基于嵌入式的无人机航拍监测秸秆焚烧系统研究

北方民族大学电气信息工程学院 魏 鑫

基于嵌入式的无人机航拍监测秸秆焚烧系统研究

北方民族大学电气信息工程学院 魏 鑫

秸秆焚烧危害巨大，不仅产生大量有害气体危害人类健康，而且大范围的秸秆焚烧极易导致雾霾的产生。传统的秸秆焚烧监测主要采用遥感卫星进行大范围的监控，但遥感卫星存在过境时间短、监测次数有限等缺陷，而且对焚烧火点的监测不够准确。针对这一现状，提出了一种基于嵌入式的无人机航拍监测秸秆焚烧系统。该系统采用模块化设计方案，精确度高、操作简捷且成本较低，具有一定的科研和应用价值。

秸秆焚烧；嵌入式；无人机航拍；监测

0 引言

虽然我国早已于1999年颁布《秸秆禁烧和综合利用管理办法》[1]来遏制秸秆焚烧，但是农村地区秸秆焚烧形势依然不容乐观。露天秸秆焚烧危害巨大，首先它会产生大量的二氧化硫、二氧化氮和可吸入颗粒物[2]，危害人体健康，造成严重大气污染，同时也是雾霾的诱因之一。其次，秸秆焚烧形成的烟雾会造成空气能见度下降，引发交通事故[3]。再次，秸秆焚烧容易引燃周围易燃物，引发麦田或山林大火，导致火灾。最后秸秆焚烧会将大量地表中的微生物烧死，破坏土壤结构，造成农田质量下降[4]。

目前，我国对秸秆焚烧的监控主要利用遥感卫星。遥感卫星在大范围（比如省或者国家）层面上进行秸秆焚烧监测成效显著，但是在小范围（县或者市）内存在卫星过境时间较短、监测次数较少以及对焚烧火点的监测误差较大等缺陷。基于此，广大农村地区还在实行“干部包村”的形式来防控秸秆焚烧。干部组织工作人员或者村民，对村里的重点区域进行全天候或不定期的巡查，这种办法无疑是有效的，但是行政成本太高且效率低下。鉴于上述情况，提出了一种基于嵌入式的无人机航拍监测秸秆焚烧系统，并对其进行了研究。

1 系统总体设计方案

系统采用模块化的设计方案，整个系统主要有无人机部分、地面操作站部分和调度中心部分三大部分组成。无人机部分主要完成对指定区域秸秆焚烧的监测和巡航，采集到秸秆焚烧图像，并将拍摄图像和焚烧火点的位置信息发送至地面操作站。地面操作站部分作为无人机部分和调度中心部分的中转平台，主要完成对无人机发送控制命令，实时接收无人机传来的秸秆焚烧图像和拍摄位置信息，并将该信息通过互联网上传给调度中心部分。调度中心部分是整个区域（县或镇）的信息和人员调度中心，在接收到地面操作站传来的图像和位置信息后，将秸秆焚烧图像通过图像去雾增强装置进行实时图像去雾，确定是秸秆焚烧后，呼叫离拍摄位置最近的地面操作站执法人员到指定位置进行核验。

2 无人机部分

本系统的无人机选用价格相对低廉、技术相对成熟的四翼飞行器，四翼飞行器上搭载了一个嵌入式智能拍照平台。该嵌入式智能拍照平台主要由微控制器、摄像头模块、存储器模块、有害气体传感器模块、卫星定位模块、惯性测量模块和无线信号收发器组成。当四翼飞行器在设定航线巡航过程中，有害气体传感器模块检测到某位置或区域的硫化物和氮化物气体严重超标时，微控制器控制摄像头开启进行拍照，并将照片保存至存储器。同时卫星定位模块将该拍摄位置的位置信息保存至存储器，惯性测量模块将摄像头拍摄的姿态角（航向角、俯仰角、横滚角）也保存至存储器。微控制器将存储器中的照片、位置及拍摄姿态角信息通过无线信号收发器发送给地面操作站。

3 地面操作站部分

地面操作站部分是系统不可或缺的一环，在整个系统中起着中转站的作用。目前，无人机虽然迎来了大发展，但是其续航能力还是较差，普通无人机大约续航1至2小时，地面操作站的设立为无人机电源充电提供了便利。同时，地面操作站的建立解决了航拍图像远程传输的难题，无人机航拍测得图像只需通过无线信号收发器传至相应的地面操作站，然后地面操作站再通过Internet上传至调度中心。由于受天气的影响，摄像头的位置在航拍过程中可能会发生挪动，地面操作站的工作人员能够发送控制命令调整摄像头拍摄的姿态角。当调度中心认定某位置可能正在进行秸秆焚烧时，会呼叫该位置最近的地面操作站执法人员到指定位置进行核验，确定是否是秸秆焚烧，从而大大提高了秸秆焚烧的监测和执法效率。

4 调度中心部分

调度中心部分作为区域（县或镇）内秸秆焚烧的监测与人员调度的中心，能够通过Internet接收该区域内多个地面操作站上传来的秸秆焚烧图像和拍摄位置信息，并将上传来的图像通过一个图像去雾装置进行实时处理，然后再将处理后的图像及拍摄位置信息存储到大数据与云计算平台中，工作人员观察处理后的图像认定是秸秆焚烧的话，呼叫距离拍摄位置最近的地面操作站执法人员到指定位置地点进行现场确认。如果查证是秸秆焚烧，就按照相应法律进行处罚。上述图像去雾装置，是一个将航拍图像增强算法移植到FPGA开发平台上的装置，而该航拍图像增强算法是在暗通道先验算法基础上，通过自适应选择修正系数来改善其处理白色高亮图像引起的灰度和色彩失真问题，而后采用自适应直方图均衡化处理，提高图像的显示质量。调度中心的大数据与云计算平台可以统计出该区域那些地点是秸秆焚烧高发区，方便工作人员对这些区域进行重点监控。

5 结束语

本文提出了一种基于嵌入式的无人机航拍监测秸秆焚烧系统，并对该系统进行了详细论述和深入研究。该系统可以与遥感卫星监测秸秆焚烧的方法互相配合、互相补充。使用遥感卫星手段可以监控大范围（省或者国家）的秸秆焚烧情况，利用基于嵌入式的无人机航拍监测秸秆焚烧系统可以实现对局部区域（市、县或镇）的秸秆焚烧监测。而且该系统成本较低、操作便捷、可靠性高，具有一定的科研和推广价值。

[1]段雯娟．“焚烧令”的尴尬:十六年屡禁不止[J]．地球,2015(12): 19-21．

[2]滕道明．秸秆禁烧的困惑和出路[J]．河南农业,2015(21):21-23．

[3]秦军卫．融秸秆还田于农业机械化探安徽省秸秆禁烧之可行性[J]．农业机械,2013(4):114-116．

[4]解爱华,付荣恕．秸秆焚烧对农田土壤动物群落结构的影响[J]．山东农业科学,2006(3):56-57．

魏鑫（1992—），男，河北邢台人，硕士，研究方向：嵌入式系统设计和FPGA系统设计。

注：北方民族大学研究生创新项目（YCX1676）。