王勇++鄒繼軍++田思

摘要：為保證林火監(jiān)測的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和滅火的快速機(jī)動性，提出一種用于森林防火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，研究將低照度CCD/紅外熱像儀的圖像融合技術(shù)和無人機(jī)集群滅火技術(shù)集成應(yīng)用到林火安防領(lǐng)域，能夠提升整個(gè)林火安防應(yīng)急水平，具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：森林防火；圖像融合；無人機(jī)；編隊(duì)飛行

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）11-0177-03

森林是人類生存和可持續(xù)發(fā)展的寶貴資源，森林火災(zāi)是危害森林資源的主要災(zāi)害。森林火災(zāi)形成因素多、突發(fā)性強(qiáng)，一旦蔓延，破壞性大，處置救助較為困難。目前，在林火監(jiān)測方面采用衛(wèi)星遙感圖像、飛機(jī)巡邏和視頻監(jiān)測、人工巡檢和瞭望塔方式等，存在著不能實(shí)現(xiàn)全天候、全時(shí)段監(jiān)測，成本過高、人為因素多等問題，以致誤報(bào)漏報(bào)頻繁發(fā)生。在國內(nèi)，對于林火安防方面的研究也多局限于獨(dú)立的關(guān)鍵技術(shù)，包括林火預(yù)警、林火識別、林火定位等[1]。因此，本文對森林防火系統(tǒng)的功能和技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行了分析，對林火安防領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，提出了一種應(yīng)用于林火安防系統(tǒng)的研究方案，促進(jìn)多技術(shù)集成在安防領(lǐng)域的實(shí)用化，提高防火、救災(zāi)的能力。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示為林火安防預(yù)警與應(yīng)急系統(tǒng)總體架構(gòu)。系統(tǒng)采用低照度CCD/紅外熱像儀作為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，將兩者采集的圖像融合提高監(jiān)測的有效性和精準(zhǔn)度；同時(shí)，結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)和GIS定位系統(tǒng)，利用多數(shù)據(jù)信息融合及無線數(shù)據(jù)鏈路，實(shí)現(xiàn)林火事件的準(zhǔn)確判定、林火的精確定位、火場信息的實(shí)時(shí)傳輸。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)將獲取的火情信息實(shí)時(shí)傳輸至控制中心后，控制中心利用林火監(jiān)測軟件對火情進(jìn)行分析處理，計(jì)算得出火點(diǎn)位置、輪廓、面積及所需滅火無人機(jī)數(shù)量、編隊(duì)信息等，并通過飛行測控系統(tǒng)發(fā)送起飛指令；無人機(jī)在飛行過程中將其地理數(shù)據(jù)及編隊(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，抵達(dá)火場時(shí)，將感知的風(fēng)速等數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)校正后發(fā)送投放滅火材料指令，最終及時(shí)撲滅林火。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在林火情況下，火焰產(chǎn)生的煙霧很大，因此開展非制冷紅外探測器理論研究，探討和分析影響紅外探測器的響應(yīng)率的各種因素，設(shè)計(jì)具有數(shù)字視頻接口的低功耗熱像儀組件，可有效發(fā)現(xiàn)真正的著火點(diǎn)，以及火災(zāi)的蔓延趨勢，同時(shí)將其與低照度CCD信號相結(jié)合，開展同視場平行光軸前端光學(xué)系統(tǒng)理論研究，設(shè)計(jì)融合成像系統(tǒng)前端，可為后面的圖像配準(zhǔn)、圖像融合提供高清晰、高畫質(zhì)的圖像。在此基礎(chǔ)上探索適合硬件實(shí)現(xiàn)的低照度CCD/紅外圖像融合方法并設(shè)計(jì)低照度CCD/紅外圖像融合監(jiān)測系統(tǒng)電路。設(shè)計(jì)相應(yīng)監(jiān)測軟件系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)林火信息的準(zhǔn)確判斷與定位。利用有線、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)布局監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，使監(jiān)測范圍由點(diǎn)擴(kuò)大到面，如圖2是監(jiān)測系統(tǒng)圖像處理單元所示。

2.2 無人機(jī)集群滅火設(shè)計(jì)方案

無人機(jī)具備起飛時(shí)間短、速度快、效率高、垂直起降及不受高度限制等特點(diǎn)，在地形復(fù)雜的林區(qū)，較傳統(tǒng)人工滅火有較大優(yōu)勢。本文進(jìn)行無人機(jī)集群滅火方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于無人機(jī)編隊(duì)通信與定位。首先通過對無人機(jī)各部分所要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析，選取符合無人機(jī)系統(tǒng)要求的部件，完成無人機(jī)控制電路、定位與時(shí)間同步電路和無線通信電路的硬件設(shè)計(jì)，包括各部分的具體實(shí)現(xiàn)電路和功能模塊之間的連接，并制作無人機(jī)系統(tǒng)的PCB板。然后進(jìn)行無人機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括時(shí)間同步、定位以及控制無線通信模塊的無線收發(fā)程序。改進(jìn)時(shí)隙ALOHA算法，避免編隊(duì)通訊時(shí)信道競爭以適合無人機(jī)系統(tǒng)，保證各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息在其專有時(shí)隙進(jìn)行及時(shí)、可靠的信息收發(fā)，解決傳輸延遲導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸率下降和數(shù)據(jù)之間的碰撞問題，同時(shí)將GPS應(yīng)用到整個(gè)系統(tǒng)中，并通過多次測試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步和節(jié)點(diǎn)定位，最后通過軟硬結(jié)合對整體系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與無人機(jī)系統(tǒng)融合，在監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)火情后，無人機(jī)集群攜滅火材料編隊(duì)飛行到目的地進(jìn)行滅火，控制系統(tǒng)功能框見圖3。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1 林火監(jiān)測技術(shù)

野外森林基礎(chǔ)設(shè)施相對較差，監(jiān)測面積廣，本文提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用低照度CCD/紅外圖像融合技術(shù)，森林防火監(jiān)測系統(tǒng)如圖4所示，用以解決全天候野外監(jiān)測的難題，其中林火的精確定位是關(guān)鍵，主要包括以下內(nèi)容：

（1）源圖像有效像素的增強(qiáng)和提取算法

國內(nèi)外圖像有效像素的增強(qiáng)和提取算法很多，能應(yīng)用于低照度CCD/紅外的實(shí)時(shí)融合系統(tǒng)的很少，有的計(jì)算量大，有的增強(qiáng)效果不明顯。通過對各圖像特性進(jìn)行研究，找出合適的增強(qiáng)和提取算法，使得融合時(shí)保留的圖像特征數(shù)據(jù)能達(dá)到優(yōu)勢特征互補(bǔ)并增加融合后圖像信息容量的目的。

（2）源圖像的配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)是對來自同一場景的兩幅或多幅圖像，匹配其中對應(yīng)于相同物理位置的像素點(diǎn)，這些圖像可能來自不同時(shí)間、或不同視點(diǎn)位置、或不同的傳感器[2]。目前發(fā)展了大量圖像配準(zhǔn)的技術(shù)與方法，有一定的適用范圍，但通用性比較差，為滿足實(shí)時(shí)圖像融合的需求，需要一種適用于實(shí)時(shí)圖像融合的配準(zhǔn)方法。

（3）圖像融合算法

要得到滿意的融合效果，需要將不同空間分辨率的圖像精確地進(jìn)行配準(zhǔn)，而對于融合方法的選擇，則取決于被融合圖像的特性以及融合的目的[3]?，F(xiàn)有的融合算法比較多，其中處理速度慢、運(yùn)算量大的算法通常融合效果比較好，而偏于簡單的算法往往達(dá)不到預(yù)期的融合效果，為將兩者優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)有的實(shí)時(shí)圖像融合系統(tǒng)硬件上實(shí)現(xiàn)，需要對算法改良。

（4）電子穩(wěn)像與灰度位平面的安防事件判斷算法

通過TRIZ理論對“錯(cuò)穩(wěn)”現(xiàn)象的分析，將問題轉(zhuǎn)化為圖像內(nèi)容的分割除去問題，應(yīng)用到電子穩(wěn)像算法中，可以有效地去除圖像中的運(yùn)動物體，從而使改進(jìn)后的算法準(zhǔn)確無誤的進(jìn)行圖像處理。

TRIZ理論將功能定義為：

在結(jié)合HSI顏色模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分類下，運(yùn)用灰度重新賦值方法將圖像中森林與其他環(huán)境分離，提高灰度投影穩(wěn)像算法在處理林區(qū)圖像時(shí)的計(jì)算準(zhǔn)確性。

（5）林火識別算法

對電子穩(wěn)像算法所得到的灰度圖像進(jìn)行灰度二進(jìn)制化，形成灰度位平面，不同灰度位平面所展現(xiàn)的細(xì)節(jié)內(nèi)容也不盡相同。再利用均值濾波將各圖像平滑處理，使低位平面信息弱化，即設(shè)定圖像函數(shù)為經(jīng)此計(jì)算，有效弱化低位平面信息，保證高位信息的準(zhǔn)確性，然后根據(jù)煙霧在不同位平面中所反映的信息設(shè)計(jì)出可靠的識別算法。

（6） 基于數(shù)字高程模型進(jìn)行林火定位算法

森林火災(zāi)定位主要采用數(shù)字高程模型的方法，使用該方法能得到林火的最精確定位[4]。基于該方法，以數(shù)字視頻監(jiān)測系統(tǒng)為平臺，提出一種利用攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)和空間分析中可視域分析對林火進(jìn)行自動定位的方法，最后結(jié)合ArcGIS Engine通視性分析中的相關(guān)方法，可實(shí)現(xiàn)對單目攝像機(jī)單幅圖像上任意位置火點(diǎn)的自動定位[5]。再進(jìn)一步借助TRIZ理論的系統(tǒng)進(jìn)化法則，將單雙目視覺系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合，提出一種基于移動單目視覺林火定位方法，有效降低林業(yè)智能化建設(shè)成本，同時(shí)與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)GIS定位相結(jié)合，則能更精確的實(shí)現(xiàn)林火自動定位。

（7）監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)一套穩(wěn)定可靠的低照度CCD/紅外熱像儀的光學(xué)系統(tǒng)。采用DSP處理器和FPGA器件設(shè)計(jì)出一套可靠的視頻監(jiān)測硬件系統(tǒng)以及相應(yīng)的驅(qū)動電路、前置放大電路、接口電路，并使設(shè)計(jì)小型化、低功耗。

軟件的設(shè)計(jì)：根據(jù)圖像處理算法設(shè)計(jì)出適合FPGA的軟件或適合DSP的軟件，與硬件結(jié)合完成監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，優(yōu)化提升軟件運(yùn)行速度。

3.2 無人機(jī)集群滅火技術(shù)

在對林火進(jìn)行精確定位之后，采用無人機(jī)集群滅火方式進(jìn)行應(yīng)急處理，而無人機(jī)編隊(duì)飛行過程中的精確定位與之間的通信問題是關(guān)鍵，主要包括：

（1）無人機(jī)編隊(duì)通信與定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無人機(jī)編隊(duì)通信自組網(wǎng)是一種由無人機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)，具有動態(tài)拓?fù)浼坝邢迬挼忍卣?。由于無線自組網(wǎng)具有自組織性，無基礎(chǔ)設(shè)施，組網(wǎng)方式靈活，無中心節(jié)點(diǎn)和抗毀特點(diǎn)[6]，利用這種組網(wǎng)方式通信，能夠極大的提高無人機(jī)之間的通信能力。但是正因?yàn)槠錈o中心節(jié)點(diǎn)，且節(jié)點(diǎn)有移動性這些特點(diǎn)，導(dǎo)致了它的數(shù)據(jù)碰撞率高，信道利用率低，性能低下。因此，在完成整個(gè)系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)后，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的工作原理，對采用的硬件電路進(jìn)行選擇、分析和比較，確定本系統(tǒng)的電路器件。

（2）無人機(jī)編隊(duì)通信與定位系統(tǒng)防碰撞算法

無人機(jī)編隊(duì)自組網(wǎng)的工作環(huán)境及其工作模式與Ad Hoc類似，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將以Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)體系為基礎(chǔ)來構(gòu)建無人機(jī)編隊(duì)自組網(wǎng)，針對無人機(jī)編隊(duì)自組網(wǎng)的特有屬性及其相關(guān)技術(shù)，對防碰撞算法進(jìn)行分析和探討，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)算法，設(shè)計(jì)適合本系統(tǒng)的防碰撞算法。

（3）無人機(jī)編隊(duì)通信與定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無人機(jī)編隊(duì)通信系統(tǒng)包括時(shí)間和經(jīng)緯度信息的讀取及無線傳輸，整個(gè)系統(tǒng)通過硬件設(shè)備讀取 GPS 傳遞回來的時(shí)間和經(jīng)緯度信息，再從這些信息中選取出有用信息，由各自的無線傳輸模塊進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)各個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的通信。

（4）進(jìn)行無人機(jī)攜帶與噴灑滅火材料的設(shè)計(jì)，改進(jìn)無人機(jī)硬件系統(tǒng)

擬設(shè)計(jì)改進(jìn)的無人機(jī)硬件系統(tǒng)將主要由飛行控制、GPS定位、無線通信和滅火裝置控制4大模塊構(gòu)成，如圖5所示，MCU為主控芯片，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。飛行控制模塊控制無人機(jī)飛行速度、姿態(tài)、高度等參數(shù)，保證無人機(jī)安全正確的飛行方式；GPS模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，使網(wǎng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)（無人機(jī)）時(shí)間同步，并實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位；無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)各個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的無線通信。在火災(zāi)現(xiàn)場， MCU從地面監(jiān)控中心獲得指令控制滅火噴灑模塊采取動作，進(jìn)行噴灑滅火作業(yè)。

4 系統(tǒng)的調(diào)試與運(yùn)行

系統(tǒng)在試運(yùn)行階段將設(shè)計(jì)低照度CCD/紅外熱像儀均可見的標(biāo)靶，通過標(biāo)靶來確定監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的自適應(yīng)配準(zhǔn)，對低照度CCD/紅外熱像儀的光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)性能進(jìn)行測試，進(jìn)行雙系統(tǒng)交叉標(biāo)定。同時(shí)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無人機(jī)控制系統(tǒng)，與監(jiān)測系統(tǒng)形成完整的安防系統(tǒng)，并對安防系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際環(huán)境試驗(yàn)，驗(yàn)證安防系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，以檢驗(yàn)安防系統(tǒng)對溫度、震動、沖擊等條件的適應(yīng)性。

5 結(jié)論和展望

該系統(tǒng)將低照度CCD/紅外的圖像融合技術(shù)、無人機(jī)集群滅火技術(shù)應(yīng)用到林火安防領(lǐng)域，促進(jìn)多數(shù)據(jù)融合在安防領(lǐng)域的實(shí)用化，對GIS下林火的立體定位技術(shù)、無人機(jī)編隊(duì)通訊技術(shù)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，大量無人機(jī)集群滅火技術(shù)可以一次投放更多的滅火材料，避免火情蔓延，使損失最小化。完成后，可以投入林區(qū)應(yīng)用，將產(chǎn)生較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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