何 誠(chéng)，張思玉，姚樹(shù)人

(1.南京森林警察學(xué)院林火研究中心，江蘇 南京 210023；2.國(guó)家林業(yè)局森林防火工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210023；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091)

旋翼無(wú)人機(jī)林火點(diǎn)定位技術(shù)研究

何 誠(chéng)1，2，3，張思玉1，2，姚樹(shù)人1

(1.南京森林警察學(xué)院林火研究中心，江蘇 南京 210023；2.國(guó)家林業(yè)局森林防火工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 210023；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091)

無(wú)人機(jī)攜帶攝像系統(tǒng)在森林防火中應(yīng)用廣泛，林火點(diǎn)的精準(zhǔn)定位是該項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。本文提出一種基于GPS和微波測(cè)距的森林著火點(diǎn)定位方法，通過(guò)在南京森林警察學(xué)院院內(nèi)兩塊試驗(yàn)場(chǎng)地(林地、無(wú)林土丘)進(jìn)行火燒除工作點(diǎn)火試驗(yàn)，以無(wú)人機(jī)和飛控系統(tǒng)為主要手段獲取旋翼無(wú)人機(jī)現(xiàn)實(shí)飛行參數(shù)、無(wú)人機(jī)航空攝影林火數(shù)據(jù)，以地面精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)林火實(shí)證數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合三維地形數(shù)據(jù)信息，對(duì)基于GPS和微波測(cè)距的森林著火點(diǎn)定位方法精度進(jìn)行檢驗(yàn)。數(shù)據(jù)表明，該方法是一項(xiàng)有效的無(wú)人機(jī)林火點(diǎn)定位技術(shù)，且林火定位技術(shù)的真誤差在10 m以?xún)?nèi)，完全滿足林火監(jiān)測(cè)精度要求。該技術(shù)能夠迅速、準(zhǔn)確判斷森林著火點(diǎn)位置，為森林防火提供決策性數(shù)據(jù)支持。

無(wú)人機(jī)；林火位置；定位技術(shù)；旋翼

一、引 言

目前采用的林火監(jiān)測(cè)手段主要有衛(wèi)星遙感、塔臺(tái)瞭望、地面巡視和飛機(jī)巡護(hù)等。利用衛(wèi)星監(jiān)測(cè)林火的優(yōu)勢(shì)是覆蓋面積大，1～2 h就可以獲取一次覆蓋全國(guó)的資料，但受自身軌道周期和天氣影響，資料的實(shí)時(shí)性和分辨率欠佳。防火塔瞭望的實(shí)時(shí)性最好，但單塔的覆蓋范圍有限，需要組網(wǎng)配置，這大大增加了人員和設(shè)備成本，且近地面瞭望受地形影響大，存在視覺(jué)盲點(diǎn)。人工地面巡視工作量巨大，人員處于森林底層，視線遮擋嚴(yán)重，觀察范圍有限，效率低下。相對(duì)而言，飛機(jī)空中巡護(hù)監(jiān)測(cè)林火的實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性俱佳，優(yōu)點(diǎn)突出，但其保有和使用成本高，難以大規(guī)模、常態(tài)化運(yùn)行，目前，多數(shù)林區(qū)只在重點(diǎn)防火時(shí)期租用飛機(jī)開(kāi)展相關(guān)護(hù)林作業(yè)[1-2]。無(wú)人機(jī)是一種新型的航空平臺(tái)，近年來(lái)隨著其技術(shù)的成熟已在氣象探空、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、環(huán)境遙感等眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用[3-6]。特別是質(zhì)量輕、體積小的微型無(wú)人機(jī)具有購(gòu)置成本低、運(yùn)行費(fèi)用少、操作簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)時(shí)調(diào)整作業(yè)方案及載荷設(shè)備，非常適合用于森林火災(zāi)的監(jiān)測(cè)作業(yè)。

但目前針對(duì)無(wú)人機(jī)林火點(diǎn)定位技術(shù)的研究卻很少，無(wú)人機(jī)上攜帶攝像系統(tǒng)在森林防火中巡護(hù)時(shí)，如發(fā)現(xiàn)火災(zāi)卻不能及時(shí)準(zhǔn)確定位出火點(diǎn)位置，將會(huì)大大減少無(wú)人機(jī)在森林防火中的作用[7]。通過(guò)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)[8]，很多無(wú)人機(jī)運(yùn)用到測(cè)繪方面，通過(guò)對(duì)獲取的影像進(jìn)行拼接處理，從而獲取了地物坐標(biāo)。該方法如應(yīng)用到森林防火上，將失去時(shí)效性，從而耽誤林火撲救指揮。本文提出一種能夠迅速、準(zhǔn)確判斷森林著火點(diǎn)位置的基于GPS和微波測(cè)距的森林著火點(diǎn)定位方法，為林火管理提供科學(xué)依據(jù)，從而可以降低由于林火監(jiān)測(cè)的盲目性造成的損失。

二、無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)無(wú)人機(jī)為無(wú)人駕駛電動(dòng)六旋翼直升機(jī)，飛機(jī)自身重10 kg，最大載荷5 kg，6個(gè)旋翼組成了六邊形，長(zhǎng)寬高為1110 mm×1060 mm×650 mm，飛行速度為0～20 m/s，飛行時(shí)間為20～30 min。該無(wú)人機(jī)上裝有GPS接收器和云臺(tái)，在云臺(tái)上設(shè)置有攝像機(jī)和微波測(cè)距儀；與地面控制中心進(jìn)行無(wú)線通信的控制器，分別與驅(qū)動(dòng)云臺(tái)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)器、控制無(wú)人機(jī)動(dòng)作的駕駛中心、攝像機(jī)、微波測(cè)距儀、GPS接收器電連接，如圖1所示。該旋翼無(wú)人機(jī)操控系統(tǒng)使用的是Futaba 2.4 GHz10通道遙控器，配備 R6014HS接收機(jī)。

試驗(yàn)中的無(wú)人機(jī)使用的定位系統(tǒng)是雙頻Trimble 5700型RTK GPS接收機(jī)，該接收機(jī)水平定位精度為2 cm＋1 um，垂直定位精度3 cm＋2 um。在受地面遙控的無(wú)人機(jī)上設(shè)置控制器和云臺(tái)，該云臺(tái)既能繞大地坐標(biāo)系中的縱軸左右旋轉(zhuǎn)，又能在平面內(nèi)上下旋轉(zhuǎn)；在云臺(tái)上固定有攝像機(jī)、微波測(cè)距儀；GPS接收器與攝像機(jī)相連，并位于攝像機(jī)的光軸上?？刂破饔糜谂c地面的控制中心進(jìn)行無(wú)線通信，控制器分別與驅(qū)動(dòng)云臺(tái)動(dòng)作的驅(qū)動(dòng)器、控制無(wú)人機(jī)動(dòng)作的駕駛中心、攝像機(jī)、微波測(cè)距儀、GPS接收器電連接[9-10]，配置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 搭載GPS的六旋翼無(wú)人電動(dòng)直升機(jī)

圖2 無(wú)人機(jī)配置示意圖

三、材料與方法

1.試驗(yàn)場(chǎng)地概況

試驗(yàn)場(chǎng)地共分為兩部分，一部分選擇楊樹(shù)林面積為126.9 m2的區(qū)域，該楊樹(shù)林為人工林，林分平均高為10 m，郁閉度0.7，在該區(qū)域上均勻鋪設(shè)厚度為5 cm左右的枯枝落葉等可燃物，周邊清理出2 m左右的隔離帶，防止跑火，為了增加燃燒效果，在可燃物上撒上適量汽油。為了清晰了解林火行為，在點(diǎn)燒區(qū)域的楊樹(shù)進(jìn)行標(biāo)注，使用紅漆標(biāo)注出每棵樹(shù)的序號(hào)，并在每棵樹(shù)的1 m、2 m、3 m方位使用紅漆標(biāo)出，方便判別林火高度，試驗(yàn)場(chǎng)地如圖3所示。另一塊試驗(yàn)場(chǎng)地為高差7 m的土丘，面積在350.5 m2，在陡急及平緩區(qū)域都鋪上枯枝落葉，進(jìn)行點(diǎn)燒，為了對(duì)林火點(diǎn)進(jìn)行定量分析，在樣地上均勻布設(shè)花桿，并對(duì)花桿進(jìn)行依次編號(hào)，如圖4所示。

圖3 試驗(yàn)場(chǎng)地1(楊樹(shù)林)

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)地2(空曠土丘)

2.無(wú)人機(jī)火點(diǎn)定位原理

無(wú)人機(jī)在森林上方飛行時(shí)，攝像機(jī)自動(dòng)對(duì)森林?jǐn)z像，并通過(guò)控制器把拍攝的影像實(shí)時(shí)由無(wú)線裝置傳輸?shù)娇刂浦行?。?dāng)控制中心看到森林著火的圖像，控制中心向控制器發(fā)送指令，云臺(tái)停止動(dòng)作，同時(shí)通過(guò)駕駛中心讓無(wú)人機(jī)懸停。此時(shí)，著火點(diǎn)位于攝像機(jī)的光軸上(如圖5所示)，通過(guò)GPS接收器接收到設(shè)定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)S(XS，YS，ZS)。

圖5 無(wú)人機(jī)林火點(diǎn)定位原理圖

由于GPS接收器、攝像機(jī)、微波測(cè)距儀之間距離很小，可以認(rèn)為GPS接收器、攝像機(jī)、微波測(cè)距儀均位于S點(diǎn)。通過(guò)微波測(cè)距儀測(cè)量出微波測(cè)距儀至著火點(diǎn)的距離L，其中微波測(cè)距原理為

式中，v為無(wú)線電傳播速度；t為傳播時(shí)間。

通過(guò)控制器得到攝像機(jī)光軸SE與SXWYWZW坐標(biāo)系中的XWYW水平面的夾角B，以及攝像機(jī)光軸在水平方向上的投影SF與YW軸的夾角A。把距離L、夾角B、夾角A、XS值、YS值、ZS值通過(guò)控制器發(fā)送至控制中心，在控制中心計(jì)算出著火點(diǎn)的坐標(biāo)E(XE，YE，ZE)并顯示

四、結(jié)果與分析

將無(wú)人機(jī)定位系統(tǒng)坐標(biāo)系與地面量測(cè)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)一，對(duì)兩塊試驗(yàn)場(chǎng)地的特征樹(shù)木及花桿三維坐標(biāo)進(jìn)行量測(cè)，通過(guò)地面測(cè)量系統(tǒng)整理出無(wú)人機(jī)獲取的地物坐標(biāo)(樹(shù)木、特征點(diǎn)、林火點(diǎn))的三維坐標(biāo)，通過(guò)人為分析比對(duì)，歸納出地面精準(zhǔn)獲取地物點(diǎn)配套的無(wú)人機(jī)獲取的與其相近特征點(diǎn)三維坐標(biāo)，具體見(jiàn)表1和表2。

地面測(cè)量系統(tǒng)使用的南方NTS-3401型免棱鏡全站儀進(jìn)行樣地測(cè)量，儀器的精度為3 mm＋2×10－6D[11]。試驗(yàn)中，選取地面測(cè)量系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)作為真值，用來(lái)檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)精度，無(wú)人機(jī)兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地獲取特征點(diǎn)三維坐標(biāo)的真誤差分別如圖6和圖7所示。

表1 試驗(yàn)場(chǎng)地1(楊樹(shù)林)針對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量坐標(biāo)的檢驗(yàn)結(jié)果

表2 試驗(yàn)場(chǎng)地2(土丘)針對(duì)無(wú)人機(jī)測(cè)量坐標(biāo)的檢驗(yàn)結(jié)果

圖6 試驗(yàn)場(chǎng)地1(楊樹(shù)林)無(wú)人機(jī)測(cè)量的三維坐標(biāo)真誤差圖

圖7 試驗(yàn)場(chǎng)地2(土丘)無(wú)人機(jī)測(cè)量的三維坐標(biāo)真誤差圖

通過(guò)圖6可以得出，六旋翼無(wú)人機(jī)針對(duì)樹(shù)冠下的火點(diǎn)三維坐標(biāo)定位的真誤差區(qū)間為(－8，10)，其中高程坐標(biāo)的離散區(qū)間大于平面坐標(biāo)離散區(qū)間，平面坐標(biāo)的精度3 m左右，而高程坐標(biāo)的精度為5 m左右；通過(guò)圖7可以發(fā)現(xiàn)，六旋翼無(wú)人機(jī)針對(duì)無(wú)樹(shù)冠遮擋的火點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量的精度要高于樹(shù)冠遮擋的林火坐標(biāo)精度，無(wú)人機(jī)獲取火點(diǎn)坐標(biāo)的真誤差區(qū)間為(－3，2)，平面坐標(biāo)的精度在1 m左右，高程坐標(biāo)的精度在1.5 m左右。分析無(wú)人機(jī)光禿土丘獲取特征點(diǎn)坐標(biāo)的精度高于樹(shù)林樣地內(nèi)獲取特征點(diǎn)坐標(biāo)的原因，是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)使用的測(cè)距為微波測(cè)距，由于樹(shù)冠的遮擋對(duì)無(wú)人機(jī)與特征點(diǎn)之間距離的量取產(chǎn)生了影響，從而導(dǎo)致特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)的精度降低。

五、結(jié)論與討論

本文提出了一種基于旋翼無(wú)人機(jī)定位林火點(diǎn)坐標(biāo)的方法，該方法解決了旋翼無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位林火點(diǎn)坐標(biāo)的難題，為森林火災(zāi)預(yù)防及火災(zāi)撲救指揮提供了決策性技術(shù)支持。

1)本文研究的基于GPS和微波測(cè)距的森林著火點(diǎn)定位方法，總體定位精度在10 m以?xún)?nèi)，無(wú)樹(shù)冠遮擋的林火點(diǎn)探測(cè)精度要高于樹(shù)冠遮擋下的火點(diǎn)坐標(biāo)探測(cè)精度，平面坐標(biāo)精度高于高程坐標(biāo)精度。整體相對(duì)精準(zhǔn)測(cè)量的精度來(lái)說(shuō)是低精度，但完全滿足林火監(jiān)測(cè)的精度要求，森林防火中的火點(diǎn)定位精度屬于林業(yè)測(cè)量粗放型的測(cè)量要求，50 m左右的偏差就足以提供林火監(jiān)測(cè)信息。

2)飛行員駕駛的飛機(jī)在森林防火巡航時(shí)，對(duì)森林火點(diǎn)定位時(shí)，依靠飛行人員目測(cè)判別后根據(jù)地形圖定位出火點(diǎn)方位，因部分大片森林，人員無(wú)法準(zhǔn)確尋找出參照物，導(dǎo)致人員目估林火點(diǎn)定位精度穩(wěn)定性低，從而導(dǎo)致耽誤森林撲救指揮的決策和時(shí)機(jī)?；贕PS和微波測(cè)距的森林著火點(diǎn)定位方法是一種能夠迅速、準(zhǔn)確、自動(dòng)判斷森林著火點(diǎn)位置，有效解決了上述有人機(jī)林火監(jiān)測(cè)中的難題。

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Forest Fires Locating Technology Based on Rotor UAV

HE Cheng，ZHANG Siyu，YAO Shuren

P237

B

0494-0911(2014)12-0024-04

何誠(chéng)，張思玉，姚樹(shù)人.旋翼無(wú)人機(jī)林火點(diǎn)定位技術(shù)研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(12)：24-27.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0389

2014-07-31

國(guó)家林業(yè)局948項(xiàng)目(2013-4-65)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(LGZD201401)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2014M561092)

何 誠(chéng)(1985—)，男，安徽馬鞍山人，博士后，講師，主要從事測(cè)繪與3S技術(shù)、森林防火研究工作。

張思玉