毛潤(rùn)科，胡勐鴻，張宏生，郭 贊，賈 軍，薛娜娜

(1.甘肅省小隴山林業(yè)實(shí)驗(yàn)局李子林場(chǎng)，甘肅 天水 741020；2.甘肅省小隴山林業(yè)實(shí)驗(yàn)局林業(yè)科學(xué)研究所/甘肅省次生林培育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 天水 741020；3.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助困難的自然災(zāi)害。近年來，由于環(huán)境日益惡化，世界各地氣候變化異常，地球不斷增溫。高溫、干旱、大風(fēng)等極端天氣增多，以及人為活動(dòng)頻繁，致使森林火險(xiǎn)等級(jí)持續(xù)居高不下。重特大火災(zāi)在世界各地呈多發(fā)趨勢(shì)，一旦超出人為控制后在森林中延伸擴(kuò)展，就會(huì)給人類生命安全和財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失，給生態(tài)環(huán)境帶來巨大危害，短期內(nèi)難以修復(fù)。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)林火發(fā)生和對(duì)林火進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不僅是森林防火的重要組成部分，而且是有效控制森林火災(zāi)蔓延，減小經(jīng)濟(jì)損失的重要手段[1]，同時(shí)，也是火災(zāi)撲救指揮決策的重要依據(jù)。目前，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。衛(wèi)星遙感易受自身軌道周期和天氣影響，實(shí)時(shí)性和分辨率較差；塔臺(tái)瞭望的實(shí)時(shí)性雖好，但單個(gè)塔臺(tái)覆蓋范圍有限，需組網(wǎng)配置，故成本較高，且受地形影響大，存在視覺盲點(diǎn)；人工地面巡視效率低，視線易被遮擋故觀察范圍有限；飛機(jī)巡護(hù)的實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性雖佳，但維護(hù)和使用成本高，難以大規(guī)模、常態(tài)化使用。而多旋翼無人機(jī)具備機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠垂直起降，空中穩(wěn)定懸停[2]，以及響應(yīng)速度快、俯瞰視野清晰、適合云臺(tái)布局、經(jīng)濟(jì)可靠、高效便捷等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是在復(fù)雜多樣的較大范圍林地現(xiàn)場(chǎng)巡護(hù)和進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)時(shí)，能夠快速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，為火災(zāi)的預(yù)防和撲救提供第一手資料。

利用無人機(jī)搭載的攝影器材獲取高分辨率遙感影像已逐漸成為一種流行[3]。所做的工作證明了無人機(jī)在不同情況下的適用性，能夠及時(shí)、靈活地從不同有效監(jiān)測(cè)載荷中獲取高分辨率數(shù)據(jù)[4]。無人機(jī)高空俯視開展森林防火巡護(hù)，作為人工實(shí)地作業(yè)重要的補(bǔ)充和輔助[5]，是未來森林防火巡護(hù)和火災(zāi)監(jiān)測(cè)方面工作的必然趨勢(shì)[6]。但是無人機(jī)航空影像的像幅小，航片之間的重疊度較大[7]，無人機(jī)作業(yè)航線數(shù)量及成像總數(shù)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期，導(dǎo)致內(nèi)外業(yè)工作量加大，不可控因素增加。目前裝備的小型無人機(jī)的續(xù)航多在15～25 min之間，因此在較大范圍復(fù)雜多樣的林區(qū)使用無人機(jī)進(jìn)行森林防火巡護(hù)和火災(zāi)監(jiān)測(cè)，克服無人機(jī)續(xù)航時(shí)間短，航路重復(fù)，避免盲目性，提高空中作業(yè)的有效運(yùn)行時(shí)間，并保證設(shè)備安全返回的關(guān)鍵是航路規(guī)劃(Path Planning)。

2 航路規(guī)劃基本方法

在利用無人機(jī)巡護(hù)時(shí)多采集正射影像資料供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或后期數(shù)據(jù)分析，針對(duì)超出鏡頭視角范圍的較大范圍工作面時(shí)，一般采取多航路拍攝的方法來彌補(bǔ)。無人機(jī)的機(jī)身質(zhì)量與負(fù)荷嚴(yán)重影響了無人機(jī)的續(xù)航能力，同時(shí)，無人機(jī)平臺(tái)和像控點(diǎn)之間的通信距離有限，相對(duì)低的能量來源，電池需要有效的利用，使其功能達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)[8]。無人機(jī)航路規(guī)劃實(shí)際上是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化過程，即要求找到一條從當(dāng)前位置到期望目標(biāo)位置的最佳可飛航路，同時(shí)滿足一定的約束條件[9]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)航路規(guī)劃算法研究較多。比較流行的多產(chǎn)生或運(yùn)用于二維航路規(guī)劃，如：?jiǎn)l(fā)式(搜索)算法(隨機(jī)型搜索算法和確定型搜索算法)、隨機(jī)路標(biāo)圖(PRM)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模擬退火算法、遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法[10]、Voronoi圖法[11]、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、A*及改進(jìn)型算法、Dijkstra’s算法、D*算法等[12]，近年來，這些方法逐漸被擴(kuò)展到三維(3D),如尹高揚(yáng)等人于2016年采用改進(jìn)的快速擴(kuò)展隨機(jī)樹法，解決了三維空間下的無人機(jī)航路規(guī)劃問題，在搜索最優(yōu)路徑的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了障礙和威脅規(guī)避[13]。

針對(duì)無人機(jī)森林防火巡護(hù)工作任務(wù)，本文航路規(guī)劃依設(shè)備參數(shù)(鏡頭視角、飛行高度、續(xù)航能力)對(duì)照目標(biāo)區(qū)域大比例地形圖進(jìn)行前期數(shù)據(jù)計(jì)算，結(jié)合GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位和視角感知，將規(guī)劃空間表示成一系列導(dǎo)航點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)圖，引入飛行高度(H)因子，將水平面和垂直平面的規(guī)劃問題同時(shí)考慮，主要航路軌跡平面向量上移至一定高度空中作業(yè)面，構(gòu)建三維立體模型，更加符合無人機(jī)森林防火巡護(hù)飛行的環(huán)境、任務(wù)、安全、時(shí)效等要求。

3 航路規(guī)劃約束條件

因無人機(jī)森林防火巡護(hù)使用場(chǎng)景的特殊性，其航路規(guī)劃不同于大多數(shù)研究點(diǎn)專注于導(dǎo)航精度的提升及主動(dòng)威脅(如雷達(dá)、導(dǎo)彈)規(guī)避等方面。無人機(jī)森林防火巡護(hù)航路規(guī)劃主要約束條件集中在機(jī)動(dòng)性能、工作環(huán)境、能量供應(yīng)、安全威脅、操作技術(shù)等方面。

無人機(jī)運(yùn)動(dòng)是一個(gè)自由度較大的剛體運(yùn)動(dòng)[14]，飛行航向、姿態(tài)、空速、高度等機(jī)動(dòng)性能是影響飛行任務(wù)完成的一個(gè)重要方面。受限于無人機(jī)最大攜帶負(fù)載和電池能量密度，能量供應(yīng)是航路規(guī)劃必須考慮的問題。無人機(jī)森林防火巡護(hù)主要工作面處于森林林冠層上方，巡護(hù)作業(yè)時(shí)需要考慮大風(fēng)天氣、險(xiǎn)要地形、高大喬木、人工障礙物等的不利影響。林區(qū)無人機(jī)高空作業(yè)安全威脅源主要考慮鷹類猛禽的攻擊，曾有鷹類猛禽攻擊無人機(jī)的飛行安全事故發(fā)生，無人機(jī)巡護(hù)作業(yè)時(shí)注意避開鷹類猛禽的巢穴周圍和外出捕食及活動(dòng)時(shí)間段，作業(yè)時(shí)如發(fā)現(xiàn)無人機(jī)上空出現(xiàn)鷹類猛禽盤飛，應(yīng)迅降低飛行高度進(jìn)行規(guī)避。當(dāng)出現(xiàn)影響飛行安全的臨時(shí)約束事件或已知約束條件出現(xiàn)變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)規(guī)劃新的航路，在保證安全的前提下完成工作任務(wù)。

4 航點(diǎn)確定

(1)

S1=L2=OB2=(2CB)2

(2)

n=S/S1

(3)

圖1 無人機(jī)巡護(hù)示意

5 三維立體模型

考慮工作目標(biāo)、安全威脅、無人機(jī)平臺(tái)參數(shù)及對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程產(chǎn)生的影響，分析無人機(jī)工作環(huán)境并進(jìn)行數(shù)學(xué)抽象和描述，構(gòu)建約束條件下的無人機(jī)工作導(dǎo)航點(diǎn)和垂點(diǎn)位置的空間模型。在此基礎(chǔ)上，以最大效率和最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)計(jì)算，對(duì)無人機(jī)航路進(jìn)行規(guī)劃。設(shè)定無人機(jī)主要工作面剖面高度值為不變量，采用三維空間模型，可以較為直觀地表現(xiàn)工作任務(wù)過程中的航路軌跡，使無人機(jī)平臺(tái)搭載的影像采集設(shè)備鏡頭獲取的對(duì)應(yīng)區(qū)域面積始終保持一致，多航路拍攝巡護(hù)所采集到的數(shù)據(jù)重疊量減少，提高無人機(jī)高空作業(yè)的效率。

利用三角函數(shù)計(jì)算得知單次航攝覆蓋區(qū)域?qū)挾?L)和航點(diǎn)個(gè)數(shù)(n)，在三維坐標(biāo)上構(gòu)建立體模型，如圖2所示，K1、K2、K3、K4......Kn為航點(diǎn)，D1、D2、D3、D4......Dn為航點(diǎn)垂點(diǎn)，D1K1、D2K2、D3K3、D4K4......DnKn為飛行高度(H)，OXZ面為巡護(hù)目標(biāo)面，O1X1Z2為無人機(jī)主要工作面。

6 像控點(diǎn)布設(shè)

像控點(diǎn)的布設(shè)對(duì)無人機(jī)森林防火巡護(hù)工作影響較大。針對(duì)較大范圍巡護(hù)工作面時(shí)，受電池重量和蓄電能力等限制[15]，小型無人機(jī)很難一次完成巡護(hù)，需要選擇數(shù)個(gè)像控點(diǎn)，多次起飛作業(yè)。像控點(diǎn)選擇應(yīng)注意以下3點(diǎn)：①高程變化較小，地勢(shì)開闊，視野清晰，無較大遮擋物，避免峽谷、陡坡、尖山頭、高大喬木下等；②地面狀況簡(jiǎn)單，人員設(shè)備容易抵達(dá)，轉(zhuǎn)運(yùn)方便；③滿足無人機(jī)起飛條件，無干擾源(如高壓線)，不影響設(shè)備操控和信息采集。

圖2 無人機(jī)巡護(hù)航點(diǎn)和垂點(diǎn)立體模型

7 航路規(guī)劃

無人機(jī)森林防火巡護(hù)作業(yè)過程中，有效作業(yè)時(shí)間、能量消耗、路程、航拍影像資料重疊度、巡護(hù)區(qū)域覆蓋率和遺漏率等是評(píng)價(jià)航路規(guī)劃優(yōu)劣的主要參考指標(biāo)，在多個(gè)約束條件下，實(shí)現(xiàn)各指標(biāo)的綜合尋優(yōu)是本文航路規(guī)劃的主要目標(biāo)。

無人機(jī)森林防火巡護(hù)航路規(guī)劃可視為一種全覆蓋路徑規(guī)劃，其規(guī)劃基礎(chǔ)為螺旋法和牛耕往復(fù)法[16，17]。實(shí)際工作中，巡護(hù)任務(wù)區(qū)域一般為不規(guī)則面，為方便計(jì)算，可以對(duì)巡護(hù)區(qū)域擴(kuò)展為矩形平面，以此矩形平面進(jìn)行函數(shù)計(jì)算，標(biāo)示航點(diǎn)位置，在航路規(guī)劃中放棄任務(wù)區(qū)域外的航點(diǎn)。螺旋法航路規(guī)劃如圖3所示，為K1→K9→K17→K25→K33→K34→K35→K36→K37→K38→K39→K40→K32→K24→K16→K8→K7→K6→K5→K4→K3→K2→K10→K18→K26→K27→K28→K29→K30→K31→K23→K15→K14→K13→K12→K11→K19→K20→K21→K22；牛耕往復(fù)法航路規(guī)劃如圖4所示，為K1→K9→K17→K25→K33→K34→K26→K18→K10→K2→K3→K11→K19→K27→K35→K36→K28→K20→K12→K4→K5→K13→K21→K29→K37→K38→K30→K22→K14→K6→K7→K15→K23→K31→K39→K40→K32→K24→K16→K8。

螺旋法和牛耕往復(fù)法兩種方法均可對(duì)工作區(qū)域完成巡護(hù)，但返回路程方面螺旋法(圖3：K22→K1)較牛耕往復(fù)法(圖4：K8→K1)略短。一般在巡護(hù)區(qū)域航點(diǎn)確定以后，在總路程方面，兩種方法差別較小。無人機(jī)的巡護(hù)航路規(guī)劃主要是對(duì)中途往返線路的規(guī)劃，特別是針對(duì)較大區(qū)域巡護(hù)時(shí)，從能量供應(yīng)和作業(yè)效率等約束條件出發(fā)，可以布設(shè)數(shù)個(gè)像控點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況，使用螺旋法和牛耕往復(fù)法相互組合，合理分配各架次的工作任務(wù)，完成任務(wù)區(qū)域森林防火巡護(hù)。

圖3 螺旋法

圖4 牛耕往復(fù)法

8 討論

將無人機(jī)航拍、5G通信、遙感、自動(dòng)化控制等技術(shù)和重要區(qū)域監(jiān)控及森林防火實(shí)地巡護(hù)結(jié)合起來，并互為補(bǔ)充，是未來林火管理步入人工智能時(shí)代的重要發(fā)展方向。本文通過前期數(shù)據(jù)計(jì)算，構(gòu)建三維立體模型，標(biāo)示航點(diǎn)位置，結(jié)合GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)定位和視角感知，規(guī)劃最優(yōu)航路，更加符合無人機(jī)森林防火巡護(hù)飛行的環(huán)境、任務(wù)、安全、時(shí)效等要求，在很大程度上節(jié)省了人力、物力、財(cái)力及時(shí)間成本，是解決森林防火難題的有效途徑。無人機(jī)作為人類感知能力在空中的延伸和擴(kuò)展，與森林防火工作領(lǐng)域有著很高的行業(yè)契合度及多層次的應(yīng)用發(fā)展空間。未來，使用無人機(jī)進(jìn)行空中巡護(hù)、防火宣傳、林火撲救，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和畫面回傳、共享，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別煙塵、熱源及可疑人員，有助于實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)預(yù)防預(yù)警工作的自動(dòng)化、信息化以及時(shí)效化，對(duì)于實(shí)現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化和智慧林業(yè)建設(shè)潛力巨大。