CN106991681B - 一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法及***，充分利用无人机不受野外恶劣环境影响的优点，在无人机上搭载GPS、轨迹控制、数据预处理等模块，操作人员可以在地面平台实时视频的指导下，实现无人机沿着火场边界正上方飞行并定时记录飞行轨迹。所记录的无人机运动轨迹就可代表火场的边界。对轨迹进行重采样预处理后，通过通信模块可以将林火边界数据传输到远端的服务器中，服务器程序解析报文，并将完整火场边界写入数据库中。对于较大范围的林火，本发明还考虑了多机协同获取边界的方法。最后，辅助决策的可视化软件可以从数据中读取数据，并定期更新数据，决策人员可以实时在二维或三维虚拟森林环境中了解火场状况。

Description

一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法及***

技术领域

本发明涉及森林火灾控制领域，特别是一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法及***。

背景技术

森林火灾是一种破坏性极强的的自然灾害，一旦火灾蔓延起来以后，由于森林火灾着火的周边配套的灭火设备不足及交通不便等问题，人们就很难采取有效的手段，及时控制火灾的进一步蔓延。在森林火灾扩散蔓延开后，实时获取火灾边界信息的变化情况，就可以在短时期内判断林火蔓延方向，这对于辅助决策灭火和林火信息化方面具有非常重要的意义。

现有对于森林火灾监测的专利，主要集中在火灾着火点的检测与发现，而对火灾蔓延开的边界及其他更精细火情信息的提取方面并没有相关专利。如专利CN 103354007B、CN104143248B、CN103942806B、CN103400463B、CN104200607B等，都是对森林火灾着火点的检测、着火点的定位、着火点监控等，这种从火灾开始阶段就发现并扑救固然是必要的，但是由于林区面积广、海拔高、环境复杂，一旦火灾借地势风势迅速蔓延开来，国内外并没有很好的应对方案和技术处理。本发明主要是针对森林火灾发生的中期或后期的情况，充分利用无人机反应快，并且不受恶劣地面环境影响的优势，搭载轻量级的视频和GPS运动轨迹获取模块，森林看护人员在观测视频的指导下，通过操作无人机及无人机上轨迹获取模块，沿着森林火灾的边界正上方飞行无人机。所记录的无人机飞行轨迹即为森林火灾的边界。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法及***，利用无人机的飞行轨迹得到火灾的边界信息，为后续森林火灾机理的研究，在时间和空间尺度方面提供更加详细的数据支持。

本发明采用以下方案实现：一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法，包括以下步骤：

步骤S1：根据林区实际的地理信息和地形数据构建二维地图或三维虚拟环境；

步骤S2：在无人机上搭载轨迹操作模块、GPS定位模块、数据预处理模块、多无人机数据融合模块，其中，所述轨迹操作模块中包括用于垂直观测的摄像头，操作人员在无人机传回的实时视频的帮助下，控制无人机跟踪林火的边界，在跟踪过程中所述GPS定位模块实时记录火灾边界的经纬度值，形成无人机的运动轨迹，并将经纬度信息传回地面平台；

步骤S3：对于多台无人机绕林火边界飞行，同时传回经纬度给地面平台的情况，地面平台收到的数据根据不同的无人机分开保存；

步骤S4：地面平台实时将各台无人机的实时经纬度信息传递至所有无人机操作人员的操作端，用以防止多台无人机相撞或重复采集；当无人机飞行完毕后，进行边界融合；

步骤S5：地面平台对无人机的运动轨迹按预设的N米进行重采样，并将平滑的结果传输到远端的服务器中，服务器程序将结果写入数据库中；

步骤S6：相关人员通过森林火场边界信息可视化客户端软件定时查询数据，定时更新火场蔓延的情况，并将结果与步骤S1中的二维地图或三维虚拟环境中叠加显示；决策者在所述可视化客户端软件中查询受灾范围及面积，并制定最优的灭火方案。

进一步地，所述步骤S1还包括详细的地理信息，即在虚拟森林环境中预先设定火场位置的其他地理信息，所述火场位置的其他地理信息包括虚拟的建筑、村庄村落、树种分布、桥梁、道路等信息。

进一步地，步骤S2中还包括，所述数据预处理模块将该火场边界重采样，形成较为平滑的火场边界，并按图格式形成报文，发送给远端服务器中，服务器按报文格式解析数据，并将边界信息、时间、边界标识写入数据库中。

本发明还提供了一种基于上文所述的火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法的***，包括森林火场边界的提取、森林火场边界信息传输、森林火场边界信息可视化三个部分；

所述森林火场边界的提取包括设置在无人机上的数据预处理模块、GPS定位模块、轨迹操作模块、多无人机数据融合模块；所述轨迹操作模块包括用以采集视频信息的摄像头；

所述森林火场边界信息传输用于实现森林火场边界数据与远端服务器间的报文的传输、解析及火场边界数据库的写入；

所述森林火场边界信息可视化包括森林火场边界信息可视化客户端，用于实现森林火场边界在二维或三维虚拟森林场景中的叠加显示与分析，用户可以任意角度拉近或全局查看虚拟场景中火场及其周边植被、地物情况，辅助灭火决策人员或森林管理人员更优化的制定灭火方案。

进一步地，所述轨迹操作模块用于实现无人机轨迹开始记录、结束记录操作；在无人机上的视频数据的指引下，操作人员控制无人机沿着火场的边界的正上方飞行；所述GPS定位模块当无人机开始轨迹记录时，按一定时间间隔，记录无人机的经度和纬度坐标，如果某一时点下位置变化在预设记录经纬度的最短距离范围内，则不记录，当操作人员点击结束控制键时，所记录的一系列的坐标点构成无人机的运动轨迹，该轨迹即林火的蔓延边界；所述数据预处理模块用于对运动轨迹按设定的N米进行重采样，从而平滑森林火场边界；所述多无人机数据融合模块用于当森林火灾范围比较大时，需要多台无人机协同采集森林火场边界数据，在操作过程中，需要控制各个无人机的位置，防止撞机事件的发生。

进一步地，所述森林火场边界信息传输包括传输报文生成模块、报文解析模块以及森林火场边界数据库写入模块；所述传输报文生成模块用于无人机采集端程序将预处理后的数据按定点数、时间、轨迹编号、顶点顺序编号的顺序组成报文；所述报文解析模块具体包括：服务器端程序接收报文，并将报文按预处理后的数据按定点数、时间、轨迹编号、顶点顺序编号的顺序解析；所述森林火场边界数据库写入模块用以将森林火场边界的经纬度坐标、时间信息、气候信息及火灾面积等写入相应的数据库的字段中。

进一步地，所述森林火场边界信息可视化还包括森林火场边界与二维或三维虚拟森林场景叠加模块、火场范围与面积计算模块；所述森林火场边界与二维或三维虚拟森林场景叠加模块用于查询和显示森林火场边界，通过定期更新数据，火场边界信息可以实时的展示在二维或三维虚拟森林场景中；所述火场范围与面积计算模块用于实现火场的范围和面积的计算，为辅助决策灭火提供帮助。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明通过记录无人机的运动轨迹的方式对正在燃烧的森林火场的边界进行获取，所获取的运动轨迹以带有拓扑信息的矢量方式存储，即火场边界是由一系列点所构成的闭合的曲线来表示。一方面，与通过图像中提取的火场边界相比，具有位置获取直接（不需要畸变及几何校正计算）、数据结构简单，传输数据小等优点，并且获取的结果可以直接在三维地形上叠加显示，能为火场面积、强度、空间受灾范围分析提供数据支持。另一方面，数据可以归档，并且完善传统的火灾历史数据，本发明不光记录了最后的火灾蔓延边界，还记录了火灾在不同时点下的扩散过程，为后续森林火灾机理的研究，提供在时间和空间尺度方面的提供更加详细数据支持。

附图说明

图1为本发明实施例的***结构图

图2为本发明实施例的一台无人机森林火场边界提取示意图，其中a表示火灾边界。

图3 为本发明实施例中多台无人机边界采集示意图，其中Δ为无人机防止相撞的安全距离，a为火灾边界。

图4为本发明实施例的通信传输报文格式。

图5为本发明实施例的***流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1至图5所示，本实施例提供了一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法及***，基于无人机的森林火场边界的提取、森林火场边界信息传输、森林火场边界信息可视化三个部分，见图1。其中，基于森林火场边界的无人机轨迹的记录操作，主要解决操作人员如何准确实现森林火场边界的记录。森林火场边界信息传输主要是指操作人员现场获取的火场边界轨迹空间信息，进行重采样处理后，将平滑的数据和获取的时间信息组成报文发送到服务器端，服务器端程序解析报文并将相应的字段写入相应的数据库中。森林火场边界信息可视化，是指支持经纬度坐标轨迹的信息显示的平台，经过二次开发就可以将森林火场的边界信息从数据库中读取，并可以将火场不同时间的边界按一定时间步长，叠加显示在地理信息的二维地图或三维虚拟森林环境上。

在本实施例中，对于基于森林火场边界的无人机轨迹的记录操作部分，本实施例重点解决了无人机如何准确在火场边界上方飞行方法和对于大范围森林火灾如何采用一架或多架无人机分区域火场边界获取和融合两方面内容。本实施例在无人机上搭载GPS模块和轨迹操作控制模块，并配备远程控制手柄（或手机APP）。该手柄具有支持实时显示无人机飞行时垂直下方视频的功能，便于操作人员在安全的瞭望台或火场附近操作无人机。当飞机位于火场边界正上方时，操作人员可以控制手柄按钮（如图2所示），通知远程无人机开始记录轨迹，并根据传回来的视频及时调整无人机飞行方向，使得无人机能较为准确的沿着火场边界飞行，本实施例中的无人机是选取具有悬停功能的无人机。如果对某一块区域需要重点观察，通过操作手柄可以对摄像头在一定倍数的放大和缩小而不影响图形的清晰度，便于操作人员能更加准确的实现无人机对火场边界的跟踪。GPS定位模块需要实时记录火灾边界的经纬度值。所谓实时记录并不需要一直在记录，需要判断无人机地理位置有没有变化，即经纬度值有没有变化，没有变化就不需要再记录。当无人机在火灾上空相对禁止时，无人机的经纬度值是没有变化的，这个时候就不需要一直记录该点的经纬度，以免产生冗余矢量信息。无人机飞行过程中，可以选择获取的矢量信息的精度，隔一定的距离获取一个经纬度值，比如三米或五米。

在本实施例中，对于范围较大的森林火场，可采用多架无人机实现。准备工作做好后，对火灾范围进行视距的初步判断，或者无人机巡航确定边界大致范围后再划分边界块。针对火灾范围大小将火灾分块处理，然后选择几台无人机执行任务。本实施例主要说明多台无人机执行任务时的情况，一台无人机的操作是多台无人机操作的简化。GPS定位模块采集信号并过滤冗余位置信息，有时无人机会短暂停留在一个区域细致观察，此时该点的数据只需记录一次。然后通过无线网络传输到地面端的林火模拟***，传输到林火模拟***的数据根据不同的无人机分开保存。

对于多架无人机获取的火场边界，需要解决边界融合问题。本实施例中每架机器只需提取边界的一部分，再将边界合并起来，形成实际的火灾边界。边界融合也是重要部分，每架无人机传输到地面工作站的数据（即经纬度坐标）是整体连续的，每架无人机传输一部分边界数据，将不同无人机之间传输的数据进行拼接合并。合并的方法是在两条边界块经纬度信息未重合的地方进行插值，插值生成一些连续且平滑的点，在一条边界块数据后加入插值数据，插值数据后再加上另一边界块数据，以这种顺序生成一条新的连续边界线。当两条边界块经纬度信息包含相同一段地理区域时，在重复记录的地方去掉冗余矢量信息，再将另一条边界块其它未重复数据加到前一条边界块，顺序添加数据。融合了两块边界后，再将融合好的边界和其他边界块融合，方法过程与上述融合方法相同，最终可以形成整体的边界信息。本实施例中的方法所获取的火场边界轨迹精度与操作人员的判断和熟练程度相关。该方法可能精度不够高，但对于短期就要进行的灭火方案制定已经足够。

在本实施例中，森林火场边界信息传输部分，本实施例主要传输的是一系列经纬度坐标点及相应的时间信息。无人机记录火场边界轨迹上各个点的时间并不是同时，但是时间不同对于灭火决策的影响不大，因此，本实施例中忽略轨迹顶点间不同时间的影响。本实施例将开始记录到结束记录的作一个完整的轨迹（某个时间点下的火场边界），并用最后一个点的时间点计算出的GUID（Global unique identifier）号作为该火场边界的唯一标识符。对于某一完整的轨迹，记录的轨迹有可能存在一些噪声点，本实施例针对这一情况，对轨迹按一定长度N米进行重采样预处理。将预处理后的数据按定点数、时间、轨迹编号、顶点1、顶点2等等顺序组成报文（见图4），其中顶点信息包括经度和纬度坐标。服务器端中的程序将已接收的报文按报文发送格式解析，并将顶点、时间信息、轨迹编号及顶点写入数据库中。无线通信模块可利用4G网络、公用网络或者自组建网络。主要是用来从无人机上传输矢量数据到地面端的林火展示***。

在本实施例中，对于森林火场边界信息可视化部分，本实施例可以在林火可视化应用程序，按区域或时间从数据库中查询林火蔓延边界信息，并将选中火灾边界以半透明的方式与相应二维地图或三维地理森林环境叠加显示。决策者只要定期刷新数据库，就可以实时获知远端的火灾现状，并指导下一步灭火策略的制定。将经纬度坐标的林火边界转换成高斯投影的平面直角坐标，就可以快速计算出林火受灾面积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：根据林区实际的地理信息和地形数据构建二维地图或三维虚拟环境；

步骤S2：在无人机上搭载轨迹操作模块、GPS定位模块、数据预处理模块、多无人机数据融合模块，其中，所述轨迹操作模块中包括摄像头；操作人员在无人机传回的实时视频的帮助下，控制无人机跟踪林火的边界，在跟踪过程中所述GPS定位模块实时记录火灾边界的经纬度值，形成无人机的运动轨迹，并将经纬度信息传回地面平台；

步骤S3：对于多台无人机绕林火边界飞行，同时传回经纬度给地面平台的情况，地面平台收到的数据根据不同的无人机分开保存；

步骤S4：地面平台实时将各台无人机的实时经纬度信息传递至所有无人机操作人员的操作端，用以防止多台无人机相撞或重复采集；当无人机飞行完毕后，进行边界融合；

步骤S5：地面平台对无人机的运动轨迹按预设的N米进行重采样，并将平滑的结果传输到远端的服务器中，服务器程序将结果写入数据库中；

步骤S6：相关人员通过森林火场边界信息可视化客户端软件定时查询数据，定时更新火场蔓延的情况，并将结果与步骤S1中的二维地图或三维虚拟环境中叠加显示；决策者在所述可视化客户端软件中查询受灾范围及面积，并制定最优的灭火方案；

其中，步骤S2中还包括，所述数据预处理模块将该火场边界重采样，形成较为平滑的火场边界，并按图格式形成报文，发送给远端服务器中，服务器中的软件按报文格式解析数据，并将边界信息、时间、边界标识写入数据库中；

其中，所述GPS定位模块当无人机开始轨迹记录时，按一定时间间隔，记录无人机的经度和纬度坐标，如果某一时点下位置变化在预设记录经纬度的最短距离范围内，则不记录。

2.根据权利要求1所述的一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法，其特征在于：所述步骤S1还包括详细的地理信息，即在虚拟森林环境中预先设定火场位置的其他地理信息，所述火场位置的其他地理信息包括虚拟的建筑、村庄村落、树种分布、桥梁、道路。

3.一种基于权利要求1所述的火灾边界矢量信息实时提取与可视化方法的***，其特征在于：包括森林火场边界的提取、森林火场边界信息传输、森林火场边界信息可视化三个部分；

所述森林火场边界的提取包括设置在无人机上的数据预处理模块、GPS定位模块、轨迹操作模块、多无人机数据融合模块；所述轨迹操作模块包括用以采集视频信息的摄像头；

所述森林火场边界信息传输用于实现森林火场边界数据与远端服务器间的报文的传输、解析及火场边界数据库的写入；

所述森林火场边界信息可视化包括森林火场边界信息可视化客户端，用于实现森林火场边界在二维或三维虚拟森林场景中的叠加显示与分析，辅助灭火决策人员或森林管理人员更优化的制定灭火方案。

4.根据权利要求3所述的一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化***，其特征在于：所述轨迹操作模块用于实现无人机轨迹开始记录、结束记录操作；在无人机上的视频数据的指引下，操作人员控制无人机沿着火场的边界的正上方飞行；所述GPS定位模块当无人机开始轨迹记录时，按一定时间间隔，记录无人机的经度和纬度坐标，如果某一时点下位置变化在预设记录经纬度的最短距离范围内，则不记录，当操作人员点击结束控制键时，所记录的一系列的坐标点构成无人机的运动轨迹，该轨迹即林火的蔓延边界；所述数据预处理模块用于对运动轨迹按设定的N米进行重采样，从而平滑森林火场边界；所述多无人机数据融合模块用于当森林火灾范围比较大时，需要多台无人机协同采集森林火场边界数据，在操作过程中，需要控制各个无人机的位置，防止撞机事件的发生。

5.根据权利要求4所述的一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化***，其特征在于：所述森林火场边界信息传输包括传输报文生成模块、报文解析模块以及森林火场边界数据库写入模块；所述传输报文生成模块用于无人机采集端程序将预处理后的数据按定点数、时间、轨迹编号、顶点顺序编号的顺序组成报文；所述报文解析模块具体包括：服务器端程序接收报文，并将报文按预处理后的数据格式以定点数、时间、轨迹编号、顶点顺序编号的顺序解析；所述森林火场边界数据库写入模块用以将森林火场边界的经纬度坐标、时间信息、气候信息及火灾面积写入相应的数据库的字段中。

6.根据权利要求4所述的一种火灾边界矢量信息实时提取与可视化***，其特征在于：所述森林火场边界信息可视化还包括森林火场边界与二维或三维虚拟森林场景叠加模块、火场范围与面积计算模块；所述森林火场边界与二维或三维虚拟森林场景叠加模块用于查询和显示森林火场边界，通过定期更新数据，火场边界信息可以实时的展示在二维或三维虚拟森林场景中；所述火场范围与面积计算模块用于实现火场的范围和面积的计算，为辅助决策灭火提供帮助。

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