Видимость пламени через лесной полог с малых высот: результаты моделирования и натурных экспериментов

Беспилотные летательные аппараты все чаще применяются для решения задач контроля предпожарной обстановки, координации действий по тушению пожаров, оценки ущерба от неконтролируемого горения (Yuan et al., 2017). Для раннего обнаружение очагов возгорания на обширных территориях оказываются пригодны группировки оснащенных камерами видимого диапазона малых аппаратов (Georgiev et al., 2020). Однако диапазон условий, в которых возможно эффективное детектирование пламени по данным такой съемки, по-прежнему нуждается в уточнении.
Настоящая работа посвящена вопросам исследования видимости очагов горения с воздуха через полог леса при использовании разных вариантов геометрии визирования. Для оценки параметров видимости предусмотрено выполнение натурных (полевых) и вычислительных экспериментов.
В качестве опытной площадки для постановки натурных экспериментов используется участок на территории Приозерского района Ленинградской области, занятый смешанным лесом и подходящий для применения сенсоров как наземного, так и на авиационного базирования.
Работы на участке проводились в полевые сезоны 2020-2021 гг. В ходе натурных экспериментов осуществлялась съемка контролируемого очага горения через полог с разных высот с помощью камер, размещенных на автовышке и беспилотном летательном аппарате DJI Mavic Mini, с последующим анализом серий кадров для оценки видимости пламени.
На основе имеющейся в открытых источниках информации о структуре полога леса, дополненной полученными в ходе полевых изысканий данными, с помощью программного кода на языке R в автоматизированном режиме были построены трехмерные модели полога в виде систем крон-эллипсоидов (для четырех пород деревьев). Модели были внедрены в виртуальные сцены, позволяющие имитировать различные варианты геометрии визирования (Matelenok et al, 2021). С использованием данных сцен проведены серии вычислительных экспериментов по симуляции переноса излучения от очага горения к сенсору, в результате чего получены значения параметров видимости пламени.
Моделирование показало, что каждому конкретному сочетанию линейных размеров крон и величины межкроновых промежутков соответствует определенный диапазон углов визирования, в границах которого проявляется основной максимум коэффициента пропускания излучения пологом (точные угловые координаты которого зависят от взаимного расположения очага горения и системы крон). При средних и высоких значениях листового индекса в первую очередь данный диапазон, соответствующий наложению зон разрежения полога, дает возможность обнаружить пламя с воздуха. Также полученные результаты моделирования позволяют рекомендовать использование для решения задачи детектирования пламени широкоугольной съемки, позволяющей охватить больший диапазон углов визирования в каждой точке маршрута движения платформы.
В ходе натурных экспериментов было обнаружено, что пламя с эквивалентным диаметром 50 см может быть обнаружено при съемке через неразреженные кроны с угловой высоты до 65 град для березы пушистой и до 41 град. для рябины обыкновенной (при этом высота над уровнем земли не превышает 15 м). Фрагменты пламени имеют достаточно компактное представление в пространстве “тон-насыщенность-яркость” (максимальный разброс значений характерен для канала насыщенности), что позволяет надежно отделять пламя от фона в автоматизированном режиме в периоды года, когда отсутствуют “ложные цели” (цветные листовые пластинки, яркие антропогенные объекты). При съемке однородных по структуре участков леса рекомендуется обеспечивать постоянство значений параметров съемки: относительного отверстия объектива, светочувствительности, времени экспонирования для отдельного кадра (в противном случае требуется перенастройка порогов). Форма связи между углом зондирования (высотой сенсора) и взвешенной по расстоянию площадью видимых фрагментов пламени меняется в зависимости от породы, составляющей полог.
Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации (проект МК-1004.2020.5).