北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 魏 鑫

基于嵌入式的無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)秸稈焚燒系統(tǒng)研究

北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)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(dǎo)致霧霾的產(chǎn)生。傳統(tǒng)的秸稈焚燒監(jiān)測(cè)主要采用遙感衛(wèi)星進(jìn)行大范圍的監(jiān)控，但遙感衛(wèi)星存在過(guò)境時(shí)間短、監(jiān)測(cè)次數(shù)有限等缺陷，而且對(duì)焚燒火點(diǎn)的監(jiān)測(cè)不夠準(zhǔn)確。針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出了一種基于嵌入式的無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)秸稈焚燒系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，精確度高、操作簡(jiǎn)捷且成本較低，具有一定的科研和應(yīng)用價(jià)值。

秸稈焚燒；嵌入式；無(wú)人機(jī)航拍；監(jiān)測(cè)

0 引言

雖然我國(guó)早已于1999年頒布《秸稈禁燒和綜合利用管理辦法》[1]來(lái)遏制秸稈焚燒，但是農(nóng)村地區(qū)秸稈焚燒形勢(shì)依然不容樂(lè)觀。露天秸稈焚燒危害巨大，首先它會(huì)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(yán)重大氣污染，同時(shí)也是霧霾的誘因之一。其次，秸稈焚燒形成的煙霧會(huì)造成空氣能見(jiàn)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(dǎo)致火災(zāi)。最后秸稈焚燒會(huì)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(guó)對(duì)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(guó)家）層面上進(jìn)行秸稈焚燒監(jiān)測(cè)成效顯著，但是在小范圍（縣或者市）內(nèi)存在衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間較短、監(jiān)測(cè)次數(shù)較少以及對(duì)焚燒火點(diǎn)的監(jiān)測(cè)誤差較大等缺陷。基于此，廣大農(nóng)村地區(qū)還在實(shí)行“干部包村”的形式來(lái)防控秸稈焚燒。干部組織工作人員或者村民，對(duì)村里的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行全天候或不定期的巡查，這種辦法無(wú)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(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)秸稈焚燒系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，整個(gè)系統(tǒng)主要有無(wú)人機(jī)部分、地面操作站部分和調(diào)度中心部分三大部分組成。無(wú)人機(jī)部分主要完成對(duì)指定區(qū)域秸稈焚燒的監(jiān)測(cè)和巡航，采集到秸稈焚燒圖像，并將拍攝圖像和焚燒火點(diǎn)的位置信息發(fā)送至地面操作站。地面操作站部分作為無(wú)人機(jī)部分和調(diào)度中心部分的中轉(zhuǎn)平臺(tái)，主要完成對(duì)無(wú)人機(jī)發(fā)送控制命令，實(shí)時(shí)接收無(wú)人機(jī)傳來(lái)的秸稈焚燒圖像和拍攝位置信息，并將該信息通過(guò)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(gè)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(lái)的圖像和位置信息后，將秸稈焚燒圖像通過(guò)圖像去霧增強(qiáng)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jìn)行核驗(yàn)。

2 無(wú)人機(jī)部分

本系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)選用價(jià)格相對(duì)低廉、技術(shù)相對(duì)成熟的四翼飛行器，四翼飛行器上搭載了一個(gè)嵌入式智能拍照平臺(tái)。該嵌入式智能拍照平臺(tái)主要由微控制器、攝像頭模塊、存儲(chǔ)器模塊、有害氣體傳感器模塊、衛(wèi)星定位模塊、慣性測(cè)量模塊和無(wú)線信號(hào)收發(fā)器組成。當(dāng)四翼飛行器在設(shè)定航線巡航過(guò)程中，有害氣體傳感器模塊檢測(cè)到某位置或區(qū)域的硫化物和氮化物氣體嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，微控制器控制攝像頭開(kāi)啟進(jìn)行拍照，并將照片保存至存儲(chǔ)器。同時(shí)衛(wèi)星定位模塊將該拍攝位置的位置信息保存至存儲(chǔ)器，慣性測(cè)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(chǔ)器。微控制器將存儲(chǔ)器中的照片、位置及拍攝姿態(tài)角信息通過(guò)無(wú)線信號(hào)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(gè)系統(tǒng)中起著中轉(zhuǎn)站的作用。目前，無(wú)人機(jī)雖然迎來(lái)了大發(fā)展，但是其續(xù)航能力還是較差，普通無(wú)人機(jī)大約續(xù)航1至2小時(shí)，地面操作站的設(shè)立為無(wú)人機(jī)電源充電提供了便利。同時(shí)，地面操作站的建立解決了航拍圖像遠(yuǎn)程傳輸?shù)碾y題，無(wú)人機(jī)航拍測(cè)得圖像只需通過(guò)無(wú)線信號(hào)收發(fā)器傳至相應(yīng)的地面操作站，然后地面操作站再通過(guò)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(guò)程中可能會(huì)發(fā)生挪動(dòng)，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(dāng)調(diào)度中心認(rèn)定某位置可能正在進(jìn)行秸稈焚燒時(shí)，會(huì)呼叫該位置最近的地面操作站執(zhí)法人員到指定位置進(jìn)行核驗(yàn)，確定是否是秸稈焚燒，從而大大提高了秸稈焚燒的監(jiān)測(cè)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(cè)與人員調(diào)度的中心，能夠通過(guò)Internet接收該區(qū)域內(nèi)多個(gè)地面操作站上傳來(lái)的秸稈焚燒圖像和拍攝位置信息，并將上傳來(lái)的圖像通過(guò)一個(gè)圖像去霧裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，然后再將處理后的圖像及拍攝位置信息存儲(chǔ)到大數(shù)據(jù)與云計(jì)算平臺(tái)中，工作人員觀察處理后的圖像認(rèn)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(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)。如果查證是秸稈焚燒，就按照相應(yīng)法律進(jìn)行處罰。上述圖像去霧裝置，是一個(gè)將航拍圖像增強(qiáng)算法移植到FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)上的裝置，而該航拍圖像增強(qiáng)算法是在暗通道先驗(yàn)算法基礎(chǔ)上，通過(guò)自適應(yīng)選擇修正系數(shù)來(lái)改善其處理白色高亮圖像引起的灰度和色彩失真問(wèn)題，而后采用自適應(yīng)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(jì)算平臺(tái)可以統(tǒng)計(jì)出該區(qū)域那些地點(diǎn)是秸稈焚燒高發(fā)區(qū)，方便工作人員對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于嵌入式的無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)秸稈焚燒系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)論述和深入研究。該系統(tǒng)可以與遙感衛(wèi)星監(jiān)測(cè)秸稈焚燒的方法互相配合、互相補(bǔ)充。使用遙感衛(wèi)星手段可以監(jiān)控大范圍（省或者國(guó)家）的秸稈焚燒情況，利用基于嵌入式的無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)秸稈焚燒系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)局部區(qū)域（市、縣或鎮(zhèn)）的秸稈焚燒監(jiān)測(cè)。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(jià)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(jī)械化探安徽省秸稈禁燒之可行性[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械,2013(4):114-116．

[4]解愛(ài)華,付榮?。斩挿贌龑?duì)農(nóng)田土壤動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]．山東農(nóng)業(yè)科學(xué),2006(3):56-57．

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

注：北方民族大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（YCX1676）。