基于小型飞行器的准实时动态森林火灾监测系统的制作方法
专利名称：基于小型飞行器的准实时动态森林火灾监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个森林火灾监测系统，特别是基于小型飞行器的准实时动态监测系统以及实现方法。
背景技术：
森林是重要的自然资源，对自然、经济和地球生态都具有重大意义。森林资源的保护，特别是森林火灾的预防和控制，是环境保护的一个重要环节。随着温室效应的增强，全球气候变暖，森林火灾也变得越来越频繁。而为了实现森林火灾的有效控制，森林火灾的快速监测成为必要的前提。
针对森林面积广阔，某些地区人迹罕至的特点，有多种途径可以实现森林火灾监测。比如，利用卫星图象系统，我们可以提供地表图象，从而判断是否有火灾发生。但卫星系统存在以下的弱点，(1)时间上的间隔性目前固定轨道卫星没有提供高清晰度地表图象的服务，而利用环绕地球的卫星系统，一般每天环绕一次或者几次，其时间间隔太长，而且时间无法自主调节。(2)地域的局限性卫星的飞行路径是确定的，无法按照森林火灾的可能发生的特殊情况做具体调节。(3)轨道高受云层的影响大，导致从图象上判断火灾的误差大。另外，森林植被的辐射度随各种季节、天气等环境变化，也对从图象上判断火灾带来一定的困难，需要做各种复杂的图象数据转化和修正。
空中探测森林火灾的另外一种方式是借鉴气象气球，利用发放气球并载有各种火灾探测传感器件来监测，但气球比较难于实现回收。
目前空中监测系统，很难实现完全意义上的实时监测，都是在一定的时间周期和间隔条件下对某些地区采样监测。而实现实时监测，需要在森林地面安放分布式的传感器，其数量上的要求和对信息传递的技术要求，使这种系统的总造价很昂贵，很难在短期内实现。
发明内容
为克服卫星图象的时间间隔太长，无法实现自主时间和地点监测，以及避免云层的遮挡作用，同时又具有可回收和重复使用性，并且，在价格上具有比分布式固定传感器更低廉的优势，我们提出一种新型的森林火灾监测系统。本方法是在可遥控的小型飞行器的基础上实现。
下面我们具体分析如何在小型飞行器的基础上，构造一个具有准实时、动态特点的森林火灾监测系统。
小型飞行器具有的几个主要部分全球卫星地位系统，提供飞行器的具体位置以及航线信息；火灾探测器(包括烟感，光敏器件，热敏器件，图象系统等)；无线信息传输系统；中继站(提供电池，信息交换)；控制台(地面站)，信息，控制；信息管理和控制中心；数据库数据解析和判决。
首先，小型飞行器具有遥控飞行的能力，主要包括飞行器部分，遥控部分，发射回收地面站等。飞行器的飞行高度可以在几米到几百米之间，从而避开树木的阻挡，又可以探测比较大的面积。
飞行器依靠电池提供能源，其中除了蓄电池之外，还可以结合太阳能电池，提供自主发电，从而可以大大提高续航能力。为了增加续航能力，可以在一定航程内，设置地面中继站，更换电池。
每间隔一定的距离，设立一个地面控制中心，提供飞行器控制，续航，信息中心等支持。地面中心的一大功能是提供飞行遥控，为了获取准确的地点信息，飞行器上可装备GPS系统，并发送给地面控制中心。
为实现火灾探测功能，小型飞行器上将携带机载传感器和图象摄取系统如照相机或者录象机。传感器件中包括热敏传感器以探测温度，光敏传感器以探测火焰，以及烟感以检测烟雾。
所采集的信息以及图象，将通过无线传输的方式，发送到地面控制中心。以备存储，解析和做出判断。
地面控制中心，将把最新采集的数据，同数据库中的数据对比，并按照一定的算法和原则，计算出火警的“异常度”数据。
地面控制中心在所做出的异常度数据基础上，进一步做出控制决定。比如针对3种不同的异常度，系统可以做如下的控制决策。
在异常度低的情况下(低于一个特定的值，我们称为非正常临界值或阈值)，属于正常情况，飞行器将继续按照正常预定程序巡航。
当异常度高于非正常临界值但又低于火警临界值，控制中心将发送指令，让飞行器在异常度较高的地区重点巡航，如降低巡航速度，反复巡航，以及增加探测和图象清晰度等。从而控制中心在所采集的重点巡航的数据基础上进一步做出判决，是降低异常度从而让飞行器正常巡航，还是提高异常度。
当异常度升高到一个特定的火警临界值(或阈值)则发布火警警报。
本发明的一个创新性是在遥感探测的基础上，提出准实时动态监测系统。这里“动态”的概念是相对于经典的遥感系统，非动态是指在预定的时间和地区，采集一定的数据，监测遥感系统不会在所采集的数据基础上调整数据采集的方式。
此系统不同于传统的常规意义上的遥感装置，常规系统只按照预先设置的方式承担数据采集的功能。本系统则可在所采集的数据基础上，实时进行数据解析和判决，并反馈回数据采集装置，我们这里的特例是小型飞行器，从而可以对被监测对象(我们这里的特例是森林火灾)，提供重点的监测。本系统的优势是可以大大提高监测的效率，从而降低火灾的误报率。这里误报是指有火但没报警，以及无火却报警的情况。相比于传统的非动态遥感探测，本发明也可以大大降低火灾的报警周期。
图1基于小型飞行器的准实时动态监测系统原理图。
图2不同异常度采取不同措施的流程图。
下面，我们将结合一个具体的案例，详细分析本技术的方案以及可行性。
附图中(10)卫星定位系统(20)小型飞行器装置(30)火点(41)中继站1(42)中继站2(50)地面控制中心(21)小型飞行器的飞行信息和采集的信息(22)地面控制中心发往小型飞行器件的飞行控制信息(60)异常度参数
(70)异常度低(71)正常巡航(80)异常度高(81)重点巡航(90)异常度达到火警阈值(91)火警警报具体实施方式
在地面控制中心(50)的遥控下，小型飞行器(20)做常规飞行准备。携带电池，GPS装置，各种传感和图象摄取设备。
飞行器按照特定的航线和速度巡航。把飞行数据(如GPS，速度)，以及采集的火灾数据(21)通过无线通讯传给地面控制中心(50)。地面控制中心在所获取的数据基础上，对飞行做实时控制22。
在电池即将用尽前，降落中继站(41)或者(42)，续加电池。
地面控制中心在所采集的火灾数据基础上，比较数据库的数据并做解析和判决。首先我们定义一个“异常度”参数(60)，是对被监测系统的非正常度或者正常度的描述。按照各种图象，温度，烟雾等数据，结合天气，地理，植被等环境参数以及经验参数，当所采集的数据的异常度低于一个非正常临界值(70)，则系统认为正常，飞行器按照常规航线和速度等续航(71)。
当所采集的数据的异常度高于非正常临界值(80)，则系统认为非正常，飞行器在非正常区域做重点巡航(81)，包括降低巡航高度，速度，提高图象和传感探测的精度，并且可以反复巡航。在所采集的重点巡航的数据基础上，系统重新定义新的异常度。如果新的异常度低于非正常临界值，则系统认为正常，飞行器按照常规航线和速度等续航。
如果异常度从非正常临界值升高到一个特定的火警临界值(90)，则系统将发出火警提示(91)。此种情况下，将需要结合其他的监测手段确定是否有火警，或者发出火警预警通知。
综上所述，我们提出了一个小型飞行器的实时动态检测系统和技术实现。虽然我们的系统是以森林火灾监测做为特例，但本发明同样适用于类似的具有大面积系统，随机发生事件如其他自然灾害，动植物昆虫监测，自然资源监测等。
权利要求
1.基于小型飞行器的准实时动态监测系统。
2.按照权利要求项1所述，系统主要包括小型飞行器，地面控制中心，以及之间的无线通讯做数据交换。
3.按照权利要求项1所述，其中动态监测是指在飞行器采集的数据的同时，地面站或者飞行器机载数据处理系统作出数据判决，并反馈回飞行器，以调节飞行器的监测方式。
4.按照权利要求项1所述，其中监测对象主要包括大面积、随机发生的自然或非自然现象，包括但不限于森林火灾，动植物昆虫监测，自然资源监测等。
5.按照权利要求项1和2所述，其中小型飞行器主要包括电池，飞行机械，遥控，通讯，以及传感器和图象摄取等设备。其中电池可以是蓄电池或者太阳能电池。
6.按照权利要求项1和3所述，其中地面站(或者机载数据库)根据飞行器采集的数据，做出异常度判决之后，可以遥控飞行器做重点巡航。
7.按照权利要求项1和6所述，其中异常度是根据所采集的数据和数据库中的数据做判断之后，给出的一个被观测体系的非正常程度或者正常程度的参数。
8.按照权利要求项1、6和7所述，其中，飞行器在收到重点巡航的指令之后，将增加巡航的次数，或者降低巡航高度和飞行速度，并提高传感器和图象的分辨率。
9.按照权利要求项1和8所述方法，地面站按照所采集的重点巡航的数据，进一步做异常度判断。如果正常，则继续巡航，如果异常度达到警报阈值，则发出预警(如火警)警报。
全文摘要
本发明是关于一个森林火灾监测系统，特别是基于小型飞行器的准实时动态监测系统以及实现方法。此系统不同于传统的常规意义上的遥感装置，常规系统只是承担数据采集的功能。本系统则可在所采集的数据基础上，实时进行数据解析和判决，并反馈回数据采集装置，我们这里的特例是小型飞行器，从而可以对被监测对象(我们这里的特例是森林火灾)，提供重点的监测。本系统的优势是可以大大提高监测的效率，从而降低火灾的误报率。这里误报是指有火但没报警，以及无火却报警的情况。相比于传统的非动态遥感探测，本发明也可以大大降低火灾的报警周期。
文档编号A62C3/02GK101073693SQ20061002657
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月16日 优先权日2006年5月16日
发明者姜楠, 黄风义 申请人:爱斯泰克(上海)高频通讯技术有限公司
技术领域：
本发明涉及一个森林火灾监测系统，特别是基于小型飞行器的准实时动态监测系统以及实现方法。
背景技术：
森林是重要的自然资源，对自然、经济和地球生态都具有重大意义。森林资源的保护，特别是森林火灾的预防和控制，是环境保护的一个重要环节。随着温室效应的增强，全球气候变暖，森林火灾也变得越来越频繁。而为了实现森林火灾的有效控制，森林火灾的快速监测成为必要的前提。
针对森林面积广阔，某些地区人迹罕至的特点，有多种途径可以实现森林火灾监测。比如，利用卫星图象系统，我们可以提供地表图象，从而判断是否有火灾发生。但卫星系统存在以下的弱点，(1)时间上的间隔性目前固定轨道卫星没有提供高清晰度地表图象的服务，而利用环绕地球的卫星系统，一般每天环绕一次或者几次，其时间间隔太长，而且时间无法自主调节。(2)地域的局限性卫星的飞行路径是确定的，无法按照森林火灾的可能发生的特殊情况做具体调节。(3)轨道高受云层的影响大，导致从图象上判断火灾的误差大。另外，森林植被的辐射度随各种季节、天气等环境变化，也对从图象上判断火灾带来一定的困难，需要做各种复杂的图象数据转化和修正。
空中探测森林火灾的另外一种方式是借鉴气象气球，利用发放气球并载有各种火灾探测传感器件来监测，但气球比较难于实现回收。
目前空中监测系统，很难实现完全意义上的实时监测，都是在一定的时间周期和间隔条件下对某些地区采样监测。而实现实时监测，需要在森林地面安放分布式的传感器，其数量上的要求和对信息传递的技术要求，使这种系统的总造价很昂贵，很难在短期内实现。
发明内容
为克服卫星图象的时间间隔太长，无法实现自主时间和地点监测，以及避免云层的遮挡作用，同时又具有可回收和重复使用性，并且，在价格上具有比分布式固定传感器更低廉的优势，我们提出一种新型的森林火灾监测系统。本方法是在可遥控的小型飞行器的基础上实现。
下面我们具体分析如何在小型飞行器的基础上，构造一个具有准实时、动态特点的森林火灾监测系统。
小型飞行器具有的几个主要部分全球卫星地位系统，提供飞行器的具体位置以及航线信息；火灾探测器(包括烟感，光敏器件，热敏器件，图象系统等)；无线信息传输系统；中继站(提供电池，信息交换)；控制台(地面站)，信息，控制；信息管理和控制中心；数据库数据解析和判决。
首先，小型飞行器具有遥控飞行的能力，主要包括飞行器部分，遥控部分，发射回收地面站等。飞行器的飞行高度可以在几米到几百米之间，从而避开树木的阻挡，又可以探测比较大的面积。
飞行器依靠电池提供能源，其中除了蓄电池之外，还可以结合太阳能电池，提供自主发电，从而可以大大提高续航能力。为了增加续航能力，可以在一定航程内，设置地面中继站，更换电池。
每间隔一定的距离，设立一个地面控制中心，提供飞行器控制，续航，信息中心等支持。地面中心的一大功能是提供飞行遥控，为了获取准确的地点信息，飞行器上可装备GPS系统，并发送给地面控制中心。
为实现火灾探测功能，小型飞行器上将携带机载传感器和图象摄取系统如照相机或者录象机。传感器件中包括热敏传感器以探测温度，光敏传感器以探测火焰，以及烟感以检测烟雾。
所采集的信息以及图象，将通过无线传输的方式，发送到地面控制中心。以备存储，解析和做出判断。
地面控制中心，将把最新采集的数据，同数据库中的数据对比，并按照一定的算法和原则，计算出火警的“异常度”数据。
地面控制中心在所做出的异常度数据基础上，进一步做出控制决定。比如针对3种不同的异常度，系统可以做如下的控制决策。
在异常度低的情况下(低于一个特定的值，我们称为非正常临界值或阈值)，属于正常情况，飞行器将继续按照正常预定程序巡航。
当异常度高于非正常临界值但又低于火警临界值，控制中心将发送指令，让飞行器在异常度较高的地区重点巡航，如降低巡航速度，反复巡航，以及增加探测和图象清晰度等。从而控制中心在所采集的重点巡航的数据基础上进一步做出判决，是降低异常度从而让飞行器正常巡航，还是提高异常度。
当异常度升高到一个特定的火警临界值(或阈值)则发布火警警报。
本发明的一个创新性是在遥感探测的基础上，提出准实时动态监测系统。这里“动态”的概念是相对于经典的遥感系统，非动态是指在预定的时间和地区，采集一定的数据，监测遥感系统不会在所采集的数据基础上调整数据采集的方式。
此系统不同于传统的常规意义上的遥感装置，常规系统只按照预先设置的方式承担数据采集的功能。本系统则可在所采集的数据基础上，实时进行数据解析和判决，并反馈回数据采集装置，我们这里的特例是小型飞行器，从而可以对被监测对象(我们这里的特例是森林火灾)，提供重点的监测。本系统的优势是可以大大提高监测的效率，从而降低火灾的误报率。这里误报是指有火但没报警，以及无火却报警的情况。相比于传统的非动态遥感探测，本发明也可以大大降低火灾的报警周期。
图1基于小型飞行器的准实时动态监测系统原理图。
图2不同异常度采取不同措施的流程图。
下面，我们将结合一个具体的案例，详细分析本技术的方案以及可行性。
附图中(10)卫星定位系统(20)小型飞行器装置(30)火点(41)中继站1(42)中继站2(50)地面控制中心(21)小型飞行器的飞行信息和采集的信息(22)地面控制中心发往小型飞行器件的飞行控制信息(60)异常度参数
(70)异常度低(71)正常巡航(80)异常度高(81)重点巡航(90)异常度达到火警阈值(91)火警警报具体实施方式
在地面控制中心(50)的遥控下，小型飞行器(20)做常规飞行准备。携带电池，GPS装置，各种传感和图象摄取设备。
飞行器按照特定的航线和速度巡航。把飞行数据(如GPS，速度)，以及采集的火灾数据(21)通过无线通讯传给地面控制中心(50)。地面控制中心在所获取的数据基础上，对飞行做实时控制22。
在电池即将用尽前，降落中继站(41)或者(42)，续加电池。
地面控制中心在所采集的火灾数据基础上，比较数据库的数据并做解析和判决。首先我们定义一个“异常度”参数(60)，是对被监测系统的非正常度或者正常度的描述。按照各种图象，温度，烟雾等数据，结合天气，地理，植被等环境参数以及经验参数，当所采集的数据的异常度低于一个非正常临界值(70)，则系统认为正常，飞行器按照常规航线和速度等续航(71)。
当所采集的数据的异常度高于非正常临界值(80)，则系统认为非正常，飞行器在非正常区域做重点巡航(81)，包括降低巡航高度，速度，提高图象和传感探测的精度，并且可以反复巡航。在所采集的重点巡航的数据基础上，系统重新定义新的异常度。如果新的异常度低于非正常临界值，则系统认为正常，飞行器按照常规航线和速度等续航。
如果异常度从非正常临界值升高到一个特定的火警临界值(90)，则系统将发出火警提示(91)。此种情况下，将需要结合其他的监测手段确定是否有火警，或者发出火警预警通知。
综上所述，我们提出了一个小型飞行器的实时动态检测系统和技术实现。虽然我们的系统是以森林火灾监测做为特例，但本发明同样适用于类似的具有大面积系统，随机发生事件如其他自然灾害，动植物昆虫监测，自然资源监测等。
权利要求
1.基于小型飞行器的准实时动态监测系统。
2.按照权利要求项1所述，系统主要包括小型飞行器，地面控制中心，以及之间的无线通讯做数据交换。
3.按照权利要求项1所述，其中动态监测是指在飞行器采集的数据的同时，地面站或者飞行器机载数据处理系统作出数据判决，并反馈回飞行器，以调节飞行器的监测方式。
4.按照权利要求项1所述，其中监测对象主要包括大面积、随机发生的自然或非自然现象，包括但不限于森林火灾，动植物昆虫监测，自然资源监测等。
5.按照权利要求项1和2所述，其中小型飞行器主要包括电池，飞行机械，遥控，通讯，以及传感器和图象摄取等设备。其中电池可以是蓄电池或者太阳能电池。
6.按照权利要求项1和3所述，其中地面站(或者机载数据库)根据飞行器采集的数据，做出异常度判决之后，可以遥控飞行器做重点巡航。
7.按照权利要求项1和6所述，其中异常度是根据所采集的数据和数据库中的数据做判断之后，给出的一个被观测体系的非正常程度或者正常程度的参数。
8.按照权利要求项1、6和7所述，其中，飞行器在收到重点巡航的指令之后，将增加巡航的次数，或者降低巡航高度和飞行速度，并提高传感器和图象的分辨率。
9.按照权利要求项1和8所述方法，地面站按照所采集的重点巡航的数据，进一步做异常度判断。如果正常，则继续巡航，如果异常度达到警报阈值，则发出预警(如火警)警报。
全文摘要
本发明是关于一个森林火灾监测系统，特别是基于小型飞行器的准实时动态监测系统以及实现方法。此系统不同于传统的常规意义上的遥感装置，常规系统只是承担数据采集的功能。本系统则可在所采集的数据基础上，实时进行数据解析和判决，并反馈回数据采集装置，我们这里的特例是小型飞行器，从而可以对被监测对象(我们这里的特例是森林火灾)，提供重点的监测。本系统的优势是可以大大提高监测的效率，从而降低火灾的误报率。这里误报是指有火但没报警，以及无火却报警的情况。相比于传统的非动态遥感探测，本发明也可以大大降低火灾的报警周期。
文档编号A62C3/02GK101073693SQ20061002657
公开日2007年11月21日 申请日期2006年5月16日 优先权日2006年5月16日
发明者姜楠, 黄风义 申请人:爱斯泰克(上海)高频通讯技术有限公司
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