基于多无人机的森林防火系统及其方法
技术领域
本发明涉及森林防火技术领域，也属于无人机技术领域，具体涉及一种基于多无人机的森林防火系统及其方法。
背景技术
森林是以木本植物为主体的生物群落，是集中的乔木与其它植物、动物、微生物和土壤之间相互依存相互制约，并与环境相互影响，从而形成的一个生态系统的总体。它具有丰富的物种，复杂的结构，多种多样的功能。森林被誉为“地球之肺”。也就是说，森林一直都在人类的生产生活中扮演着重要的角色，它提供给人类丰富的资源，对自然起到至关重要的作用。森林不仅能给我们提供大量的木材用于生产生活，而且还是很多生物的栖息家园，同时它还具有很大的生态效益。森林中一旦发生火灾，其后果一般都是毁灭性的。森林火灾发生后，不仅成片的树木都会被烧毁，而且栖息在森林中的动物也会被烧死，土壤也会因为高温而失去活性，最终生态会失去平衡，对人类造成极大的影响。
目前的无人机防火系统，有通过机载火灾传感器报警的，一旦烟雾、火焰、温度超过设定阈值，就会触发传感器报警，但是因为传感器放置在无人机上，所以无人机在空中会影响传感器对地面森林的感应精度，导致检测准确度不高或者不及时。还有通过无人机搭载摄像头，拍摄疑似着火区域，再由人工进行识别，这种方式不仅人工成本高，而且耗费时间成本长。森林不像室内有东西阻挡，所以一旦发生火灾，扩散是非常迅速的，目前大部分无人机防火系统都难以应对森林中大型的火灾。
因此需要一种新的森林防火系统，来解决现有的所述诸多缺陷。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于多无人机的森林防火系统及其方法，有效避免了现有技术中森林防火系统准确度不高、自主识别性不强、检测不及时、难以应对森林中大型火灾的缺陷。
为了克服现有技术中的不足，本发明给予了一种基于多无人机的森林防火系统及其方法的解决方案，具体如下：
一种基于多无人机的森林防火系统的方法，包括如下步骤：
步骤1：地面站接收所述烟雾传感器发送来的其所在地点的作为报警信息的烟雾信息；
步骤2：地面站控制巡检无人机起飞前往进行对疑似着火区的图像采集，并把该图像传输给地面站进行火灾检测来判断是否真的发生火灾。
进一步，所述把该图像传输给地面站进行火灾检测来判断是否真的发生火灾的方法，包括：
所述巡检无人机悬停在疑似着火区的上方拍摄并实时对地面站发回该疑似着火区的实况图像，所述巡检无人机对实况图像进行拼接处理得到全景图，然后进行火灾检测和火灾蔓延预测。
进一步的，所述巡检无人机会定期对森林的区域进行巡检，同时会拍摄森林的区域的图像发回给地面站，再由地面站的工作人员根据图像信息统计每个区域所生长的植被类型，输入地面站的数据库中。
进一步的，所述得到全景图以后，还包括：地面站对图片进行火灾检测，若检测结果为假，则认定为烟雾传感器节点误报警，地面站通知所有派出的巡检无人机返航；若检测结果为真，则地面站根据拼接后的图像，再结合当地气象部门发布的当天气象信息，包括当地温度、湿度、降雨量、风速、风向、地温和气压，再通过数据库查询火场区域的植被类型，并且结合相关消防知识，对火灾区域进行蔓延预测，并计算预测后火场区域的面积。
进一步的，所述蔓延趋势能划分为主要战略地带，蔓延趋势小的划分为次要战略地带。
进一步的，所述地面站将火场面积转换为任务量，按灭火任务量1:2的比例命令消防无人机先灭主要地带的火，再灭次要地带的火；而消防无人机飞至报警位置，根据当时风向，由上风口进入火场，优先对火尾和火翼位置投放灭火弹，阻止火灾向更多的区域蔓延。
进一步的，所述消防无人机投放灭火弹后，所述巡检无人机再对火灾区进行拍摄，将图像发回给地面站，地面站再次对巡检无人机发回的图像进行火灾检测，并对比灭火弹投放前后的图像，在图像中将区域分别标定为未燃区，燃烧区和燃尽区；然后再让消防无人机继续对燃烧区灭火，如此循环，直至未检测到燃烧区，地面站再通知所有无人机返航。
所述基于多无人机的森林防火系统，包括：
设置在森林各处需要监测森林火灾的地点的若干烟雾传感器节点，所述烟雾传感器节点用于采集所在地点的烟雾信息；
所述烟雾传感器节点与地面站无线连接，所述地面站用于接收所述烟雾传感器发送来的其所在地点的作为报警信息的烟雾信息；
所述地面站还与巡检无人机无线连接，所述地面站还用于接收到所述烟雾传感器发送来的报警信息后，控制所述巡检无人机起飞前往进行对疑似着火区的图像采集，并把该图像传输给所述地面站进行火灾检测来判断是否真的发生火灾。
进一步的，所述烟雾传感器节点，包括烟雾检测模块、GPS全球定位模块和通信交互模块，所述烟雾检测模块、GPS全球定位模块均和通信交互模块通信连接，所述烟雾传感器用于对森林火灾的前期识别以及所述GPS全球定位模块通过所述通信交互模块向地面站发送疑似着火区域位置。
进一步的，所述巡检无人机包括无人机姿态模块、位置模块、图像模块和通信交互模块；所述无人机姿态模块、位置模块、图像模块均和通信交互模块通信连接。
进一步的，所述基于多无人机的森林防火系统，还包括：
消防无人机；
所述消防无人机包括多台，用于接收所述地面站发出的出警任务，飞至火灾区域完成无人机灭火任务，并记录和储存灭火全过程。
进一步的，消防无人机包括无人机姿态模块、位置模块、图像模块、通信交互模块和消防模块；所述消防模块包括灭火弹投射装置，所述灭火弹投射装置与消防无人机控制端相连。
进一步，所述巡检无人机和消防无人机搭载锂电池和太阳能发电板。
本发明的有益效果为：
本发明通过无人机巡检，减少了人工投入成本，提高了巡检效率。在林中通过无人机播撒小型烟雾传感器节点，可以有效增加监测覆盖率，做到发生火灾及时报警，尽可能将火灾扑灭在初期，避免产生更大的损失。本发明采取多台无人机悬停于火场上空，实时拍摄并发回火场图像，地面站再对这些无人机拍摄的图像进行拼接处理，不仅实时性有所保障，而且对森林火灾的全局也有了整体性的判断。再通过大数据，结合当地气象部门发布的当天气象信息，以及火场区域的植被类型和相关消防知识，对火灾区域进行蔓延预测，并计算预测后火场区域的面积。蔓延趋势大的划分为主要战略地带，蔓延趋势小的划分为次要战略地带。地面站将火场面积转换为任务量，按灭火任务量1:2的比例派出消防无人机，先灭主要地带的火，再灭次要地带的火。消防无人机飞至报警位置，根据当时风向，由上风口进入火场，优先对火尾和火翼位置投放灭火弹，阻止火灾向更多的区域蔓延。无人机结合机器视觉使得整个系统更加灵活机动。通过消防无人机携带灭火弹灭火，消防人员的生命安全得到了有效的保障。巡检无人机，消防无人机都采用锂电池结合太阳能发电板，可以有效增加续航里程。
附图说明
图1为本发明的基于多无人机的森林防火系统的结构图。
图2为本发明的基于多无人机的森林防火系统的方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
如图1-图2所示，基于多无人机的森林防火系统的方法，包括如下步骤：
步骤1：地面站接收所述烟雾传感器发送来的其所在地点的作为报警信息的烟雾信息；
步骤2：地面站控制巡检无人机起飞前往进行对疑似着火区的图像采集，并把该图像传输给地面站进行火灾检测来判断是否真的发生火灾。这样地面站接收到所述烟雾传感器发送来的报警信息后，控制所述巡检无人机起飞前往进行对疑似着火区的图像采集，并把该图像传输给所述地面站进行火灾检测来判断是否真的发生火灾，由此使得本发明的森林防火系统的准确度高。
进一步，所述把该图像传输给地面站进行火灾检测来判断是否真的发生火灾的方法，包括：
所述巡检无人机悬停在疑似着火区的上方拍摄并实时对地面站发回该疑似着火区的实况图像，所述巡检无人机对实况图像进行拼接处理得到全景图，然后进行火灾检测和火灾蔓延预测。火灾检测即先对图像进行灰度处理，将图片由彩色转化成灰度图像，进行二值化分析，再清除图像的噪声，最后提取图像的特征，分别从动态特征和静态特征两个方面对火焰和烟雾进行分析，采用颜色检测和运动检测；另外使用Rothermel模型算法预测森林火灾的蔓延趋势。火灾蔓延预测巡检无人机包括多台，由地面站控制，用于拍摄森林实况图片，发回给地面站进行图像拼接和火灾检测处理。地面站收到烟雾传感器节点的报警信息，派出巡检无人机前往。巡检无人机到达疑似着火区域上空后，定高飞行，将下方疑似着火区的图像拍摄发回给地面站，地面站用于接收和集中处理所述森林中数据信息和统计森林上空无人机数量，对派出的多台巡检无人机悬停拍摄并发回的实况图像进行拼接处理。这样就是：巡检无人机包括多台，听从地面站调遣，飞至目标地点，悬停于空中，实时拍摄图像，发回给地面站进行图像拼接和火灾检测处理。
基于多无人机的森林防火系统所述巡检无人机会定期对森林的区域进行巡检，同时会拍摄森林的区域的图像发回给地面站，再由地面站的工作人员根据图像信息统计每个区域所生长的植被类型，输入地面站的服务器数据库中，便于发生火灾后地面站做蔓延预测时查询火灾区域植被类型。这样就能更为全面了解森林火灾的损害情况。
基于多无人机的森林防火系统所述得到全景图以后，还包括：地面站对图片进行火灾检测，若检测结果为假，则认定为烟雾传感器节点误报警，地面站通知所有派出的巡检无人机返航；若检测结果为真，则地面站根据拼接后的图像，再结合当地气象部门发布的当天气象信息，包括当地温度、湿度、降雨量、风速、风向、地温和气压，再通过数据库查询火场区域的植被类型，并且结合相关消防知识，对火灾区域进行蔓延预测，并计算预测后火场区域的面积。该预测方法是在无风条件下，火场内各个方向的蔓延速度相等，所以蔓延形成的范围是一个圆；在有风条件下，火场内各个方向的蔓延速度不等，风速方向蔓延速度最大，火场形状可简化为椭圆形，长轴为风速方向。同样在有坡度情况下，火场方向也可简化为椭圆，长轴为上坡方向。在风速和坡度的综合影响下，火场方向可近似简化成椭圆，长轴为最大火蔓延方向。从而得出预测后的火场面积。根据透镜成像原理，结合无人机的高度、角度和位置信息，可以得到拍摄图像每个像素点的实际面积,然后最终求出整个区域的实际面积。
基于多无人机的森林防火系统所述蔓延趋势能划分为主要战略地带，蔓延趋势小的划分为次要战略地带。划分的依据为：蔓延速度大且在火场附近无天然或人为防火障碍物，火势可以向周围蔓延的区域为主要战略地带；蔓延速度相对较小且在火场外界有天然或人为防火障碍物，火势不易扩大的区域为次要战略地带。
基于多无人机的森林防火系统所述地面站将火场面积转换为任务量，为防止火灾蔓延速度大于预期，按灭火任务量1:2的比例命令消防无人机先灭主要地带的火，再灭次要地带的火；灭火任务量1:2的比例就是一个火灾区域用2架消防无人机灭火。而消防无人机飞至报警位置，根据当时风向，由上风口进入火场，优先对火尾和火翼位置投放灭火弹，阻止火灾向更多的区域蔓延。
基于多无人机的森林防火系统所述消防无人机投放灭火弹后，所述巡检无人机再对火灾区进行拍摄，将图像发回给地面站，地面站再次对巡检无人机发回的图像进行火灾检测，并对比灭火弹投放前后的图像，在图像中将区域分别标定为未燃区，燃烧区和燃尽区；然后再让消防无人机继续对燃烧区灭火，如此循环，直至未检测到燃烧区，地面站再通知所有无人机返航。
所述基于多无人机的森林防火系统，包括：
设置在森林各处需要监测森林火灾的地点的若干烟雾传感器节点，所述烟雾传感器节点用于采集所在地点的烟雾信息；
所述烟雾传感器节点与地面站无线连接，所述地面站用于接收所述烟雾传感器发送来的其所在地点的作为报警信息的烟雾信息；烟雾传感器节点包括多个，遍布于森林各处。火灾发生前期，烟雾传感器就能及时监测，并快速进行报警，向地面站发送着火位置。
所述地面站还与巡检无人机无线连接，所述地面站还用于接收到所述烟雾传感器发送来的报警信息后，控制所述巡检无人机起飞前往进行对疑似着火区的图像采集，并把该图像传输给所述地面站进行火灾检测来判断是否真的发生火灾，所述巡检无人机上设置有摄像机。这样地面站接收到所述烟雾传感器发送来的报警信息后，控制所述巡检无人机起飞前往进行对疑似着火区的图像采集，并把该图像传输给所述地面站进行火灾检测来判断是否真的发生火灾，由此使得本发明的森林防火系统的准确度高。
基于多无人机的森林防火系统所述烟雾传感器节点，包括烟雾检测模块、GPS全球定位模块和通信交互模块，所述烟雾检测模块、GPS全球定位模块均和通信交互模块通信连接，所述烟雾检测模块包括离子式烟雾传感器，所述通信交互模块包括NB-IoT通信模块，所述离子式烟雾传感器用于对森林火灾的前期识别以及所述GPS全球定位模块通过所述通信交互模块向地面站发送疑似着火区域位置。
基于多无人机的森林防火系统所述巡检无人机包括无人机姿态模块、位置模块、图像模块和通信交互模块；所述姿态模块包括陀螺仪、加速度计、惯性传感器和磁力计。位置模块包括气压计和GPS全球定位。图像模块包括摄像头模组。通信交互模块包括NB-IoT通信模块。所述无人机姿态模块、位置模块、图像模块均和通信交互模块通信连接。
基于多无人机的森林防火系统所述基于多无人机的森林防火系统，还包括：
消防无人机；
所述消防无人机包括多台，用于接收所述地面站发出的出警任务，飞至火灾区域完成无人机灭火任务，并记录和储存灭火全过程。
基于多无人机的森林防火系统消防无人机包括无人机姿态模块、位置模块、图像模块、通信交互模块和消防模块；所述无人机姿态模块包括陀螺仪；加速度计；惯性传感器；磁力计。所述位置模块包括气压计；GPS全球定位。所述图像模块包括摄像头模组。通信交互模块包括NB-IoT通信模块。所述消防模块包括灭火弹投射装置，所述灭火弹投射装置与消防无人机控制端相连，其中，灭火弹投弹装置上装有多枚灭火弹。
基于多无人机的森林防火系统所述巡检无人机和消防无人机搭载锂电池和太阳能发电板。
本发明通过无人机巡检，减少了人工投入成本，提高了巡检效率。在林中通过无人机播撒小型烟雾传感器节点，可以有效增加监测覆盖率，做到发生火灾及时报警，尽可能将火灾扑灭在初期，避免产生更大的损失。森林中发生火灾，很快就会向周围扩散，这时想要通过一台无人机就很难拍摄到火场的全局图像，若采用一台无人机来回拍摄，实时性得不到保障，会贻误灭火时机，若为了全局性考虑，将无人机的飞行高度提升，检测的准确性又受到了影响。所以本发明采取多台无人机悬停于火场上空，实时拍摄并发回火场图像，地面站再对这些无人机拍摄的图像进行拼接处理，不仅实时性有所保障，而且对森林火灾的全局也有了整体性的判断。再通过大数据，结合当地气象部门发布的当天气象信息，以及火场区域的植被类型和相关消防知识，对火灾区域进行蔓延预测，并计算预测后火场区域的面积。蔓延趋势大的划分为主要战略地带，蔓延趋势小的划分为次要战略地带。地面站将火场面积转换为任务量，按灭火任务量1:2的比例派出消防无人机，先灭主要地带的火，再灭次要地带的火。消防无人机飞至报警位置，根据当时风向，由上风口进入火场，优先对火尾和火翼位置投放灭火弹，阻止火灾向更多的区域蔓延。无人机结合机器视觉使得整个系统更加灵活机动。通过消防无人机携带灭火弹灭火，消防人员的生命安全得到了有效的保障。巡检无人机，消防无人机都采用锂电池结合太阳能发电板，可以有效增加续航里程。
以上以用实施例说明的过程对本发明作了描述，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上描述的实施例，在不偏离本发明的范围的状况下，能够做出每种变动、改变和替换。
