基于激光测距的森林火点定位系统及其使用方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于激光测距的森林火点定位系统，包括激光测距仪，云台，PC机，PC机上装载有GIS地图和软件平台，云台上固定的装配有所述激光测距仪，云台内进一步设置有数据采集模块与传输模块，云台与PC机网络连接，激光测距仪内设置有激光测距模块，激光测距模块与数据采集模块、传输模块之间电连接，激光测距模块包括激光发射器和接收器，其中，所述GIS定位算法为：经度坐标J1＝J0+[S*COS(B)*SIN(A)*360°]/W；纬度坐标W1＝W0+[S*COS(B)*COS(A)*360°]/J；高度值为H1＝H0-S*SIN(B)。本发明结构简单，使用方便，定位准确，能够快速实现火点位置的定位，且准确率高，无需人工核实火点位置。
【专利说明】基于激光测距的森林火点定位系统及其使用方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及森林防火用智能定位【技术领域】，特别涉及一种基于激光测距的森林火 点定位系统及其使用方法。
【背景技术】：
[0002] 森林火灾突发性强、破坏力大、影响面广，对森林资源的安全产生严重威胁。处置 森林火灾往往要兴师动众、耗费巨大，恢复一场森林火灾前的生态环境需要几十年甚至数 百年时间。世界各洲，以大洋洲森林火灾最为严重，其次是北美洲，最少为北欧。有的国家 森林资源丰富，森林火灾也较严重，如美国、加拿大和俄罗斯等，森林覆盖率在30%以上，年 均火灾面积1〇〇万hm2以上。就森林火灾情况来看，温带地区最易发生森林火灾。从欧洲 和北美洲的一些国家在1980?1994年的火灾发生次数统计结果来看，美国的森林火灾次 数要远远高于其他国家，其次是俄罗斯和加拿大。美国每年的森林火灾总次数均在9. 5万 次以上，法国、德国、挪威、土耳其和英国等欧洲国家的森林火灾也频繁发生。
[0003] 中国也是一个森林火灾多发国家，森林防火的形势同样严峻。在2007年11月7 日，湖南省永州市宁远县发生森林火灾，过火面积约47公顷，扑救过程中9人不幸遇难，同 一时期，我国各个林区相同规模的森林火灾还有多起。我国在林火研究上比发达国家起步 晚，从50年代才开始逐渐发展起来。但是，随着科学技术的快速发展以及政府部门对森林 防火工作的投入力度不断增强，我国森林防火科研人员在吸取了以往森林火灾的经验教训 基础上，通过自主研发与引进国外先进技术相结合的方式，于一批森林防火科研项目上取 得了显著成绩。森林火灾次数、火灾损失、人员伤亡均呈大幅度下降趋势。
[0004] 森林火灾的早期预警历来是林区工作的重中之重，要求防患于未"燃"。从森林防 火的历史发展看，早期护林员在林区建造瞭望塔，以人工长期值守的方式进行护林。当发现 火情后，由于不能迅速确定火点位置，导致防火指挥部门不能及时调配、组织人员和装备投 入火场，延误了灭火的最佳时机。随着电子技术的发展，模拟电子监控设备在一些林区取代 了瞭望塔上护林员的工作。瞭望塔上的摄像机俯瞰林区，可以让控制室的人员实时了解现 场的情况，对于及时发现火情、降低护林员工作强度起到了积极的作用。但模拟监控设备同 样不能解决火点位置问题。为解决上述问题， 申请人:在此前申请了一种基于物联网技术森 林防火用远红外探测一体机和一种森林防火用红外测温仪两个专利，提供一种结构简单， 使用方便，测温准确，能够在温度到达燃点之前就报警，且准确率高，无需人工核实火情的 森林防火用方法。但是，却无法准确定位森林火灾发生的具体位置，也无法为森林防火决策 部门提供关键的火点位置信息，从而无法在火灾险情发生时及时确定最佳方案、调遣人员、 车辆、物资，对林火进行有效的控制和扑灭，无法将火灾带来的损失降到最低。
[0005] 为解决上述无法实现森林火灾定位的问题，有人提出了单点定位算法，通过查表 的方式或者穷举渐进的方式获取火点的位置，但是表的精度与所需高昂的设备费以及对测 量条件苛刻的要求，都会给定位的结果带来巨大的影响。因此，迫切需要出现一种结构简 单，使用方便，定位准确，能够在发现森林火灾发生时就定位，且准确率高，无需人工核实的 一种基于激光测距的森林火点定位系统及其使用方法。
【发明内容】
：
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种结构简单，使用方便，定 位准确，能够在森林火灾发生时就定位，且准确率高，无需人工核实的森基于激光测距的森 林火点定位系统及其使用方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于激光测距的森林火点定位系统，包括 激光测距仪，云台，PC机，PC机上装载有GIS地图和软件平台，云台上固定的装配有所述激 光测距仪，云台内进一步设置有数据采集模块与传输模块，云台与PC机网络连接，激光测 距仪内设置有激光测距模块，激光测距模块与数据采集模块、传输模块之间电连接，激光测 距模块包括激光发射器和接收器，其中，以正北方向为水平0°，
[0008] 所述云台能够实现水平方向0-360度旋转，
[0009] 所述云台能够实现垂直方向-30-40度旋转，
[0010] 所述云台将水平角度变换值与垂直角度变换值通过网络传送到PC机，作为GIS定 位算法中所需要的水平角与俯仰角；水平角度值为A ;云台俯仰角度值为B ;
[0011] 所述云台能够通过激光测距仪获取云台所在地与火点之间的直线距离，并通过网 络传输到所述PC机端，作为GIS定位算法中的火点与激光测距仪之间的距离值S，
[0012] 所述GIS定位算法为：
[0013] 设云台所在地的经纬度坐标值，为（J0, W0)
[0014] 设云台所在地的高度值，为H0，
[0015] 设定云台所在地单位经度和单位纬度的长度，每一经度为J，每一纬度为W
[0016] 计算着火点：（经度坐标J1，维度坐标W1，高度值H1)
[0017] 经度坐标 J1 = J0+ [S*C0S (B) *SIN ⑷ *360 ° ] /W ;
[0018] 纬度坐标 W1 = W0+ [S*C0S (B) *C0S (A) *360。] /J ;
[0019] 高度值为 HI = H〇-S*SIN(B)。
[0020] 为更好的实现本发明目的，本发明还公开了基于激光测距的森林火点定位系统的 使用方法，其中，包括如下步骤：
[0021] A、测量距离的步骤：由激光测距仪测量待测点至激光测距仪的距离，激光发射器 发射激光至待测点，接收器接受反馈信号，通过从发射到返回的时间计算火点与激光测距 仪之间的距离，为S，单位米；
[0022] B、云台返回的水平角度值为A ;云台返回的俯仰角度值为B ;
[0023] C、通过定位设备提前获取到云台所在地的经纬度坐标值，为（J0, W0);云台所在 地的高度值，为H〇 ; (J0, W0)和H0设定后即为固定值参考值，不再做变化；
[0024] D、根据地图，计算获得云台所在地单位经度和单位纬度的长度，每一经度为J，每 一纬度为W ;
[0025] E、根据定位公式可以获取定位点所在的地理坐标，如下：
[0026] 经度坐标 J1 = J0+ [S*C0S (B) *SIN (A) *360。] /W ;
[0027] 纬度坐标 W1 = W0+ [S*C0S (B) *C0S (A) *360。] /J ;
[0028] 高度值为 HI = H〇-S*SIN(B)。
[0029] 其中，以正北方向为水平0°。
[0030] 本发明的优点，使用方便，定位准确，能够在森林火灾发生时就定位，且准确率高， 无需人工核实的森林防火用基于激光测距的森林火点定位系统及其方法。具体为：
[0031] 本发明解决了现有森林防火用定位系统不准确的问题，1，精确了待测点与云台之 间的距离，2,根据云台返回的坐标值，高度值，水平角度值，俯仰角度值以及已知的经纬线 的单位长度值，得到实际火点的经纬度值。首先由激光测距仪测量出待测区域到激光测距 仪的距离。然后由云台将数据返回到PC机端。然后在PC机的软件平台上，得出该火点的 相应的位置。
[0032] 其中A是水平角度值，B是俯仰角度值；
[0033] H0是云台所在地的高度值，J和W分别为每一经度和纬度的长度值，S是激光测距 数值，单位：米。
[0034] 经度坐标 J1 = J0+ [S*C0S (B) *SIN (A) *360。] /W ;
[0035] 纬度坐标 W1 = W0+ [S*C0S (B) *C0S (A) *360。] /J ;
[0036] 高度值为 HI = H〇-S*SIN ⑶；
[0037] 其中，以正北方向为水平0°。
[0038] J和W分别为每一经度和纬度的长度值，其原理为：经纬度在不同地区，每度距 离差是不同的，假定地球是完美的球体的话，纬度为B的地区：纬度变化一度，球面南北方 向距离变化：π R/180 = 111. 7km经度变化一度，球面东西方向距离变化：π R/180*cosB =111. 7*cosB。比如北京B = 40、cosB = 0. 766,经度变化1度，贝U东西方向距离变化 85. 567km〇
[0039] 说明书附图
[0040] 图1为本发明的系统组成示意图。
[0041] 图2为本发明水平角度A的获取示意图
[0042] 图3为本发明火点数据的获取的示意图。
[0043] 图4为火点经纬度的获取（在水平角度A小于90度的情况）
[0044] 图5为火点经纬度的获取（在水平角度A位于90-180度间的情况）
[0045] 图6为火点经纬度的获取（在水平角度A位于180-270度间的情况）
[0046] 图7为火点经纬度的获取（在水平角度A位于270-360度间的情况）
【具体实施方式】：
[0047] 基于激光测距的森林火点定位系统，如图1所示，图1为本发明的系统组成示意 图。包括激光测距仪，云台，PC机，PC机上装载有GIS地图和软件平台，云台上固定的装 配有所述激光测距仪，云台内进一步设置有数据采集模块与传输模块，云台与PC机网络连 接，激光测距仪内设置有激光测距模块，激光测距模块与数据采集模块、传输模块之间电连 接，激光测距模块包括激光发射器和接收器，其中，以正北方向为水平0°，云台能够实现水 平方向0-360度旋转，云台能够实现垂直方向-30-40度旋转，云台将水平角度变换值与垂 直角度变换值通过网络传送到PC机，作为GIS定位算法中所需要的水平角与俯仰角；水平 角度值为A ;云台俯仰角度值为B ;云台能够通过激光测距仪获取云台所在地与火点之间的 直线距离，并通过网络传输到所述PC机端，作为GIS定位算法中的火点与激光测距仪之间 的距离值S，GIS定位算法为：
[0048] 设云台所在地的经纬度坐标值，为（J0, TO)
[0049] 设云台所在地的高度值，为HO，
[0050] 设定云台所在地单位经度和单位纬度的长度，每一经度为J，每一纬度为W
[0051] 计算着火点：（经度坐标J1，维度坐标W1，高度值H1)
[0052] 经度坐标 J1 = J0+ [S*C0S (B) *SIN (A) *360。] /W ;
[0053] 纬度坐标 W1 = W0+ [S*C0S (B) *C0S (A) *360。] /J ;
[0054] 高度值为 HI = H〇-S*SIN(B)。
[0055] 基于激光测距的森林火点定位系统的使用方法，其中，包括如下步骤：
[0056] A、测量距离的步骤：由激光测距仪测量待测点至激光测距仪的距离，激光发射器 发射激光至待测点，接收器接受反馈信号，通过从发射到返回的时间计算火点与激光测距 仪之间的距离，为S，单位米；
[0057] B、云台返回的水平角度值为A ;云台返回的俯仰角度值为B ;
[0058] C、通过定位设备提前获取到云台所在地的经纬度坐标值，为（J0, W0);云台所在 地的高度值，为H〇 ; (J0, W0)和H0设定后即为固定值参考值，不再做变化；
[0059] D、根据地图，计算获得云台所在地单位经度和单位纬度的长度，每一经度为J，每 一纬度为W ;
[0060] E、根据定位公式可以获取定位点所在的地理坐标，如下：
[0061] 经度坐标 J1 = J0+ [S*C0S (B) *SIN ⑷ *360 ° ] /W ;
[0062] 纬度坐标 W1 = W0+ [S*C0S (B) *C0S (A) *360。] /J ;
[0063] 高度值为 HI = H〇-S*SIN(B)。
[0064] 其中，以正北方向为水平0°。
[0065] 如图2所示，图2为本发明水平角度A的获取示意图
[0066] 水平角度A的获取
[0067] 我们可以通过云台在预置位0° (我们将其设置在正南正北的方向上）和转过的 角度获得当前水平角度A
[0068] 如图3所示，图3为本发明火点数据的获取的示意图。
[0069] 山高与塔高再加上云台的高度为H0,我们可以分别通过专业设备获取；而云台到 火点的距离S，我们可以通过激光测距仪获取；俯角B我们可以通过云台返回的数据获取； 由公式余弦公式，我们可以计算获得火点到云台所在地的水平距离为L = S*C0S(B);由正 弦函数公式，我们可以计算获得火点所在地的高程数据：HI = H〇-[S*SIN(B)]。
[0070] 如图4所示，图4为火点经纬度的获取（在水平角度A小于90度的情况）
[0071] 由于火点所在地的经线的长度和纬线的长度我们可以查出，我们可以求出每一度 经线的长度J和每一度纬线的长度W :
[0072] J=经线的长度/180
[0073] W =纬线的长度/360
[0074] 设当前云台所在地的经纬度为（J0, W0)，这个可以通过专业设备测得。
[0075] 当火点处于以下位置的时候；A <=90°
[0076] 当云台转过的角度为0?90°的时候，由正余弦公式可以算出来火点的最终坐 标：其中[L*SIN(A)*360° ]/W 为经度差，[L*C0S(A)*360° ]/J 为纬度差。
[0077] J1 = J0+[L*SIN(A)*360。]/W = J0+[S*C0S (B)*SIN (A)*360。] /W
[0078] W1 = W0+[L*C0S(A)*360。]/J = W0+[S*C0S (B)*C0S (A)*360。] /J
[0079] 如图5所示，图5为火点经纬度的获取（在水平角度A位于90-180度间的情况） [0080] 当云台转过的角度为90?180°的时候，由正余弦公式可以算出来火点的最终坐 标：其中[L*SIN(180° -A)*360° ]/W 为经度差，[L*C0S(180° -A)*360° ]/J 为纬度差。
[0081] J1 = J0+[L*SIN(180。-A)*360。]/W = J0+[S*C0S(B)*SIN(A)*360。]/W
[0082] W1 = W0-[L*C0S(180。-A)*360。]/J = W0+[S*C0S(B)*C0S(A)*360。]/J
[0083] 如图6所示，图6为火点经纬度的获取（在水平角度A位于180-270度间的情况）
[0084] 当云台转过的角度为180?270°的时候，由正余弦公式可以算出来火点的最终 坐标：其中[L*SIN(A-180° )*360° ]/W为经度差，[L*C0S(A-180° )*360° ]/J为纬度差。
[0085] J1 = J0-[L*SIN(A-180° )*360。]/W = J0+[S*C0S(B)*SIN(A)*360。]/W
[0086] W1 = WO-[L*C0S(A-180 ° )*360 ° ]/J = W0+[S*C0S(B)*C0S (A)*360。] /J
[0087] 如图7所示，图7为火点经纬度的获取（在水平角度A位于270-360度间的情况）
[0088] 当云台转过的角度为270?360°的时候，由正余弦公式可以算出来火点的最终 坐标：其中[L*SIN(360° -A)]/W 为经度差，[L*C0S(360° -A)]/J 为纬度差。
[0089] J1 = J0-[L*SIN(360。-A)*360。]/W = J0+[S*C0S(B)*SIN(A)*360。]/W
[0090] W1 = W0+[L*C0S (360。-A)*360。]/J = W0+[S*C0S(B)*C0S (A)*360。] /J
[0091] 由以上公式我们可以最终得出火点经纬度的最终公式如下：
[0092] J1 = J0+[S*C0S(B)*SIN(A)*360。]/W
[0093] W1 = W0+[S*C0S(B)*C0S(A)*360。]/J
[0094] 最后，我们就可以通过算出的经纬度坐标（J1，W1)在GIS地图上标出火点的位置， 然后就可以及时确定最佳方案、调遣人员、车辆、物资，对林火进行有效的控制和扑灭，将火 灾带来的损失降到最低。
【权利要求】
1. 一种基于激光测距的森林火点定位系统，包括激光测距仪，云台，PC机，PC机上装载 有GIS地图和软件平台，云台上固定的装配有所述激光测距仪，云台内进一步设置有数据 采集模块与传输模块，云台与PC机网络连接，激光测距仪内设置有激光测距模块，激光测 距模块与数据采集模块、传输模块之间电连接，激光测距模块包括激光发射器和接收器，其 特征在于， 以正北方向为水平0°， 所述云台能够实现水平方向0-360度旋转， 所述云台能够实现垂直方向-30-40度旋转， 所述云台将水平角度变换值与垂直角度变换值通过网络传送到PC机，作为GIS定位算 法中所需要的水平角与俯仰角；水平角度值为A ;云台俯仰角度值为B ; 所述云台能够通过激光测距仪获取云台所在地与火点之间的直线距离，并通过网络传 输到所述PC机端，作为GIS定位算法中的火点与激光测距仪之间的距离值S， 所述GIS定位算法为： 设云台所在地的经纬度坐标值，为（J〇，W〇) 设云台所在地的高度值，为H0， 设定云台所在地单位经度和单位纬度的长度，每一经度为J，每一纬度为W 计算着火点：（经度坐标J1，维度坐标W1，高度值H1) 经度坐标 J1 = J〇+ [S*C0S (B) *SIN (A) *36〇。] /W ; 纬度坐标 W1 = W0+ [S*C0S (B) *C0S (A) *360。] /J ; 高度值为 HI = H〇-S*SIN(B)。
2. 根据权利要求1所述基于激光测距的森林火点定位系统的使用方法，其特征在于， 包括如下步骤： A、 测量距离的步骤：由激光测距仪测量待测点至激光测距仪的距离，激光发射器发射 激光至待测点，接收器接受反馈信号，通过从发射到返回的时间计算火点与激光测距仪之 间的距离，为S，单位米； B、 云台返回的水平角度值为A ;云台返回的俯仰角度值为B ; C、 通过定位设备提前获取到云台所在地的经纬度坐标值，为（J0, W0);云台所在地的 高度值，为HO ;(J0, W0)和H0设定后即为固定值参考值，不再做变化； D、 根据地图，计算获得云台所在地单位经度和单位纬度的长度，每一经度为J，每一纬 度为W; E、 根据定位公式可以获取定位点所在的地理坐标，如下： 经度坐标 J1 = J〇+ [S*C0S (B) *SIN (A) *36〇。] /W ; 纬度坐标 W1 = W0+ [S*C0S (B) *C0S (A) *360。] /J ; 高度值为 HI = H〇-S*SIN(B)。
【文档编号】G01C21/00GK104089615SQ201410307435
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】逄增辉, 逄增伦, 石少锋 申请人:青岛浩海网络科技股份有限公司