-
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，
是人类生存与发展的基础。
保护好森
林资源是人类自身发展的需要。
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、涵养水源、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发
展。
火灾在每一年都会给林业的生产带来巨大的损失，
影响着保护和发展森
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
‰左右。而世界平均每年烧毁森林覆被率仅
在
1
‰。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<
/p>
3
个林业局
所在的城镇，
9
个林场，
211
人丧生，<
/p>
5
万人无家可归；
2000
年森林火灾受害面
积为
8.84
< br>万公顷；
2001
年全国森林火灾次数
< br>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
万公顷，在
< br>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
14.2
7
万公顷；
2004
年发生森林火灾次
数
11542
起，受害森林面积
7.3
7
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
破坏则难以用数字表达。
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
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
火灾的安全防范工作并尽早发现火灾，
把损失减到最低，
切实保
障人民
群众的生命财产安全。
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台，具有快速、机动灵活，低成本，使用方
便，
< br>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、低成本、
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。
< br>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，
< br>同时记录下视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图。<
/p>
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<
/p>
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，<
/p>
并
将结果反馈给无人机地面站，向无人机发出下一步运动指令。<
/p>
2.3.1
无人机平台
无人机可搭载相机、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
用安全可靠。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
50-70kg
重量，降落时可有效缓解无人机着落过程冲
力；
发动机内置，达到防尘防雨的同时，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。
?
< br>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
打开降落伞、实现安全平稳
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部分组成，
其详细结构参见图
5
。
摄像
头和数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。摄像头则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”
。
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，
及时做出反应。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，
<
/p>
通过时间同步
可以将这些资料用于数码相机影像的处理，
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、
损失估算和改进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部分。
（
1
）
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，<
/p>
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，飞行控制系统的主要任务是利用
< br>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、
GLONASS
，
< br>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部分，包括飞控板（盒）
、通讯
设备、
RC(
遥控
)
接收机、电池组、
GPS
天线、通讯天线、空速管，数传电台等。
图
7
1)
参数
RSC300
< br>自动驾驶仪参数如表
2
所示。
表
2
RSC300
自动驾驶仪参数表