CN202976376U - 基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统，该系统由无人机、地面站和指挥中心三部分组成。无人机作为数据采集工具，上面搭载有航拍设备、卫星导航定位设备、惯性测量装备等，对监测区域进行巡回监测；地面站对无人机发送操控指令并实时接收无人机传回的数据，并将数据转发至指挥中心；指挥中心对航拍数据进行处理识别得出潜在火点和已燃火点，进行蔓延模拟和态势分析，发布火灾预警信号、火情动态和灾情统计结果等信息，并可视化分析人员疏散路径，制定扑救方案和人员物资调度策略。具有处理效率高和成本低等优点。

Description

基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统

技术领域

本实用新型涉及一种林火监测与应急指挥系统，特别涉及一种基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统。

背景技术

森林防火工作的重点是对火情早发现、早预报、早扑救，其中难点是应用高科技手段动态监测林区及时发现烟火、快速扑救防止形成大灾。目前森林火灾监测通常有气象卫星遥感、远程视频监控和无人机巡航三种动态监测手段，其中气象卫星地面精度较低，火灾早期或较小的林火在卫星上均难以反映，监测使用有很大的局限性；远程视频监控因摄像头视角与放大倍数制约存在监测距离与监测范围的矛盾，密集布设导致建设与维护成本极高，且烟火识别误差较高，受云雾天气影响局限较大，不能充分满足林火动态监测的需要。无人机作为一种小型的飞行器，其灵活性高、监测时效性强、拍摄影像分辨率高，完全可以满足林火动态监测的需求。

目前无人机系统多侧重于野外拍照采集，很少有拍照结果实时无线传输并深入分析，集成应用于林火动态监测与应急指挥领域的甚少。偶有应用无人机进行巡查拍照或摄像，仅仅对无人机拍摄的影像做一些简单的处理，缺乏深入地分析，大多还要靠人工去识别火点，不能实时处理分析无人机航拍或摄像结果得到火情动态，智能判断林火蔓延方向与发展态势，难以根据火情动态科学制定林火扑救的方案。

综合来看，现有的林火监测和扑救系统存在以下不足：

（1）大部分系统所采用的监测手段成本高昂，应用局限较大。

（2）不能对数据实时接收处理和深入分析，未能充分发挥航拍监测的优势。

（3）无人机系统与指挥中心之间衔接不够紧密，数据处理分析往往滞后，不能满足林火应急指挥对数据实时性的要求。

（4）没有结合林火监测与应急指挥业务流程，设计研发一套集无人机巡航监测、火情监测与蔓延模拟、扑救方案设计与应急调度、灾后评价统计于一体的集成系统，难以全面提升林火动态监测效率与应急指挥水平。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统。该系统集成了无人机飞行控制、无线通信、卫星定位导航和地理信息系统等技术，实现了无人机巡航监测、实时通信传输、火点识别与火灾预警、火灾态势分析与蔓延模拟、扑救方案设计与应急调度、灾后评价灾情统计于一体的集成系统，具有成本低和实用性强的优点。

本实用新型的目的通过下述技术方案，一种基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统，包括以下内容：

本系统包括无人机、地面站和控制中心三个相对独立的部分，地面站可机动至巡查区域或火场附近，指挥中心部署在防火指挥部，保持无人机和地面站、地面站和指挥中心之间的良好通信联络。

以无人机系统为数据采集平台，对林区进行巡回监测进行影像拍照或视频拍摄，并向地面站实时无线下传影像、视频和飞行状态数据；地面站是集成了无人机飞行控制系统和数据中转传输的操作平台，实现无人机巡航路线规划、巡查自导航、航拍片无线传输与动态接收；指挥中心具有监测数据快速处理和分析的系统，可以无线或有线通信实时接收地面站的动态监测数据，快速纠正处理影像和视频、自动识别已燃火点与潜在火点、判断火情火势、模拟火场蔓延、发布火灾预警信号与火情，辅助防火指挥部进行防火人员物资调度、人员疏散路径规划、扑救方案设计，同时还可以进行灾后的森林火灾等级评定、危害评价与灾情统计。

无人机系统搭载有数字相机、卫星导航定位仪、惯性测量仪、无线信号收发器等设备，根据地面站自导指令按规划航线或手动操控,对监测区域进行巡回监测，实时传回影像和视频以及影像拍摄时无人机的位置信息和拍摄参数。无线信号收发器可以接收地面站发送的指令，并能够将拍摄的影像和视频通过压缩处理后实时传回给地面站；卫星导航定位设备和惯性测量设备可以记录影像拍摄时数字相机的位置（经纬度和高程）和拍摄姿态（航向角、前倾角、侧倾角），这些参数可用于对影像几何校正等预处理过程。

地面站实时接收无人机传回的数据，并实时转发给指挥中心。地面站和控制中心之间可根据条件建立有线或无线的通信连接，利用TCP/IP、UDP等传送协议进行数据传输。

指挥中心对地面站传过来的影像、视频等监测数据进行处理识别，根据拍摄参数对影像进行校正，然后进行扫描分析，判断是否有潜在火点和已燃火点；对潜在火点和已燃火点的判断是逐个将栅格的值与预设的阀值（所述阀值来自结合各林种理论燃烧温度和实验结果形成经验值的数据库）进行比较，超过阀值为潜在火点或已燃火点。

如果有潜在火点，指挥中心发布火灾预警；如果有已燃火点，通过指挥中心具有的模拟分析功能，可以根据拍摄时间连续的几张影像进行火灾态势分析,得到蔓延扩散的主方向及其速度和加速度等信息；还可以动态模拟火灾的蔓延范围，为人员疏散、扑救指挥提供直接依据。

根据火灾态势分析与蔓延模拟结构，利用指挥中心系统的应急指挥功能进行防火人员物资管理与调度、人员疏散路径规划、扑救方案设计；扑救路线是基于DEM栅格计算的，计算从山脚下到火场之间的路线；疏散路线是基于矢量道路的计算，计算最佳的行车路线。

根据无人机拍摄影像提取最终火灾范围，与林班等图层进行叠加分析，统计火灾造成的林木直接损失，进行火灾危害评价和等级评定。火灾损失计算是根据受灾范围转化为一个矢量多边形，再将该多边形与林班、建筑物等矢量图层叠加，以此计算出火灾的直接损失。

本系统相对于现有系统具有如下的优点及效果：

1）系统以无人机作为数据源，机动灵活性高、成本低、拍摄影像分辨率高，数据的实时性较好。

2)系统在地面站集成了无人机飞行控制与数据无线传输功能，可以实现对无人机实时操控，数据经过压缩处理无线通信下载、并实时传输至指挥中心；

3)系统实现了地面站操作平台和指挥中心应用平台的实时对接，能够实时进行数据交互、视频传输等，以地面站为桥梁实现了指挥中心和无人机之间的数据传输，解决了距离过远指挥中心与无人机之间无法进行数据交互的问题；

4）系统将数据处理分析功能都集成于指挥中心，无人机和地面站的功能负荷都较小，无人机只需将拍摄图像及拍摄瞬间的位置和姿态信息传回地面站即可，故对无人机及其处理系统要求不高。

5）指挥中心系统具有火点识别功能，通过对无人机拍摄的单张可见光或红外图像，进行快速扫描、几何校正和自动识别，结合预设的阀值和栅格计算，能快速获取火场动态的火情信息，处理效率高。

6）指挥中心系统具有分析模拟功能，基于连续拍摄的图像进行火灾态势分析，计算提取林火蔓延时的主方向、速度与加速度以及蔓延范围动态模拟，对森林防火机构开展林火扑救、人员疏散、物资输送等决策提供宝贵的预警时间和实用的决策参考信息，实用性强。

7）将三维GIS技术融入系统之中，充分应用GIS在空间分析上的优势，在三维场景下非常直观地基于DEM栅格的扑救路线计算、基于矢量道路的疏散路线计算、基于矢量叠加分析的火灾损失计算等。

附图说明

图1是整个系统的架构示意图

图2是无人机系统的组成示意图

图3是地面站系统的组成示意图

图4是地面站系统的结构示意图

图5是指挥中心系统的结构示意图

图6是整个系统集成控制流程框图

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，整个系统分为无人机、地面站和控制中心三个相对独立的部分，地面站可机动至巡查区域或火场附近，指挥中心部署在防火指挥部，保持无人机和地面站、地面站和指挥中心之间的良好通信联络。

如图2所示，准备好无人机系统，搭载有数字相机、卫星导航定位仪、惯性测量仪、无线信号收发器等设备，无人机系统通过微波与地面站系统进行无线通信，无人机根据规划航线可以飞出地面站信号发射的接收范围，但无人机要下传数据给地面站或接收地面站指令时，应确保通信畅通。下传数据包括实时传回的影像和视频，以及影像拍摄时无人机的位置信息和拍摄参数，地面站指令是向无人机上的飞控模块发送的行动指令，包括起飞、上升、下降、悬停、按指定方向前进、拍照模式切换、拍照或摄像开启与结束动作、数据下载、上传航线、按航线自驾以及云台方向、倾角调整等。

如图3所示，地面站系统由高性能笔记本、无线收发装置、手动遥控装置和航拍数据采集传输装置组成，航拍数据采集传输装置集成了无人机飞控功能，并基于三维平台实现三维飞行、航线管理、飞航制导、云台控制与航拍、航拍数据传输和系统设置，功能结构见图4。

三维飞行功能包括键盘或鼠标操作手动模拟飞行，按历史航线或规划航线模拟飞行，无人机自导状态下飞行，可以自驾或他驾两个视角手机查看飞行场景并播放图像或视频。航线管理包括航线设计、航线调整和航线导入导出等，航线设计是在三维地形下可视化设计飞行路线，形成的规划航线可预存于地面站，并可向无人机发送指令按规划航线自动飞行；飞航制导是地面站系统能够实时地接收显示无人机状态参数，能够根据这些参数（坐标、时间、高度）自动保存实际飞行航线，并可调整自导飞行时的参数，这些参数主要包括坐标、时间、高度、飞行速度、风速、温度、湿度、操作限制、着陆参数、油门/电力信息、巡航里程、云台姿态等；并将设置后参数生成可识别的文件格式，并以指令形式发送给无人机，数字化精确操控飞行方向、高度和速度等飞行状态。云台控制与航拍是地面站系统可视化方式设置云台姿态，以及切换航拍成像方式（数码相机、日光型彩色摄像机、微光黑白摄像机、红外热成像摄像机以及可视光视频录像）等，并能以指令实时操控云台。航拍数据传输包括指令上传，飞行参数和图片视频实时下传，并能将无人机下载的图片视频连同飞行参数一起实时传输到指挥中心。系统设置主要包括地面站三维场景设置，无人机地面站通信连接设置，指令上传、飞行参数和航拍数据下传接口设置等。为了提高传输效率，图片视频下传前进行初步的压缩处理，图片按JPEG格式压缩，视频按rmvb格式压缩。

指挥中心系统由高性能服务器、无线收发装置和森林火灾扑救指挥系统组成，如图6所示，指挥中心森林火灾扑救指挥系统对地面站系统传过来的影片视频结合飞行参数进行处理识别，首先根据影像的拍摄参数对影像进行校正，然后进行扫描分析，判断是否有潜在火电和已燃火点，如果有潜在火点则在三维地形中进行标注，发布火灾预警信号。如果有已燃火点，则将影像叠加到三维地形中，并根据连续几张同一位置的影像进行火灾态势分析，提取蔓延扩散主方向及其速度和加速度等信息，可以进一步进行蔓延模拟得到不同时段的蔓延范围。根据火灾态势分析和蔓延模拟结果，辅助防火指挥部进行人员疏散、物资调度和扑救指挥等。

如图5所示，森林火灾扑救指挥系统基于C/S结构实现巡航飞行、航线管理、处理识别、应急指挥、分析模拟和信息发布，巡航飞行包括按规划或历史航线飞行模拟，或根据无人机实时的卫星定位坐标进行自导航飞行，播放监测的图像或视频。航线管理包括航线设计、航线发送、航线调整和航线接收功能，可以与地面站系统的航线管理同步，更新相关航线数据。处理识别包括航片接收、校正扫描、火点识别、潜在火点分析。分析模拟是根据航拍片进行态势分析，得到火灾蔓延方向、速度和加速度，进一步蔓延模拟预测火灾蔓延范围。在此基础上，辅助防火指挥部进行应急指挥，包括人员物资管理、调度指挥、疏散路径规划和扑救路径设计。信息发布包括对灾前发现潜在火点后的火灾预警信号发布、灾中的火情动态发布、灾后的灾情统计结果发布。

对潜在火点和已燃火点的判断是逐个的将栅格的值与预设的阀值（所述阀值来自结合各林种理论燃烧温度和实验结果形成经验值的数据库）进行比较，超过阀值为潜在火点或已燃火点。扑救路径设计是基于林区DEM栅格计算的结果，计算从山脚下到火场之间的最优路线；疏散路线规划是基于林区道路计算的结果，计算最佳的行车路线。火灾损失统计是根据受灾范围转化为一个多边形，再将该多边形与林班图层数据项叠加，以此计算出火灾的损失。

上述实现为本实用新型较佳的一种实现方式，但本实用新型的实现方式并不受上述所述的限制，其他任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (5)

1.基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统，包括无人机、地面站和指挥中心三个部分，其特征在于，无人机用于作为数据采集的工具，地面站用于作为控制无人机的平台和数据中转的平台，指挥中心用于作为数据处理和数据分析的平台。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统，其特征在于，所述的无人机上搭载有数字相机、卫星导航定位设备、惯性测量仪、无线收发器等装置；所述数字相机根据地面站传送的指令，在可见光彩色图像、微光黑白图像、红外热成像和视频这四种拍摄模式中进行动态切换，以适应不同时间不同场景的拍摄；惯性测量仪和卫星导航定位设备同步地记录影像拍摄时数字相机的位置和拍摄姿态。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统，所述地面站包括电脑、无线收发装置、手动遥控装置和航拍数据采集传输装置，所述航拍数据采集传输装置集成了无人机飞控模块，基于三维平台实现三维飞行、航线管理、飞航制导、云台控制与航拍、航拍数据传输参数以及对无人机进行系统设置。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统，其特征在于，所述指挥中心包括服务器和无线收发装置，指挥中心通过无线收发装置接收地面站系统传过来的飞行参数和影像，结合飞行参数对影像进行处理识别，判断是否有潜在火点和已燃火点，如果有潜在火点则发布火灾预警信号；如果有已燃火点，则根据连续拍摄的几张影像进行火灾态势分析，并进一步动态蔓延模拟得到不同时段的蔓延范围，以辅助进行人员疏散、物资调度和扑救指挥决策。

5.根据权利要求1所述的基于无人机的林火动态监测与应急指挥系统，其特征在于，无人机与地面站之间通过微波无线通信，地面站通过3G网络与指挥中心实时通信；无人机航拍照片和视频下传至地面站，地面站把航拍照片和视频传输至指挥中心前，对航拍照片视频进行压缩处理，所述航拍图片按JPEG格式压缩，所述视频按rmvb格式压缩传输。

Images