CN111243215B - 一种森林火场低空无人机监测预警系统及方法 - Google Patents

一种森林火场低空无人机监测预警系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种森林火场低空无人机监测预警系统及方法，方法包括：获取火场图像，根据主风向建立坐标系，根据坐标轴布设无人机，定期获取火场整体图像并更新各无人机位置，根据近远场无人机获取的风速风向数据，及时向现场扑救人员发出预警。系统包括：若干近场无人机、若干远场无人机、主视无人机、数据中心、若干终端，本发明能够实时监测火场附近风向及风速变化，从而能够及时向火场附近人员发出精确预警提示；同时能够根据火场蔓延状况调整各无人机的布设位置，实时性强，准确度高。

Description

一种森林火场低空无人机监测预警系统及方法
技术领域
本发明属于森林防火技术领域，涉及一种森林火场低空无人机监测预警系统及方法。
背景技术
森林物种丰富，结构复杂，功能多样，因此森林火灾一旦发生，火情发展迅猛，变化多样，此外，气象条件对火情发展具有重要影响。当今的森林火灾的监测与预防通常是通过在火灾易发、高发区域布设传感器等措施，并结合护林员的巡逻和瞭望进行预防，但这只适用于火灾发生前的预防阶段，一旦火情开始蔓延，静态的传感器则无法适应动态监控的需要。
业内有方案通过卫星对森林火场进行监控，随着通信就的发展，卫星数据逐渐能够做到实时传输，但火场瞬息万变，仅凭卫星图像无法对火场的发展态势进行预测，而如果能够预测火场的发展趋势，则能够针对性地进行火情处理和临近地区的火灾预防，能够挽回更多的损失。目前也有一些火场预测方式，多是通过地形进行预测，但在实际应用中，我们发现这样预测的误差极大。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种森林火场低空无人机监测预警系统及方法，通过在火场边缘低空布设若干无人机，通过无人机上的气象传感器对风向风速进行实时监测，并实现精确及时的预警。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种森林火场低空无人机监测预警方法，包括如下步骤：
步骤1，获取火场图像
采用高空拍摄手段获取火场的完整图像，根据获取的图像，采用边缘检测算法获取火场图像边缘。
步骤2，根据主风向建立坐标系
得到火场主风向，取主风向上的火场边缘最左侧点A，建立x轴，x轴过A点且与主风向平行，取x轴与火场边缘两交点之间的中点为原点O，过原点建立y轴；
步骤3，根据坐标轴布设无人机
取坐标轴与火场边缘各交点，沿坐标轴在每个交点处远离火场方向距离n和m处分别设置近场和远场无人机，无人机上均搭载有风速风向传感器；
在火场上方设置主视无人机，用于实时获取火场整体边缘；
步骤4，确定火场边缘外侧各无人机布点位置的风向与主风向夹角；
远场无人机和近场无人机分别采集所在位置的风速和风向，计算各无人机布点位置的风向与主风向夹角；
步骤5，计算主风向上的风速大小；
Figure BDA0002375850390000021
其中：
Figure BDA0002375850390000022
表示主风向上的风速大小，单位：米/秒；i表示近场无人机编号，i＝1,2,3,…I；j表示远场无人机编号，j＝1,2,3,…J；vi、vj分别为近场和远场无人机所测风速大小，单位：米/秒；θi、θj分别表示近场和远场无人机所测风向与主风向的夹角；ω1、ω2分别表示近场和远场无人机的风速系数；
步骤6，定期获取火场整体图像并更新各无人机位置
通过主视无人机定期获得火场整体图像，并重新执行步骤2-3，更新近远场无人机和主视无人机的位置。
进一步的，还包括步骤7，根据火场图像整体移动以及火场边缘风速风向变化，向现场扑救人员发送预警信息。
进一步的，所述步骤1中，火场的完整图像利用卫星图像获取，或采用设置在火场上方高处的无人机拍摄。
进一步的，所述步骤2中，A点的获取方法为：沿主风向画与主风向平行的若干条直线，这些直线与火场边缘产生交点，取最左侧交点为点A。
进一步的，所述步骤3中，位于主风向上且处于下风口的近远场无人机的距离n和m分别乘以一个大于1的系数。
进一步的，所述步骤3中，在坐标轴上过原点做切割线，切割线与火场边缘均形成两个交点，沿切割线在每个交点处远离火场方向距离n和m处分别设置近场和远场无人机，无人机上均搭载有风速风向传感器。
进一步的，所述步骤5中，ω1+ω2＝1。
进一步的，近远场和主视无人机上均设置温度传感器，温度传感器获取无人机处的温度并传输至无人机控制器中，当温度超过预先设定的阈值上限时，令无人机升高。
本发明还提供了一种森林火场低空无人机监测预警系统，包括若干近场无人机、若干远场无人机、主视无人机、数据中心、若干由现场扑救人员配备的终端，近远场无人机上均搭载有风速风向传感器，传感器获取的数据发送至数据中心和终端，主视无人机上搭载有摄像设备，获取的图像数据传输至数据中心；数据中心用于获取各无人机发送来的数据、进行计算分析后控制无人机，并与终端进行通讯；数据中心包括：
图像获取模块，用于获取火场图像；
坐标系建立模块，用于根据主风向建立坐标系；
无人机控制模块，用于根据坐标轴布设无人机；
计算模块，用于计算主风向上的风速大小；
更新模块，用于定期获取火场整体图像并更新各无人机位置；
预警模块，用于根据近远场无人机获取的风速风向数据，及时向现场扑救人员发送数据及发出预警。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明能够实时监测火场附近风向及风速变化，从而能够及时向火场附近人员发出精确预警提示；同时能够根据火场蔓延状况调整各无人机的布设位置，实时性强，准确度高。
附图说明
图1为本发明方法中建立的坐标系示意图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。另外，本发明步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
通过长时间的监测和实验发现，相同或相似的森林地形，由于气象条件的不同，火情的发展状况具有很大差异。但如果采用气象站获取的气象监测数据来进行火情预测，却往往无法取得令人满意的效果，究其原因在于气象站获取的数据覆盖面积较广，且有滞后性，并非火场位置的实时数据。此外，由于火场燃烧造成的风向变化和气旋较为复杂，光靠一个广泛区域的气象数据无法较为全面地反应火场风向和风速情况，更无法得到更为精确的结果。
基于此，本发明提供了一种森林火场低空无人机监测预警方法，包括如下步骤：
步骤1，获取火场图像
采用高空拍摄手段获取火场的完整图像，可利用卫星图像，或采用设置在火场上方高处的无人机拍摄。根据获取的图像，采用边缘检测算法获取火场图像边缘。
步骤2，根据主风向建立坐标系
得到火场主风向，初期主风向可以采用气象站测得的风向，也可在火情现场附近采用气象传感器测得主风向。取主风向上的火场边缘最左侧点A，建立x轴，x轴过A点且与主风向平行。A点的获取方法为，沿主风向画与主风向平行的若干条直线，直线应密集均匀。这些直线与火场边缘产生交点，取最左侧交点为点A。取x轴与火场边缘两交点之间的中点为原点O，过原点建立y轴。x轴与火场边缘交点分别为A、B，y轴与火场边缘交点分别为C、D。
由于火场风向变化快速复杂，为了提高精确度，除首次建立坐标轴外，其余时候的主风向优选通过风向监测无人机确定。风向监测无人机应距离火场一段距离。可在x轴、y轴两侧分别距离火场边缘较远距离处设置风向监测无人机，共计四台，计算它们的均值来确定主风向。
步骤3，根据坐标轴布设无人机
如图1所示，取坐标轴与火场边缘左侧交点A，在A左方距离n处空中布设近场无人机，在A左方距离m处空中布设远场无人机。同样地，在B右方距离n处空中布设近场无人机，在A左方距离m处空中布设远场无人机。在C下方距离n处空中布设近场无人机，在C下方距离m处空中布设远场无人机。在D上方距离n处空中布设近场无人机，在D上方距离m处空中布设远场无人机。由此，在火场边缘布设8架无人机。本例中n取30米，m取50米。无人机高度根据森林林木总体高度设置，例如20-30m。
无人机上均搭载有风速风向传感器，能够实时监测风速和风向变化，根据近场风速能够获得火场边缘风速大小，从而能够判断火场边缘蔓延速度，结合近场风向能够判断火场蔓延方向。还能够进一步根据近场远场的风向风速预估火场边缘风向风速变化。近远场无人机上还可搭载更多气象传感器，以便进行更为精细的预警和判断。
为了进一步提高安全性，位于主风向上且处于下风口的无人机应设置得离火场边缘更远一些，可在距离n和m上分别乘以一个大于1的系数。
在火场上方设置主视无人机，用于实时获取火场整体边缘(可先获取火场整体图像，再根据边缘提取算法获得)。主视无人机优选设置在原点O上方，应设置在高处，如100m高度。因火场上方气流复杂且不稳定，顶部无人机上不设置风向风速传感器。
作为改进，还可以在坐标轴上过原点做切割线，例如图中两条切割线分别与x轴呈45度夹角，它们与火场边缘均形成两个交点，沿切割线在每个交点处远离火场方向距离n和m处分别设置近场和远场无人机，无人机上均搭载有风速风向传感器，进一步提高边缘近远场无人机的密集度，从而提供更多气象预警。图中切割线数量夹角仅为示例，可以根据需要设置切割线数量，并调整它们与x，y轴的夹角。
作为改进，近远场和主视无人机上均应设置温度传感器，该温度传感器可获得无人机位置处的实时温度，温度传感器获取无人机处的温度并传输至无人机控制器中，当温度超过预先设定的阈值上限时，令无人机升高一段距离直至温度低于阈值上限，以防止因高温导致无人机损坏，提高安全性。
步骤4，确定火场边缘外侧各无人机布点位置的风向与主风向夹角；
远场无人机和近场无人机分别采集所在位置的风速和风向，这些数据传输至数据中心(可设置在远端，也可设置在火场附近)，数据中心分别计算各无人机布点位置的风向与主风向夹角；
步骤5，计算主风向上的风速大小；
Figure BDA0002375850390000051
其中：
Figure BDA0002375850390000052
表示主风向上的风速大小，单位：米/秒；i表示距离火场边缘外侧n的近场无人机编号，i＝1,2,3,…I；j表示距离火场边缘外侧m的远场无人机编号，j＝1,2,3,…J；vi、vj分别为近场和远场无人机所测风速大小，单位：米/秒；θi、θj分别表示近场和远场无人机所测风向与主风向的夹角；ω1、ω2分别表示近场和远场无人机的风速系数，ω1+ω2＝1。
本例中根据实验测算，ω1＝0.58；ω2＝0.42。
步骤6，定期获取火场整体图像并更新各无人机位置
通过主视无人机定期(如1分钟1次)获得火场整体图像，并重新执行步骤2-3，更新近远场无人机和主视无人机的位置。
步骤7，提供风速风向数据，发出预警信息
将步骤5得到的风速实时发送至现场指挥中心和火场扑救人员，并在风速超过阈值时发出警报提示。同时，向距离各近场、远场无人机位置处在一定范围(该范围值可根据实验设定)内的现场人员发送位于火场和人员之间且距离人员最近的无人机测得的风速风向数据，以提供更为精细化的数据参考，增加安全性。
基于上述方法，能够实时监测火场整体移动以及火场边缘风速风向变化，从而实现火场预警，为在火场边缘进行扑救的人员提供警告，扑救人员应配备通讯设备，及时接收信息。例如当扑救人员位于火场边缘风向下风口时提示扑救人员撤离。火场附近设置的无人机可直接与扑救人员通讯以及时发送风速风向变化信息，无人机获取的数据还可传输至数据中心，由数据中心进行分析后发出具体的警告讯息。
本发明还提供了能够实现上述方法的监测预警系统，包括若干近场无人机、若干远场无人机、主视无人机、数据中心、若干由现场扑救人员配备的终端，近远场无人机上均搭载有风速风向传感器，传感器获取的数据能够发送至数据中心和终端。主视无人机上搭载有摄像设备，获取的图像数据传输至数据中心。数据中心用于获取各无人机发送来的数据、进行计算分析后控制无人机，并与终端进行通讯。具体地说，数据中心包括图像获取模块、用于获取火场图像(即实现步骤1功能)；坐标系建立模块，用于根据主风向建立坐标系(即实现步骤2功能)；无人机控制模块，用于根据坐标轴布设无人机(即实现步骤3功能)；计算模块，用于确定火场边缘外侧各无人机布点位置的风向与主风向夹角并计算主风向上的风速大小(即实现步骤4,5功能)；更新模块，用于定期获取火场整体图像并更新各无人机位置(即实现步骤6功能)，预警模块，用于根据计算模块获得的风速数据以及近远场无人机获取的风速风向数据，及时向现场扑救人员发送数据并发出预警(即实现步骤7功能)。以上模块为软件模块，可在计算机系统中实现。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种森林火场低空无人机监测预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获取火场图像
采用高空拍摄手段获取火场的完整图像，根据获取的图像，采用边缘检测算法获取火场图像边缘；
步骤2，根据主风向建立坐标系
得到火场主风向，取主风向上的火场边缘最左侧点A，建立x轴，x轴过A点且与主风向平行，取x轴与火场边缘两交点之间的中点为原点O，过原点建立y轴；
步骤3，根据坐标轴布设无人机
取坐标轴与火场边缘各交点，沿坐标轴在每个交点处远离火场方向距离n和m处分别设置近场和远场无人机，无人机上均搭载有风速风向传感器；
在火场上方设置主视无人机，用于实时获取火场整体边缘；
步骤4，确定火场边缘外侧各无人机布点位置的风向与主风向夹角；
远场无人机和近场无人机分别采集所在位置的风速和风向，计算各无人机布点位置的风向与主风向夹角；
步骤5，计算主风向上的风速大小；
Figure FDA0003084162290000011
其中：
Figure FDA0003084162290000012
表示主风向上的风速大小，单位：米/秒；i表示近场无人机编号，i＝1,2,3,…I；j表示远场无人机编号，j＝1,2,3,…J；vi、vj分别为近场和远场无人机所测风速大小，单位：米/秒；θi、θj分别表示近场和远场无人机所测风向与主风向的夹角；ω1、ω2分别表示近场和远场无人机的风速系数；
步骤6，定期获取火场整体图像并更新各无人机位置
通过主视无人机定期获得火场整体图像，并重新执行步骤2-3，更新近远场无人机和主视无人机的位置。
2.根据权利要求1所述的森林火场低空无人机监测预警方法，其特征在于：还包括步骤7，根据火场图像整体移动以及火场边缘风速风向变化，向现场扑救人员发送预警信息。
3.根据权利要求1所述的森林火场低空无人机监测预警方法，其特征在于：所述步骤1中，火场的完整图像利用卫星图像获取，或采用设置在火场上方高处的无人机拍摄。
4.根据权利要求1所述的森林火场低空无人机监测预警方法，其特征在于：所述步骤2中，A点的获取方法为：沿主风向画与主风向平行的若干条直线，这些直线与火场边缘产生交点，取最左侧交点为点A。
5.根据权利要求1所述的森林火场低空无人机监测预警方法，其特征在于：所述步骤3中，位于主风向上且处于下风口的近远场无人机的距离n和m分别乘以一个大于1的系数。
6.根据权利要求1所述的森林火场低空无人机监测预警方法，其特征在于：所述步骤3中，在坐标轴上过原点做切割线，切割线与火场边缘均形成两个交点，沿切割线在每个交点处远离火场方向距离n和m处分别设置近场和远场无人机，无人机上均搭载有风速风向传感器。
7.根据权利要求1所述的森林火场低空无人机监测预警方法，其特征在于：所述步骤5中，ω1+ω2＝1。
8.根据权利要求1所述的森林火场低空无人机监测预警方法，其特征在于：近远场和主视无人机上均设置温度传感器，温度传感器获取无人机处的温度并传输至无人机控制器中，当温度超过预先设定的阈值上限时，令无人机升高。
9.一种森林火场低空无人机监测预警系统，其特征在于：包括若干近场无人机、若干远场无人机、主视无人机、数据中心、若干终端，近远场无人机上均搭载有风速风向传感器，传感器获取的数据发送至数据中心和终端；主视无人机上搭载有摄像设备，获取的图像数据传输至数据中心；数据中心用于获取各无人机发送来的数据、进行计算分析后控制无人机，并与终端进行通讯；数据中心包括：
图像获取模块，用于获取火场图像，采用高空拍摄手段获取火场的完整图像，根据获取的图像，采用边缘检测算法获取火场图像边缘；
坐标系建立模块，用于根据主风向建立坐标系，得到火场主风向，取主风向上的火场边缘最左侧点A，建立x轴，x轴过A点且与主风向平行，取x轴与火场边缘两交点之间的中点为原点O，过原点建立y轴；
无人机控制模块，用于根据坐标轴布设无人机，取坐标轴与火场边缘各交点，沿坐标轴在每个交点处远离火场方向距离n和m处分别设置近场和远场无人机，无人机上均搭载有风速风向传感器；在火场上方设置主视无人机，用于实时获取火场整体边缘；
计算模块，用于计算主风向上的风速大小；
远场无人机和近场无人机分别采集所在位置的风速和风向，计算各无人机布点位置的风向与主风向夹角；
计算主风向上的风速大小；
Figure FDA0003084162290000021
其中：
Figure FDA0003084162290000022
表示主风向上的风速大小，单位：米/秒；i表示近场无人机编号，i＝1,2,3,…I；j 表示远场无人机编号，j＝1,2,3,…J；vi、vj分别为近场和远场无人机所测风速大小，单位：米/秒；θi、θj分别表示近场和远场无人机所测风向与主风向的夹角；ω1、ω2分别表示近场和远场无人机的风速系数；
更新模块，用于定期获取火场整体图像并更新各无人机位置；通过主视无人机定期获得火场整体图像，并重新执行坐标系建立模块和无人机控制模块，更新近远场无人机和主视无人机的位置；
预警模块，用于根据近远场无人机获取的风速风向数据，及时向现场扑救人员发送数据及发出预警。
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