北方民族大學電氣信息工程學院 魏 鑫

基于嵌入式的無人機航拍監(jiān)測秸稈焚燒系統(tǒng)研究

北方民族大學電氣信息工程學院 魏 鑫

秸稈焚燒危害巨大，不僅產(chǎn)生大量有害氣體危害人類健康，而且大范圍的秸稈焚燒極易導致霧霾的產(chǎn)生。傳統(tǒng)的秸稈焚燒監(jiān)測主要采用遙感衛(wèi)星進行大范圍的監(jiān)控，但遙感衛(wèi)星存在過境時間短、監(jiān)測次數(shù)有限等缺陷，而且對焚燒火點的監(jiān)測不夠準確。針對這一現(xiàn)狀，提出了一種基于嵌入式的無人機航拍監(jiān)測秸稈焚燒系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方案，精確度高、操作簡捷且成本較低，具有一定的科研和應用價值。

秸稈焚燒；嵌入式；無人機航拍；監(jiān)測

0 引言

雖然我國早已于1999年頒布《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》[1]來遏制秸稈焚燒，但是農(nóng)村地區(qū)秸稈焚燒形勢依然不容樂觀。露天秸稈焚燒危害巨大，首先它會產(chǎn)生大量的二氧化硫、二氧化氮和可吸入顆粒物[2]，危害人體健康，造成嚴重大氣污染，同時也是霧霾的誘因之一。其次，秸稈焚燒形成的煙霧會造成空氣能見度下降，引發(fā)交通事故[3]。再次，秸稈焚燒容易引燃周圍易燃物，引發(fā)麥田或山林大火，導致火災。最后秸稈焚燒會將大量地表中的微生物燒死，破壞土壤結(jié)構(gòu)，造成農(nóng)田質(zhì)量下降[4]。

目前，我國對秸稈焚燒的監(jiān)控主要利用遙感衛(wèi)星。遙感衛(wèi)星在大范圍（比如省或者國家）層面上進行秸稈焚燒監(jiān)測成效顯著，但是在小范圍（縣或者市）內(nèi)存在衛(wèi)星過境時間較短、監(jiān)測次數(shù)較少以及對焚燒火點的監(jiān)測誤差較大等缺陷?；诖?，廣大農(nóng)村地區(qū)還在實行“干部包村”的形式來防控秸稈焚燒。干部組織工作人員或者村民，對村里的重點區(qū)域進行全天候或不定期的巡查，這種辦法無疑是有效的，但是行政成本太高且效率低下。鑒于上述情況，提出了一種基于嵌入式的無人機航拍監(jiān)測秸稈焚燒系統(tǒng)，并對其進行了研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方案，整個系統(tǒng)主要有無人機部分、地面操作站部分和調(diào)度中心部分三大部分組成。無人機部分主要完成對指定區(qū)域秸稈焚燒的監(jiān)測和巡航，采集到秸稈焚燒圖像，并將拍攝圖像和焚燒火點的位置信息發(fā)送至地面操作站。地面操作站部分作為無人機部分和調(diào)度中心部分的中轉(zhuǎn)平臺，主要完成對無人機發(fā)送控制命令，實時接收無人機傳來的秸稈焚燒圖像和拍攝位置信息，并將該信息通過互聯(lián)網(wǎng)上傳給調(diào)度中心部分。調(diào)度中心部分是整個區(qū)域（縣或鎮(zhèn)）的信息和人員調(diào)度中心，在接收到地面操作站傳來的圖像和位置信息后，將秸稈焚燒圖像通過圖像去霧增強裝置進行實時圖像去霧，確定是秸稈焚燒后，呼叫離拍攝位置最近的地面操作站執(zhí)法人員到指定位置進行核驗。

2 無人機部分

本系統(tǒng)的無人機選用價格相對低廉、技術(shù)相對成熟的四翼飛行器，四翼飛行器上搭載了一個嵌入式智能拍照平臺。該嵌入式智能拍照平臺主要由微控制器、攝像頭模塊、存儲器模塊、有害氣體傳感器模塊、衛(wèi)星定位模塊、慣性測量模塊和無線信號收發(fā)器組成。當四翼飛行器在設(shè)定航線巡航過程中，有害氣體傳感器模塊檢測到某位置或區(qū)域的硫化物和氮化物氣體嚴重超標時，微控制器控制攝像頭開啟進行拍照，并將照片保存至存儲器。同時衛(wèi)星定位模塊將該拍攝位置的位置信息保存至存儲器，慣性測量模塊將攝像頭拍攝的姿態(tài)角（航向角、俯仰角、橫滾角）也保存至存儲器。微控制器將存儲器中的照片、位置及拍攝姿態(tài)角信息通過無線信號收發(fā)器發(fā)送給地面操作站。

3 地面操作站部分

地面操作站部分是系統(tǒng)不可或缺的一環(huán)，在整個系統(tǒng)中起著中轉(zhuǎn)站的作用。目前，無人機雖然迎來了大發(fā)展，但是其續(xù)航能力還是較差，普通無人機大約續(xù)航1至2小時，地面操作站的設(shè)立為無人機電源充電提供了便利。同時，地面操作站的建立解決了航拍圖像遠程傳輸?shù)碾y題，無人機航拍測得圖像只需通過無線信號收發(fā)器傳至相應的地面操作站，然后地面操作站再通過Internet上傳至調(diào)度中心。由于受天氣的影響，攝像頭的位置在航拍過程中可能會發(fā)生挪動，地面操作站的工作人員能夠發(fā)送控制命令調(diào)整攝像頭拍攝的姿態(tài)角。當調(diào)度中心認定某位置可能正在進行秸稈焚燒時，會呼叫該位置最近的地面操作站執(zhí)法人員到指定位置進行核驗，確定是否是秸稈焚燒，從而大大提高了秸稈焚燒的監(jiān)測和執(zhí)法效率。

4 調(diào)度中心部分

調(diào)度中心部分作為區(qū)域（縣或鎮(zhèn)）內(nèi)秸稈焚燒的監(jiān)測與人員調(diào)度的中心，能夠通過Internet接收該區(qū)域內(nèi)多個地面操作站上傳來的秸稈焚燒圖像和拍攝位置信息，并將上傳來的圖像通過一個圖像去霧裝置進行實時處理，然后再將處理后的圖像及拍攝位置信息存儲到大數(shù)據(jù)與云計算平臺中，工作人員觀察處理后的圖像認定是秸稈焚燒的話，呼叫距離拍攝位置最近的地面操作站執(zhí)法人員到指定位置地點進行現(xiàn)場確認。如果查證是秸稈焚燒，就按照相應法律進行處罰。上述圖像去霧裝置，是一個將航拍圖像增強算法移植到FPGA開發(fā)平臺上的裝置，而該航拍圖像增強算法是在暗通道先驗算法基礎(chǔ)上，通過自適應選擇修正系數(shù)來改善其處理白色高亮圖像引起的灰度和色彩失真問題，而后采用自適應直方圖均衡化處理，提高圖像的顯示質(zhì)量。調(diào)度中心的大數(shù)據(jù)與云計算平臺可以統(tǒng)計出該區(qū)域那些地點是秸稈焚燒高發(fā)區(qū)，方便工作人員對這些區(qū)域進行重點監(jiān)控。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于嵌入式的無人機航拍監(jiān)測秸稈焚燒系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進行了詳細論述和深入研究。該系統(tǒng)可以與遙感衛(wèi)星監(jiān)測秸稈焚燒的方法互相配合、互相補充。使用遙感衛(wèi)星手段可以監(jiān)控大范圍（省或者國家）的秸稈焚燒情況，利用基于嵌入式的無人機航拍監(jiān)測秸稈焚燒系統(tǒng)可以實現(xiàn)對局部區(qū)域（市、縣或鎮(zhèn)）的秸稈焚燒監(jiān)測。而且該系統(tǒng)成本較低、操作便捷、可靠性高，具有一定的科研和推廣價值。

[1]段雯娟．“焚燒令”的尷尬:十六年屢禁不止[J]．地球,2015(12): 19-21．

[2]滕道明．秸稈禁燒的困惑和出路[J]．河南農(nóng)業(yè),2015(21):21-23．

[3]秦軍衛(wèi)．融秸稈還田于農(nóng)業(yè)機械化探安徽省秸稈禁燒之可行性[J]．農(nóng)業(yè)機械,2013(4):114-116．

[4]解愛華,付榮?。斩挿贌龑r(nóng)田土壤動物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]．山東農(nóng)業(yè)科學,2006(3):56-57．

魏鑫（1992—），男，河北邢臺人，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計和FPGA系統(tǒng)設(shè)計。

注：北方民族大學研究生創(chuàng)新項目（YCX1676）。