一种基于数字孪生的森林防火隔离带开设与路径规划方法

技术领域

本发明涉及森林防火技术领域，具体地涉及一种基于数字孪生的森林防火隔离带开设路径规划方法。

背景技术

在森林防火工作中，隔离带防火技术是森林防火的根本，隔离带技术的合理应用可以有效控制森林火灾的蔓延，对森林资源起到保护作用。为了做好森林火灾防护工作，首先要考虑防火隔离带的开设。通常会在比较容易发生火灾的森林区域周围进行的防火隔离带的设置，一旦发生森林火灾时，隔离会对火灾区域进行隔离，抑制火灾的蔓延。

数字孪生技术是计算机实时系统的关键技术。数字孪生是指针对物理实验体空间中的真实物体属性，如几何属性、物理属性、行为规则等方面，在计算机系统的虚拟空间中构建的虚拟化模型，并将物理空间和虚拟空间中的系统建立一一对应的虚实映射关系。将数字孪生技术与森林防火隔离带的开设与路径规划相结合，具有积极意义。

目前的开设方法主要有四种：1.利用化学试剂断根丛林周边杂草，2.对森林周边杂草进行大面积燃烧，3.采用植树方法成立生物防火隔离带，4.通过人工翻土建立防火隔离带。但是在实际开设过程中，传统使用开设装备的方法在开设过程中无法适应复杂的森林环境，需要配合专业挖土人员的操作，增加了工作量，成本高、效率低，开设效果不好，无法满足紧急情况下开设森林防火隔离带的需求。

发明内容

为了解决背景技术所述现有的防火隔离带开设方法中无法适应复杂的森林环境、工作量大、成本高、效率低、开设效果不好及无法满足紧急情况下开设的问题，本发明提出了如下技术方案是：

一种基于数字孪生的森林防火隔离带开设路径与规划方法，包括：

S1：信息采集和传输，将物联网信息采集系统和定位系统部署在森林防火隔离带开设装备上，实现森林内信息和实体位置信息的实时采集，并将采集到的数据传输到空间分析系统和云端服务器。

S2：森林信息数字孪生模型的建立和处理，建立森林信息数字孪生模型，对其进行预处理，去除无关信息，将数据传输到云端服务器。

S3：空间分析，通过物联网信息采集系统实时上传的信息，对森林信息数字孪生模型进行实时更新；对其进行图像分类、目标检测及语义分割，让不同的信息与模型中对应情况做匹配，形成实时更新的森林信息数字孪生模型

S4：路径规划，使用开设路径优化算法自动计算得到森林防火隔离带开设最佳路径，在森林信息数字孪生模型中进行开设路径模拟及评估，并进行实时优化更新。

S5：可视化，将建立的森林信息数字孪生模型及防火隔离带开设最优路径开设进行可视化，实现在智能手机等应用端对环境信息的实时监测和反馈。

优选的，所述基于数字孪生的森林防火隔离带开设与路径规划方法的系统由物联网采集系统、空间分析系统、可视化系统、云端服务器、智能手机应用端、开设路径优化算法、森林信息模型等部分组成。

进一步，所述物联网采集系统实现对森林内环境的温度、湿度、实体位置等信息进行实时采集和传输。物联网采集系统包括视觉传感器(例如双目摄像机)，雷达传感器(例如激光雷达)，其他传感器(例如红外线传感器和电子罗盘等)，多传感器融合组成物联网采集系统，对森林内信息实时采集和传输。信息采集终端用于实时采集森林环境信息并实时上传给无线网关，采集不同参数的信息采集终端由采集相应参数的传感器、无线通信模块(LoRa通信模块、 NB-IoT通信模块等)、电源、微型处理器等部分构成。无线网关用于将信息采集终端实时上传的信息通过4G网络实时传递到云端服务器。

进一步，所述定位系统将实时采集的火情信息和各类障碍物位置信息，包括UWB定位系统、蓝牙定位系统等；并把实时采集到的位置信息传递给云端服务器。

进一步，所述空间分析系统主要用于对森林信息进行分析，包括图像分类、目标检测、特征提取及语义分割等；针对复杂的林区环境进行分类，识别火情及火情位置和级别，区分出林区内常见的实体障碍物，对例如石头、树干、石墙、灌木、树根、洞等典型目标进行数据采集和处理。

进一步，所述物联网采集系统和定位系统采集的信息及森林信息的数字孪生模型信息都上传至云端服务器，并且可以进行信息实时更新。

进一步，所述云端服务器搭载路径优化算法，根据森林信息数字孪生模型实时更新的信息，在数字孪生模型中对森林障碍物实时检测和开设路径模拟及评估，从而对开设路径进行动态规划。

进一步，所述可视化模块对森林信息模型的展示和开设路径的实时动态展示，可在智能手机等应用端实时反馈和引导森林防火隔离带的开设。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：可以实现对森林内信息、障碍物信息、火情信息和森林内空间模型进行实时监测，建立森林信息数字孪生模型，进行开设路径模拟、评估及优化更新，取代了人工对环境进行分析并制定路径规划的过程，高效省力。当需要开设防火隔离带时，可以通过对数字孪生模型的信息分析，对防火隔离带的实际开设进行引导和反馈，提高了防火隔离带开设的速度和高效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对附图作简单介绍，其中：

图1为本发明实施例公开的一种基于数字孪生的森林防火隔离带开设与路径规划方法各模块示意图。

图2为本发明实施例公开的一种基于数字孪生的森林防火隔离带开设与路径规划方法流程图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步详细地描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明包括：

一种基于数字孪生的森林防火隔离带开设与路径规划方法，如图2包括：

S1：信息采集和传输，将物联网信息采集系统和定位系统部署在森林防火隔离带开设装备上，实现森林内信息和实体位置信息的实时采集，并将采集到的数据传输到空间分析系统和云端服务器。

S2：森林信息数字孪生模型的建立和处理，建立森林信息数字孪生模型，对其进行预处理，去除无关信息，将数据传输到云端服务器。

S3：空间分析，通过物联网信息采集系统实时上传的信息，对森林信息数字孪生模型进行实时更新；对其进行图像分类、目标检测及语义分割，让不同的信息与模型中对应情况做匹配，形成实时更新的森林信息数字孪生模型

S4：路径规划，使用开设路径优化算法自动计算得到森林防火隔离带开设最佳路径，在森林信息数字孪生模型中进行开设路径模拟及评估，并进行实时优化更新。

S5：可视化，将建立的森林信息数字孪生模型及防火隔离带开设最优路径开设进行可视化，实现在智能手机等应用端对环境信息的实时监测和反馈。

在一种较优的实施例，如图1所示，所示基于数字孪生的森林防火隔离带开设与路径规划方法具体实施步骤如下：

信息采集和传输。将物联网信息采集系统部署在开设装备上，用于对森林物理环境信息以及森林内树木、开设装备、其他障碍物等空间实体的位置信息，并将采集到的信息数据实时传输到云端服务器。

森林信息模型的建立和处理。建立森林信息模型，对其进行预处理，去除与开设隔离带无关的信息，并将处理后的数据传输到云端服务器。

空间分析。将物联网信息采集系统实时上传的信息和预处理后的森林信息模型进行整合。让不同的森林信息与模型中相对应的情况作匹配，以保证在森林信息模型中能够实现任意空间情况的开设环境。将开设装备以及其他空间实体的位置信息和森林模型信息相应位置实时匹配，保证开设装备以及其他空间实体的位置实时表现在森林信息模型中，进而形成针对森林防火隔离带开设与路径规划的数字孪生模型。

路径规划。根据云端服务器中数字孪生模型中的各自数据，使用开设路径优化算法自动计算得到森林防火隔离带开设最佳路径，并且开设路径可以根据开设装备位置信息的变化进行实时更新。

可视化，路径开设优化算法对数字孪生模型中的对森林信息、空间实体位置等信息进行综合处理，提取出开设路径图，通过可视化的方式进行展示，随着数字孪生模型中消防参数和人员位置的实时更新，可以动态地进行调整，从而实现对开设装备开设路径的实时动态规划。

在一种较优的实施例中，如图2所示，所述基于数字孪生的森林防火隔离带开设与路径规划方法基于现实世界中的森林内物理环境，其中包括开设装备空间位置、林区内树木信息、林区树木周围物理环境等信息，通过物联网信息采集系统，将森林信息采集到虚拟数字世界中，形成针对森林信息的数字孪生模型。根据数字孪生模型中的数据，使用开设路径优化算法形成开设装备最佳前进路径，在数字孪生模型中进行开设路径模拟及评估，并进行实时优化更新。同时可在智能手机等应用端进行可视化展示。开设装备操作员通过智能手机等移动设备访问应用端，从而得到引导和反馈。

以上所述仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各自更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。