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探究无人机探测扑救森林阴燃火方式方法
摘要：森林火灾中较为常见的是阴燃火。对扑救森林阴燃火的探测可以有效地掌握火场信息。为了使天空和地面形成一个整体的，能够 对阴燃火进行快速准确判断，还可以依据定位信息找到阴燃火发生点的确切位置,，使用控制中心、地面微小型机器人和无人机探测扑救阴燃火,无人机根据定位、地形、植被信息等进行超低空飞行,机器人根据控制中心发送的定位信息在地面行走到指定地点,将无人机成像光谱仪拍摄的高光谱图样与地面机器人拍摄的红外图像相结合,这样可以为监测阴燃火和救火提供有力支持。此技术对于探测扑救森林阴燃火或森林余火很是适用，为扑火指挥员及时组织队伍扑打和清除火灾隐患、避免小火蔓延成大灾提供了科学的参考价值。
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随着全球气候变暖,世界森林火灾频发,使得森林资源和人民群众生命财产损失严重。在森林火灾扑救中,扑火队员常处于一种高危险环境[1-3]。无论是林火研究发达的国家,如美国、加拿大等,还是林火研究不发达的国家,如印度尼西亚等,扑火队员都面临着相似的安全威胁。据统计,森林火灾引起的伤亡人数中,扑火队员所占的比重呈上升趋势,如何保证森林火灾扑救过程中扑火队员的人身安全成为各方关注的焦点[4-5]。第四次国际林火大会以扑火安全为主题,对林火安全研究工作的挑战、存在问题和关键领域等进行了深入分析和研讨,会议提议物理学家、生物学家和社会科学家团结起来、通力合作,在扑火安全方面针对迫切需要的设备开展研究。随着无人机应用范围的扩大和多种复杂场合的需要,无人机视觉伺服显得越来越重要。在目前的无人机实际应用中,由于定位精度、实时性、需求标定等问题,只有极少的场合运用了无人机视觉伺服定位,随着无人机行业的发展,无人机拥有视觉伺服能力及高精度检测功能将是必然趋势。但目前还没有一款无人机能够对森林余火进行监测、定位及实时有效清理;且难以因地因时制宜,缺乏足够的分析处理机制。由于上述原因,对现有的无人机做了深入研究,以解决背景技术问题。森林阴燃火对森林的危害极大,其所到之处会烧毁林木的根部,阴燃火是在地表下阴燃,逐渐蔓延,难以发现,对森林阴燃火的识别定位非常困难[6-7]。
1、森林阴燃火探测扑救技术
研究提供一种无人机联合地面微小型机器人探测扑救森林阴燃火的方法,以解决阴燃火识别定位难的问题。为此,建立一套完整的阴燃火探测扑救技术,该探测扑救系统主要由控制中心、地面微小型机器人和无人机组成。
1.1 控制中心
控制中心包括图像处理器、中央处理器和显示器,摄像头的图像信号输出端连接图像处理器的图像信号输入端,图像处理器的控制信号输出端连接摄像头的控制信号输入端,图像处理器的图像控制信号输出、输入端连接中央处理器的图像控制信号输入、输出端,中央处理器的信号显示输出端连接显示器的信号显示输入端。
1.2 地面微小型机器人
与控制中心进行无线通讯的地面行走机器人上设置有红外摄像机,控制中心能够控制地面行走机器人的行走和动作,并能够接收红外摄像机拍摄的红外图像,地面微小型机器人内部设置安全提示系统。
1.3无人机
无人机系统包括无人机本体、GPS接收器、成像光谱仪、控制无人机动作的驾驶中心、可编程控制器、红外热像仪、通讯传输模块和图像分析成型模块,挂载的红外热像仪和通讯传讯模块设置在无人机本体上,红外热像仪和通讯传输模块电性连接,可编程控制器内具有无人机飞行地的地形信息和植被信息,GPS接收器、成像光谱仪、控制无人机动作的驾驶中心分别与可编程控制器电连接,可编程控制器能够与地面的控制中心进行无线通讯。
2、火场数据采集
如果成像光谱仪显示有超过100℃的超温区,该超温区有落叶层,则把该超温区作为异常点,控制中心向机器人发送指令,机器人行走到异常点附近对该点进行红外摄像,控制中心再根据机器人发送的红外图像,确认异常点是否为森林阴燃火发生点。
2.1 数据采集及处理
数据采集模块用于实现传感器节点实时采集森林环境数据;数据上传模块用于实现传感器节点将采集到的森林环境数据通过无线网络传递给监控中心;数据分析模块用于实现监控中心结合森林环境数据、气象数据、地理数据和森林资源数据,对森林环境的危险程度进行分析;数据下放模块用于实现将分析后的结果下放给控制中心。
2.2 识别定位森林阴燃火
GPS接收器把接收到的无人机所在位置的定位信号传输给可编程控制器,该控制器将定位信号、无人机所在地点的地形和植被信息传输给驾驶中心,驾驶中心根据定位信号、地形信息、植被信息控制无人机,使无人机在植被上方5~20m范围内飞行,成像光谱仪拍摄地表的高光谱图像,并通过可编程控制器把拍摄的高光谱图像和定位信息传输到控制中心。
3、探测扑救技术在火场中的应用
无人机联合地面微小型机器人探测扑救森林阴燃火技术可根据森林环境、气象、地理和资源数据,对森林环境的危险程度进行分析。
3.1 探测扑救森林阴燃火技术方案
扑救森林地下火的无人机,机体顶端设有封盖,机体边缘四周等分设有六个机臂,机臂的末端均设有安装座,安装座上设有电机,电机上设有多旋翼。机体下端面上设有碳板,碳板上设有滑轨,滑轨上设有滑块,滑块上竖直设有滑杆,滑杆的自由端安装有热红外摄像头。机体下方对称设有支撑杆,两对称设置的支撑之间连接有搭载板,搭载板上设有储水箱,储水箱内填充有灭火剂,储水箱底部加工呈向内凹陷的装配槽,装配槽内设有喷雾泵,喷雾泵上设有与储水箱连通的连接管,搭载板下方还设有自动收放卷管器和连接杆,自动收放卷管器通过连接杆固定在搭载板下方,自动收放卷管器上缠绕有一端与喷雾泵连通的软管,软管另一端连接有喷雾头;机体内设置有飞行操控系统。探测扑救森林阴燃火无人机结构示意图如图1、图2所示。
图1 探测扑救森林阴燃火无人机主视图
图2 探测扑救森林阴燃火无人机俯视图
飞行操控系统包括中央处理器,中央处理器上电连接有电源、传感器、定位模块及控制器,控制器上电连接无线通讯模块且通过该模块与热红外摄像头、喷雾泵、自动收放卷管器及滑块电连接,控制器通过无线通讯模块还电连接到指挥中心。在其中两个机臂结构上设置有GPS定位装置,定位模块设置在GPS定位装置内,在机体的侧边缘上设置有安装孔,安装孔内设有导向器。储水箱一侧壁上设有与储水箱一体成型的进水管道,储水箱内设有若干层碳纤维隔板构成了若干个等体积的储存空间,每层碳纤维隔板上均匀设有若干流通孔。储水箱顶部一侧设有报警器,储水箱内部一侧设有穿过流通孔和报警器的触动杆,触动杆顶端设有配合报警器使用的触动开关,触动杆底端设有浮块。通过在无人机上搭载热红外摄像头来实时监测和感应森林地下火,当热红外摄像头监测感应到森林地下火后通过GPS定位装置进行精确定位,而后控制器启动喷雾泵和自动收放卷管器,自动收放卷管器将软管放到地下火上方的合适位置,喷雾泵抽取储水箱内的高效灭火剂对地下火进行清理、机动性好,可有效扑救森林地下火。储水箱的结构设计避免了箱内液体的晃动,能够保证无人机在飞行和作业过程中的稳定性,灭火剂用尽时可实时报警。机体与机臂为一体成型结构设置且均采用碳纤维材料制作,封盖与机体顶端为全密封合闭;碳纤维材料质量轻便、易加工,且耐磨性、耐摔性、抗冲击性均非常好。
3.2 无人机系统组成
无人机本体内设置有通讯传输模块和图像分析成型模块,挂载红外热像仪和通讯传输模块电性连接,可编程控制器内具有无人机飞翔地的地形信息和植被信息,GPS接收器、成像光谱仪、控制无人机动作的驾驶中心分别与可编程控制器电连接,可编程控制器能够与地面的控制中心进行无线通讯。探测扑救森林阴燃火无人机系统组成如图3所示。
图3 探测扑救森林阴燃火无人机系统组成
4、结束语
无人机探测扑救森林阴燃火技术,适用于探测扑救森林阴燃火或森林余火,其携带性、连续工作性及其可靠性非常适合于一线森林扑火队员用于火场清理作业,寻找和确定人眼不宜发现的森林阴燃火或森林余火的准确位置,为扑火指挥员及时组织队伍扑打和清除火灾隐患、避免小火蔓延成大灾提供了科学的技术手段。
参考文献:
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[3]历美岑,辛颖.森林凋落物的阴燃实验研究[J].西部林业科学,2016,12(45):84-88.
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[5]杨东升,章泽新,杨桦闻,等.森林火灾阴燃转变成明火条件研究[J].林业机械与木工设备,2016,44(2):21-25.
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张志东,何诚,张明远, 等.无人机探测扑救森林阴燃火技术[J].林业机械与木工设备,2019,47(8):36-39.
基金项目:国家自然科学基金项目(31570645);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(CAFYBB2018ZB005､CAFYBB2017MB011).
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随着国民经济的日益发展，生态环境建设的重要性凸显，掌握现有的森林资源状况，能够为生态环境建设提供更好的数据支撑。进行森林资源调查时，将各类统计、测量技术应用到调查工作中，能进一步提升工作的效率，而数字摄影测量技术的应用，为森林资源调查工作的顺利推进提供有效的技术支撑。
2021-04-13
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中密度纤维板的物理力学性能良好，市场需求量大，被广泛应用于家具制造、建筑室内装修、车船内部装饰、包装材料等领域[1]，但随着对此类板材安全性认识加深，木质板材的阻燃性能和“本质安全”发展成为当下纤维板重要课题[2,3,4]。在测定纤维板的阻燃性能时常参照GB12441—2005《饰面型防火涂料》，采用小室燃烧法[5]、极限氧指数、垂直燃烧仪和锥形量热仪等判断改性纤维板的阻燃性能。
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2020-09-01
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2020-08-26
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2020-08-26我要评论
期刊名称：森林工程
期刊人气：1673
主管单位：中华人民共和国教育部
主办单位：东北林业大学
出版地方：黑龙江
专业分类：农业
国际刊号：1006-8023
国内刊号：23-1388/S
邮发代号：14-170
创刊时间：1985年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
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2020-03-03
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上传者：管理员
