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方案 | 森林健康巡查与火灾预警系统(一)

发表时间:2022-05-11 10:31

由于人类对森林价值的认识过于简单,对森林的“无限”的理解,导致人们在社会活动中对森林过度开发和利用,破坏了森林的结构,使森林功能持续降低,人类生存环境持续恶化,人们才逐渐认识到作为陆地主要生态系统森林的重要作用,人们开始从多角度多领域研究森林的效益,森林的综合效益才逐渐展现出来。如何使森林综合效益更好的优化环境以及如何指导社会活动已经成为目前国内外研究的热门话题。

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在复杂森林环境中,火灾的发生往往具有很大的突发性和随机性。由于传统的林火安防技术在林火发生初期很难发现火情,因此造成林火蔓延,对周围环境及人畜造成很大的伤害。目前国家在森林防护领域的投入日益加大,对林火的安防技术提出了更高要求。随着可编程嵌入式的发展及红外图像处理技术的成熟,利用红外技术进行林区火情的实时监测成为了研究热点,因此,开发一种可挂载于无人机云台的林火智能监测设备,对监测到的火情进行实时图像处理,这将在早期的火灾控制中起到重要作用。


森林监测系统效果图

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图1 森林检测系统信息化平台

奥谱天成创新性地采用无人机载高光谱成像技术、多光谱成像技术、激光面扫雷达等多种光谱融合技术,从而实现对森林的大面积巡查,解决森林的健康、防火、安全等问题。


森林巡查技术与仪器设备

1. 基于高光谱技术的森林健康巡查技术

高光谱反映了高分辨率光学信息的特征,其利用很多很窄的电磁波波段(通常<10nm)从感兴趣的物体获取有关数据。高光谱图像是由成像光谱仪获取的,成像光谱仪为每个像元提供数十至数百个窄波段光谱信息,产生一条完整而连续的光谱曲线。图像信息可以反映样本的大小、形状、缺陷等外部品质特征,由于不同成分对光谱吸收也不同,在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较显著的反映,而光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分的差异。因此,利用高光谱特性可以识别不同染病期的松木监测。并且与无人机进行结合,可以实现高效大面积森林的高效监测。

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图2 由300个波段组成的无人机高光谱影像

无人机高光谱具有以下特点:

(1)光谱特征多。成像光谱仪在可见光和近红外光谱区内有300个波段。
(2)光谱分辨率高。成像光谱仪采样的间隔小,分辨率小于1.3nm。精细的光谱分辨率反映了地物光谱的细微特征。
(3)数据量丰富。随着波段数的增加,数据量呈指数增加。可提供空间域信息和光谱域信息,即“图谱合一”,并且由成像光谱仪得到的光谱曲线可以与地面实测的同类地物光谱曲线相类比。

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图3 无人机高光谱数据采集示意图

原始检测结果存在部分噪声和分散像元,需要进行优化。利用分类后处理工具,包括最大值分析和聚类处理,目的是去除小斑块噪声,优化结果如图4所示。

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图4 健康松木区域检测结果

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图5 植被覆盖度检测结果

2. 奥谱天成森林健康巡查设备

2.1 ATH9010LY-FW型固定翼无人机林业监控巡查系统

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ATH9010LY-FW采用为森林应用定制的垂直起降固定翼无人机,具有飞行时间长、飞行数据稳定等特点。

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性能

参数

默认

飞行高度

100-5000m

300m

飞行时间

2.5小时

2.5小时

飞行速度

18-38m/s

20 m/s

每天巡查面积

100平方公里

3架次/天

翼展

3800MM


机长

1950MM


2.2 ATH9010LY型多旋翼无人机林业监控巡查系统

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2.3 ATHL9010LY型无人机激光雷达高光谱一体机

ATHL9010集高分辨率固态扫描激光雷达模块、高光谱成像仪、高精度惯导于一身,实时生成真彩点云,单架次飞行可快速获取>2 k㎡ 的点云数据。

ATHL9010系列无人机高光谱成像仪可用于实时测量植物、水体、土壤等地物的光谱信息,并获得光谱图像,通过分析光谱图像,可与植物等的理化性质建立关系,用于植物分类,植物生长状况等研究。整个系统设计紧凑,成像光谱仪主机光谱分辨率高,同时采用外置推扫成像方式,可与野外旋转平台及室内线性扫描平台分别组成独立的测量系统,也可挂载无人机,进行航空遥感作业。

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2.4   ATH3010OL在线式植物生长态势监测仪

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ATH3010OL采用在线式高光谱成像技术,可实时监测水边植物(如红树林)等的生长态势、病虫害等情况。

ATH3010OL可以对植物的生长态势、病虫害情况,进行实时感知,直接描述出水边植物的状态,既给出植物的视频情况,又给出高光谱数据,对水边植物的状态一目了然。

2.5 UAV9000C无人机正射摄影森林巡查系统

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UAV9000C无人机正射摄影森林巡查系统,分为两个型号:UAV9000C为高分辨率可见光相机;UAV9000CIR为双波段相机(可见+热红外)。

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2.6 ATP9100F手持式地物光谱仪

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不同叶绿素浓度的水稻叶片的反射率以及反射率一阶微分曲线的红边测量和计算,进一步研究水稻叶片反射率与其叶绿素浓度之间的相关性以及水稻叶片的光谱红边波长位置与其叶绿素浓度之间的关系。

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图 7 ATP9100地物光谱仪实测数据

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图 8 ATP9100地物光谱仪测试大理石、土壤、绿叶的光谱图

2.7 ATP9110TP-25H便携式全波段地物光谱仪

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ATP9110系列宽波段高光谱地物波谱仪(野外光谱辐射仪)是Optosky(奥谱天成)公司的最新产品,波长范围最宽可达300nm~11μm,适用于地质研究、探矿、遥感测量,农作物监测,森林研究、海洋学研究等各领域应用。
ATP9110 系列宽波段高光谱地物波谱仪具有性价比高,测量快速、准确,操作简单,携带方便等特点,配有功能强大的软件包,除了反射率测量,还可用作辐射度学,光度学和色度学测量。

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2.8 ATF1030手持式叶绿素测定仪
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叶绿素仪可以即时测量植物的叶绿素相对含量或“绿色程度”,植物叶片中的叶绿素含量指示了植物本身的状况,长势良好的植物的叶子会含有更多的叶绿素,叶绿素的含量与叶片中氮的含量有很密切的关系,因而叶绿素测量值还能说明植物真实的硝基需求量,通过这种仪器有利于合理施加氮肥,提高氮的利用率,并可保护环境(防止施加过多的氮肥而使环境特别是水源受到污染)。

未完待续......

下期:森林健康巡查与火灾预警系统(二)


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