发烟管。根据有人机人工降雨作业投放碘化银数量与作业区域的关系，10枚增雨焰条的碘化

22、银含量即可满足100平方公里的人工降雨作业区域要求。当前我国的火情望、监测体系不健全，火场通信联络不畅，防火道网密度过低，森林航空消防覆盖面不广，机源紧缺，缺乏夜航和低能见度条件的飞行能力，远不能满足实际工作需要。而无人机具有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测，本钱低、机动灵活等特点，对气象的要求低，且没有机场、飞行员及飞机保养等费用的支出，使用维护本钱远远低于有人机。无人机作为当前林火监测手段的有力补充，能够在森林防火和森林消防等方面得到长足的开展。目前无人机在林业中的应用尚处于初始阶段，没有形成规模，随着无人机在林业不同领域应用的不断深入,将为我国林业特别是森林防火工作，促进林业经济开展作出积极的奉献。