林火安防預警與應急處理系統(tǒng)設(shè)計

1、林火安防預警與應急處理系統(tǒng)設(shè)計 摘要：為保證林火監(jiān)測的準確性、實時性和滅火的快速機動性，提出一種用于森林防火系統(tǒng)的設(shè)計方案，研究將低照度ccd/紅外熱像儀的圖像融合技術(shù)和無人機集群滅火技術(shù)集成應用到林火安防領(lǐng)域，能夠提升整個林火安防應急水平，具有很好的應用前景。 關(guān)鍵詞：森林防火；圖像融合；無人機；編隊飛行 中圖分類號：tp393 文獻標識碼：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，森林火災是危害森林資源的主要災害。森林火災形成因素多、突發(fā)性強，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、飛機巡邏和

2、視頻監(jiān)測、人工巡檢和t望塔方式等，存在著不能實現(xiàn)全天候、全時段監(jiān)測，成本過高、人為因素多等問題，以致誤報漏報頻繁發(fā)生。在國內(nèi)，對于林火安防方面的研究也多局限于獨立的關(guān)鍵技術(shù)，包括林火預警、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)進行了分析，對林火安防領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題進行了研究，提出了一種應用于林火安防系統(tǒng)的研究方案，促進多技術(shù)集成在安防領(lǐng)域的實用化，提高防火、救災的能力。 1 系統(tǒng)架構(gòu) 圖1所示為林火安防預警與應急系統(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，將兩者采集的圖像融合提高監(jiān)測的有效性和精準度；同時，結(jié)合機器視覺技術(shù)和gis定位系統(tǒng)，利用多

3、數(shù)據(jù)信息融合及無線數(shù)據(jù)鏈路，實現(xiàn)林火事件的準確判定、林火的精確定位、火場信息的實時傳輸。監(jiān)測節(jié)點將獲取的火情信息實時傳輸至控制中心后，控制中心利用林火監(jiān)測軟件對火情進行分析處理，計算得出火點位置、輪廓、面積及所需滅火無人機數(shù)量、編隊信息等，并通過飛行測控系統(tǒng)發(fā)送起飛指令；無人機在飛行過程中將其地理數(shù)據(jù)及編隊飛行數(shù)據(jù)進行實時傳輸，抵達火場時，將感知的風速等數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，控制中心進行數(shù)據(jù)校正后發(fā)送投放滅火材料指令，最終及時撲滅林火。 2 系統(tǒng)設(shè)計方案 2.1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案 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率的各種因素，設(shè)計

4、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，以及火災的蔓延趨勢，同時將其與低照度ccd信號相結(jié)合，開展同視場平行光軸前端光學系統(tǒng)理論研究，設(shè)計融合成像系統(tǒng)前端，可為后面的圖像配準、圖像融合提供高清晰、高畫質(zhì)的圖像。在此基礎(chǔ)上探索適合硬件實現(xiàn)的低照度ccd/紅外圖像融合方法并設(shè)計低照度ccd/紅外圖像融合監(jiān)測系統(tǒng)電路。設(shè)計相應監(jiān)測軟件系統(tǒng)，最終實現(xiàn)林火信息的準確判斷與定位。利用有線、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)布局監(jiān)測節(jié)點，使監(jiān)測范圍由點擴大到面，如圖2是監(jiān)測系統(tǒng)圖像處理單元所示。 2.2 無人機集群滅火設(shè)計方案 無人機具備起飛時間短、速度快、效率高、垂直起降及不受高度限制等特點，在地形復雜的林

5、區(qū)，較傳統(tǒng)人工滅火有較大優(yōu)勢。本文進行無人機集群滅火方案設(shè)計的重點在于無人機編隊通信與定位。首先通過對無人機各部分所要實現(xiàn)的功能進行分析，選取符合無人機系統(tǒng)要求的部件，完成無人機控制電路、定位與時間同步電路和無線通信電路的硬件設(shè)計，包括各部分的具體實現(xiàn)電路和功能模塊之間的連接，并制作無人機系統(tǒng)的pcb板。然后進行無人機系統(tǒng)的軟件設(shè)計，包括時間同步、定位以及控制無線通信模塊的無線收發(fā)程序。改進時隙aloha算法，避免編隊通訊時信道競爭以適合無人機系統(tǒng)，保證各節(jié)點數(shù)據(jù)信息在其專有時隙進行及時、可靠的信息收發(fā)，解決傳輸延遲導致的數(shù)據(jù)傳輸率下降和數(shù)據(jù)之間的碰撞問題，同時將gps應用到整個系統(tǒng)中，并通過

6、多次測試，實現(xiàn)系統(tǒng)同步和節(jié)點定位，最后通過軟硬結(jié)合對整體系統(tǒng)進行調(diào)試，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)與無人機系統(tǒng)融合，在監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)火情后，無人機集群攜滅火材料編隊飛行到目的地進行滅火，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和提取算法 國內(nèi)外圖像有效像素的增強和提取算法很多，能應用于低照度ccd/紅外的實時融合系統(tǒng)的很少，有的計算量大，有的增強效果不明顯。通過對各圖像特

7、性進行研究，找出合適的增強和提取算法，使得融合時保留的圖像特征數(shù)據(jù)能達到優(yōu)勢特征互補并增加融合后圖像信息容量的目的。 （2）源圖像的配準 圖像配準是對來自同一場景的兩幅或多幅圖像，匹配其中對應于相同物理位置的像素點，這些圖像可能來自不同時間、或不同視點位置、或不同的傳感器2。目前發(fā)展了大量圖像配準的技術(shù)與方法，有一定的適用范圍，但通用性比較差，為滿足實時圖像融合的需求，需要一種適用于實時圖像融合的配準方法。 （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行配準，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

8、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不到預期的融合效果，為將兩者優(yōu)點在現(xiàn)有的實時圖像融合系統(tǒng)硬件上實現(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，應用到電子穩(wěn)像算法中，可以有效地去除圖像中的運動物體，從而使改進后的算法準確無誤的進行圖像處理。 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)圖像時的計算準確性。 （5）林火識別算法 對電子穩(wěn)像算法所得到的灰度圖像進行灰度二進制化

9、，形成灰度位平面，不同灰度位平面所展現(xiàn)的細節(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)此計算，有效弱化低位平面信息，保證高位信息的準確性，然后根據(jù)煙霧在不同位平面中所反映的信息設(shè)計出可靠的識別算法。 （6） 基于數(shù)字高程模型進行林火定位算法 森林火災定位主要采用數(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?；谠摲椒?，以數(shù)字視頻監(jiān)測系統(tǒng)為平臺，提出一種利用攝像機標定技術(shù)和空間分析中可視域分析對林火進行自動定位的方法，最后結(jié)合arcgis engine通視性分析中的相關(guān)方法，可實現(xiàn)對單目攝像機單幅圖像上任意位置火點的自動定位5。再進一步借助t

10、riz理論的系統(tǒng)進化法則，將單雙目視覺系統(tǒng)的優(yōu)點結(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，同時與監(jiān)測節(jié)點gis定位相結(jié)合，則能更精確的實現(xiàn)林火自動定位。 （7）監(jiān)測節(jié)點的設(shè)計 硬件設(shè)計：設(shè)計一套穩(wěn)定可靠的低照度ccd/紅外熱像儀的光學系統(tǒng)。采用dsp處理器和fpga器件設(shè)計出一套可靠的視頻監(jiān)測硬件系統(tǒng)以及相應的驅(qū)動電路、前置放大電路、接口電路，并使設(shè)計小型化、低功耗。 軟件的設(shè)計：根據(jù)圖像處理算法設(shè)計出適合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，優(yōu)化提升軟件運行速度。 3.2 無人機集群滅火技術(shù) 在對林火進行精確定位之后，采用無人機集群滅火

11、方式進行應急處理，而無人機編隊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）無人機編隊通信與定位系統(tǒng)硬件設(shè)計 無人機編隊通信自組網(wǎng)是一種由無人機作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所構(gòu)成的通信網(wǎng)絡(luò)，具有動態(tài)拓撲及有限帶寬等特征。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)點和抗毀特點6，利用這種組網(wǎng)方式通信，能夠極大的提高無人機之間的通信能力。但是正因為其無中心節(jié)點，且節(jié)點有移動性這些特點，導致了它的數(shù)據(jù)碰撞率高，信道利用率低，性能低下。因此，在完成整個系統(tǒng)的總體方案設(shè)計后，根據(jù)整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)的工作原理，對采用的硬件電路進行選擇、分析和比較，確定本系統(tǒng)的電路器件。 （2

12、）無人機編隊通信與定位系統(tǒng)防碰撞算法 無人機編隊自組網(wǎng)的工作環(huán)境及其工作模式與ad hoc類似，系統(tǒng)設(shè)計時將以ad hoc網(wǎng)絡(luò)體系為基礎(chǔ)來構(gòu)建無人機編隊自組網(wǎng)，針對無人機編隊自組網(wǎng)的特有屬性及其相關(guān)技術(shù)，對防碰撞算法進行分析和探討，并在此基礎(chǔ)上改進算法，設(shè)計適合本系統(tǒng)的防碰撞算法。 （3）無人機編隊通信與定位系統(tǒng)軟件設(shè)計 無人機編隊通信系統(tǒng)包括時間和經(jīng)緯度信息的讀取及無線傳輸，整個系統(tǒng)通過硬件設(shè)備讀取 gps 傳遞回來的時間和經(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行傳輸，實現(xiàn)各個結(jié)點之間的通信。 （4）進行無人機攜帶與噴灑滅火材料的設(shè)計，改進無人機硬件系統(tǒng) 擬設(shè)計改進

13、的無人機硬件系統(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，控制整個系統(tǒng)的運行。飛行控制模塊控制無人機飛行速度、姿態(tài)、高度等參數(shù)，保證無人機安全正確的飛行方式；gps模塊為整個系統(tǒng)提供實時時鐘，使網(wǎng)內(nèi)各個節(jié)點（無人機）時間同步，并實現(xiàn)每個節(jié)點的定位；無線通信模塊，實現(xiàn)各個結(jié)點之間的無線通信。在火災現(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，進行噴灑滅火作業(yè)。 4 系統(tǒng)的調(diào)試與運行 系統(tǒng)在試運行階段將設(shè)計低照度ccd/紅外熱像儀均可見的標靶，通過標靶來確定監(jiān)測系統(tǒng)的標定參數(shù)，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的自適應配準，對低照度ccd/紅外熱像儀

14、的光學系統(tǒng)光學性能進行測試，進行雙系統(tǒng)交叉標定。同時，設(shè)計實現(xiàn)無人機控制系統(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)進行實際環(huán)境試驗，驗證安防系統(tǒng)的準確性和實時性，以檢驗安防系統(tǒng)對溫度、震動、沖擊等條件的適應性。 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)、無人機集群滅火技術(shù)應用到林火安防領(lǐng)域，促進多數(shù)據(jù)融合在安防領(lǐng)域的實用化，對gis下林火的立體定位技術(shù)、無人機編隊通訊技術(shù)等關(guān)鍵問題進行了研究，大量無人機集群滅火技術(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)應用，將產(chǎn)生較好的社會效益和經(jīng)濟效益。 參考文獻： 1 何濤，任恩恩，范多旺.視頻監(jiān)測在青藏鐵路綜合安全監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究. 第七屆全國信號與信息處理聯(lián)合會議暨首屆全國?。ㄊ校┘増D像圖形學會聯(lián)合年會.2008.7.20. 2 maiter h， bloch i. image fusion. vistas in astronomy， 1997，41（3）：329-335. 3 劉衛(wèi)光，崔江濤，周利華.多源圖像實時配準融合系統(tǒng)j.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27（1）：1