森林火灾应急通信保障方案研究与设计

2020-09-02滕波严恩泽滕志奇

软件导刊 2020年8期

滕波严恩泽滕志奇

摘要：森林火灾与城市火灾不同，其扑救方法也不完全相同。传统森林火灾扑救方法无法应对火灾环境恶劣、蔓延迅速快、点多线长面广的特点。针对该问题，结合城市消防救援队伍职能任务与典型森林火灾案例，提出一种加强森林火灾扑救应急通信保障能力的方法。通过构建卫星—无人机—地面的空天地一体化通信系统，保证话音、定位、图像等通信业务实时性，并设计一种基于倾斜摄影与金字塔匹配技术构建三维实景模型，提高后续灭火力量部署位置准确性。该方案有效性在广东佛山12·5山火消防救援扑救行动中得到了验证。

关键词：应急通信;空天地一体化;无人机自组网;三维地图;火灾识别

DOI：10. 11907/rjdk. 201846 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP399文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）008-0192-05

Abstract： Forest fire is different from urban fire， and its fighting methods are not completely the same. The traditional forest fire fighting methods cannot deal with the characteristics of bad environment， rapid spread， many points， long line and large scope. By analyzing some typical forest fire cases and considering the capacity of the urban fire rescue team， we propose a method which provides a guarantee of forest fire fighting and emergency communication. A space-air-ground integrated communication system called Satellite-UAV-Ground is designed， which helps ensure the real-time performance of voice， localization， image and other communication services. Moreover， a 3D real-scene model method based on oblique photography and spatial pyramid matching technology is designed to improve the accuracy of the following fire fighting forces position. The efficiency of the method is proved during the fire rescue in Foshan， Guangdong Province on December 5，2019.

Key Words： emergency communication; space-air-ground integrated communication system; UAV ad hoc network; 3D map; fire identification

0 引言

森林火災与城市火灾不同，其扑救方法也不完全相同。森林火灾具有点多线长面广、蔓延迅速、扑救时间长、环境恶劣、参战力量多的特点。本文针对这些特点，设计一种森林火灾应急通信系统，如图1所示。

森林火灾属于敞开式燃烧，往往火借风势，风助火势，火势蔓延速度极快;同时需投入大量救火力量，还需长时间的作战指挥，因此对通信系统畅通性要求较高。卫星通信系统、无人机自组网通信系统相关技术已比较成熟，无人机自组网中无人机中继通信的应用也逐渐广泛。文献[1]提出卫星通信在应急通信系统中具有覆盖区域大、可多址联接、机动灵活、不受地理条件限制、通信容量大、线路稳定等优点，并提出未来可依托天地一体化信息网络建立应急通信平台;文献[2]提出卫星通信能够弥补4G或5G移动通信系统在通信范围、通信可靠性等方面的缺点，而卫星通信与5G的结合可以为用户带来更为稳定的服务体验，进而实现空、天、地、海等多维空间连通，将其融为一体;文献[3]提到具有应急起飞、可快速抵达服务海区特点的无人机应急通信手段可满足针对陆地或海洋偏远地区的互联网接入及通信应用需求;文献[4]基于无人机中继通信系统设计了一种水面清障机器船;文献[5]针对单无人机中继方式、无人机中继系统的全双工与半双工模式以及多跳无人机中继的混合双工模式传输策略进行了研究;文献[6]提出将无线自组网与无人机在安全领域结合，实现多平台协同、无线覆盖与中继、通信和控制距离延伸3类应用场景;文献[7]提出一种基于无中心的自组网的指挥调度通信系统;文献[8]总结了在应急通信保障中对无线自组网的3种应用：便携式移动通信网络、安全监控和预警的无线传感网络、无线自组网与移动通信网络混合的通信网络;文献[9]介绍了一种使用双向业务分配并经由中心站转发，从而实现星状网全网业务互通的方法;文献[10]提出一种以卫星通信网络为核心，装备自组网、无人机通信网络、星状通信网的应急通信系统架构;文献[11]提出无人机机载通信终端可以同时具备无人机集群自组网功能以及与地面站直接通信的功能。综上所述，目前针对卫星通信与5G融合、无人机应用于应急通信以及无人机中继通信关键技术的研究已积累一定成果，但还没有一种能够面向森林火灾的可靠的应急通信系统。

此外，森林火灾往往发生在山区，山高林密，坡陡谷深，杂草丛生，道路崎岖，风力大，气温低，视野差，环境相对恶劣。传统森林火灾检测技术包括卫星遥感、红外热成像以及基于视频或图像的检测技术。在卫星遥感方面，光学载荷分辨率不断提高，确保了遥感技术应用到测绘地图中高质量的产出[12];红外热成像技术可以确保图像不受光照等自然因素干扰，但容易忽略图像细节纹理信息;基于视频或图像的火灾检测则是当下研究热点。文献[13]提出一种基于火焰像素颜色规则的图像处理方法，但在复杂条件下仅从颜色模型的角度考虑存在很多相似颜色的干扰;文献[14]根据火焰的运动特性，采用前景累积法，提取出运动区域，但前景累积法时延较大，无法满足森林火灾扑救紧迫性要求;文献[15]利用光流法，根据火灾区域与非火灾区域流场大小方向的不同进行区分;文献[16]基于梯度运动法处理分析固定摄像机视频火焰特征，但是在火焰燃烧时主体部分运动特性并无太大变化;文献[17]通过红外图像的统计学特征，排除火焰中烟雾干扰;卷积神经网络可以在训练过程中综合考虑颜色、几何与纹理特征，因此文献[18]使用微调的GoogLeNet网络模型，检测目标是否为火焰;文献[19]结合火焰颜色、轮廓以及视频帧之间的运动信息检测视频火焰;文献[20]利用光流法与卷积神经网络结合的方式，判断是否存在火焰、烟雾。但是卷积神经网络需要采用的参数较多，计算量大，难以保证实时性，而且卷积神经网络对静态图像的训练容易忽略帧间的相关性。

基于以上分析，为了更好地应对突发的森林火灾，将现场火情及时、准确地传递给各级指挥人员和前线消防员，从而快速、准确地作出决策，本文分为两部分进行探究。首先将卫星通信系统、无人机自组网通信系统以无人机集群为核心，组合成为卫星—无人机—地面的空天地一体化应急通信系统，以应对森林火灾中恶劣的信道环境并满足其迫切的通信需求;然后将可见光图像、红外图像以及卫星遥感技术、地面监测、无人机侦察方式相结合实时获取火灾信息与火灾地理位置、温度及细节纹理特征，保证获取森林火灾信息实时性，避免单一方法忽略目标属性间相关性的问题。在白天可利用可见光图像得到火焰特征，为火灾区域检测提供依据。利用红外热成像技术，结合火焰燃烧温度场特性，确定火灾区域，提高检测准确率。此外本文采用卫星遥感技术精准定位火灾区域经纬度坐标，并结合无人机侦察方式拍摄的二维正射影像图和三维模型构建森林火灾周边地图、标定坐标。

1 空天地一体化应急通信系统

森林火灾大多发生在山区，地势险要，4G/5G信号差，卫星通信设备对星困难，道路狭窄，多数路段车辆无法通行，大型通信车无法抵近火场保障，所以需综合运用无线电台、单兵图传、卫星电话、北斗有源终端等通信设备，保障话音、图像、定位和短报文通信服务，保持与后方指挥部的不間断通信。

1.1 基于多种通信设备的空天地一体化通信系统

在森林火灾通信系统中，第一位要求是保证通信系统畅通，所以首先通信前突小队乘坐摩托车或越野车遂行，携带无线电台、4G/5G单兵图传、北斗有源终端、卫星电话等通信设备。同时调派“动中通”卫星通信越野车，并协调三大通信运营商第一时间调派超级基站越野车或系留无人机基站赶赴现场，提供4G/5G信号和宽带互联网和指挥调度专线，保障话音、数据和视频传输需要。

应急通信需要综合利用手机、公网集群电台、专网对讲机、自组网电台、卫星电话、超轻型卫星便携站等通信设备，尤其是卫星设备作为保底通信手段。在使用无线电台时，要按照无线通信三级组网要求，划分几个指挥网和战斗网，明确通信频道和通话规则，利用背负、车载、飞行器载或高点中继台，实现区域通信覆盖，集中各方面、各火线参战队伍的通信人员，实施统一调度，对口下达灭火救援指令。使用卫星电话时，要选择合适位置架设，尽量使用全向天线，专人值守，定时报告。如果火场面积过大，可通过无人机挂载中继台与自组网设备，以无人机中继的方式，实现地对空、空对空、空对地的通信互联，保证灭火一线队伍与指挥部的通信联络;或者利用无人机挂载自组网与动中通卫星设备，建立地对空、空对天、天对地通信网络，实现全天候、全地域通信，如图2所示。现场采集的视频画面通过无人机组网、4G/5G、互联网、应急车联网或北斗卫星专网回传至各级指挥部，辅助前后方会商并研判应急救灾方案和部署。

1.2 基于无人机自组网的通信系统设计

本文设计的应急通信系统具有灵活机动性能，采用随时转场、动态组网的形式。组网结构可以采用分层的混合组网，以地面前方指挥站和现场指挥部为无人机集群网络中心站，无人机通信终端应具备在无人机集群中自组网功能以及与地面前方指挥站和现场指挥部直接通信的功能;同时为满足灭火行动中不断变化的通信需求，通过无人机与自组网等方式，接力通信、中继转信，延伸网络覆盖范围，确保指挥过程中通信畅通。由于续航问题及火灾灾情变化时，无人机集群数量必然随之发生变化。分层混合组网结构能够快速减少、增加或更替无人机节点，迅速完成无人机集群通信网络重构。而各无人机节点维护的路由表信息简化后大幅提高通信网络可靠性。森林火灾中信道环境恶劣，无人机需采用MIMO技术（Multiple Input Multiple Output），通过构成多个信道最大程度确保森林火灾中通信可靠性。如果现场受风、雨、地形、地势等影响，无人机无法起飞，可采取反向覆盖的方式，在无人机通信覆盖范围内选择合适位置起飞，建立空对地远程通信覆盖。其中，最可靠的做法是按照平战结合的原则，事先在林区合适高点或利用广播电视高山转播塔架设固定中继台或自组网设备，实现林区通信覆盖，战时利用无人机高空中继，补点入网，实现与指挥部的全域通信。

2 火灾信息获取与地图构建

本文将地面监测、无人机侦察、卫星遥感技术相结合，获取火灾整体态势、发展趋势、范围，以及火灾受气象、地形等影响蔓延的方向、速度。采用倾斜摄影和金字塔匹配技术构建三维地图，获取林区地形地貌、山势走向、道路、水源、隔离带分布，周边重点目标、重大危险源等，并进行灭火力量绘制。

2.1 基于二维图像的火灾信息提取

图像处理中用到的二维图像主要是可见光图像和红外图像。由于本文针对森林火灾区域提取图像，需把握火灾整体态势与发展趋势。而单一的可见光图像只能获取火灾颜色、纹理、几何轮廓等基本属性，单一的红外图像只能获取目标表面温度。如果仅采用其中某种方式，则会忽略各属性间的相关性，导致设计方案抗干扰能力差。所以本文采用可见光图像与红外热成像相结合的技术，实现优势互补。

本文采用3种侦察的方式相结合的方式获取二维图像，包括地面监测、无人机侦察、卫星遥感。同时为满足森林火灾现场航拍需要，现场至少调派2架抗风性能好、航行时间长、飞行速度快的无人机，如六旋翼、八旋翼、固定翼、复合翼、油电混合无人机等，执行视频侦查任务。尤其是在道路受阻、车辆无法行进的情况下，无人机可就地起飞前往侦查，搜寻道路，图传火场情况。

在利用单兵或车载图传、手机拍摄现场的火灾视频以及林区的监控视频得到连续帧的可见光图像后，进行火灾区域获取。首先根据火焰像素点颜色划分可见光RGB颜色空间区域，再利用火焰燃烧时在二维图像中的几何轮廓相对于背景变化频率更快，框选火焰区域。此外本文利用红外热成像技术，通过红外热成像仪计算得到目标温度。二者结合可去除树木遮挡和烟雾干扰，实现火情检测。森林火灾区域提取方法设计如图3所示。

对现场采集的视频图像进行处理后，通过4G/5G、互联网或卫星专网回传至各级指挥部，辅助前后方会商并研判。大面积的火场情况通过共享气象、航天等部门提供的卫星遥感图像，方便指挥人员了解火场位置、火灾范围，以及火灾发展变化趋势等信息。

为保证后续灭火力量的部署，本文采用串列翼无人机，其具有GNSS北斗、GPS、GLONASS+惯性导航等导航定位装备，可利用GPS或北斗卫星终端获取精确的火灾区域经纬度信息，并实现装备授权、定位、控制指令等信息联通。

2.2 基于二维正射影像图与三维模型地图构建技术

传统森林火灾灭火力量部署结合的是GIS地图、军事地图、遥感地图等，存在时效性、分辨率双低的问题。本文将无人机航拍制作二维正射影像图与三维模型相结合，根据二维正射影像图及图像缩放比例可得到火场长度、宽度、面积，由此标绘灭火力量。利用倾斜摄影的飞行平台的五目相机，分别采集垂直摄影图像和前后左右4个摄影图像，制作三维模型，辅助指挥决策、部署灭火力量。如图5所示，倾斜摄影可在无人机一步频率下同时得到目标区域多位摄影，为三维实景建模提供纹理信息和测量数据。

对倾斜摄影获得的多视影像进行联合平差，具体采用金字塔匹配，在各级金字塔影像上进行同名点匹配，建立对应点和对应线的连接。然后对多視影像进行密集匹配，将二维特征转换为三维特征，并确定各个墙面，构建三维模型。

本文采用串列翼混合动力无人直升机，具备多种能力：①垂直起降、紧急避障、迫降或返航能力;②第一视角飞行控制能力，其摄像头分辨率720P，最大续航时间可达3小时;③宽带无线电通信中继能力，可组成无人机蜂群通信网络，并且可集成无线宽带通信和4G/5G通信系统，光电侦察、扩音喊话、照明等装置;④内藏式伞降装置，可保证飞机平台及载荷设备安全，满足森林扑救工作及灭火力量部署的需求。同时在扑救过程中需确保无人机拍摄在直升机洒水前进行。

3 实验结果

为测试在森林火灾中无人机飞行高度对语音、图像的影响，2019年9月，在四川德阳山区展开测试，两地直线距离为31.9km，中间有上千米的高山阻挡，当两地无人机升空500m时，两地间语音图像均无法连通;当无人机升空至690m时，两地间语音连通;当无人机分别升至890m、 1 000m时，两地间图像连通。

2019年在佛山12·5森林火灾扑救作战力量部署如图6所示。该部署图利用本文设计的方案，倾斜摄影构建三维实景模型获得。图中描绘了广东佛山森林火灾地区地形地貌、地势坡度，并注明了火场范围、面积，火线位置、长度，风向、风力，天气晴、雨情况，火头、火尾，火势蔓延方向。根据该图部署了灭火力量、指挥部位置、水源位置及距离、重点目标及重大风险源位置、距离及灭火力量部署等，明确作战意图和力量部署，为后续扑救工作的高效实施提供保障。

4 结语

本文设计的基于卫星—无人机-地面的空天地一体化应急通信保障方案能够在最大程度上应对森林火灾中各种恶劣的通信环境，确保话音、图像、定位和短报文的通信服务质量。基于分层混合组网的无人机集群对地通信系统以地面站为中心确保了多个无人机获取的灾情信息能够快速汇聚到地面指挥部，使指挥员最大程度了解全局灾情、便于作出科学决策。无人机集群内部采用无中心的网状自组网，可快速完成无人机节点退出或增加，从而实现网络重构，大幅提高了通信网络稳定性。系统结合多种侦察方式，可实时获取灾情信息，较为准确地判断森林火灾态势和火灾区域地理位置，并准确掌握水源位置、距离，重点目标及重大风险源位置、距离等情况，确保灭火力量部署、指挥部选址科学合理。

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