无人机红外热成像功能在火灾救援中的应用

前言

每年夏季，都是应急消防战友们压力最大的时候，首先是天气炎热导致火灾隐患增加，其次是每年从南到北“七上八下”的防洪救灾工作，同时，沿海地区要面临台风登陆，西部山区又要防范泥石流等地质灾害，总而言之，全国都在紧张有序的备战减灾工作中，随时准备迎接各种灾害。

而常言道，工欲善其事必先利其器，无人机就是应急消防中不可缺少的利器，而在无人机的很多功能中，红外热成像的作用尤为明显，应用非常广泛，研究也已经相当成熟。

本文仅作为一篇科普文，为想要了解无人机热成像基本操作、功能、技战法的从业人员浅显的介绍无人机热成像在火灾救援领域中的应用，因李老师并非专业的消防救援人员，所以一些描述难免有所遗漏和错谬，还望各位读者不吝指出并给予意见。

一、热辐射来源

粒子会发生无规则的运动，称为热振动，这是温度的来源。热振动过程中会产生电磁波，电磁波会辐射，称为热辐射。温度越高，热辐射越强，同时辐射出的射线频率越高。

不同温度下物体辐射电磁波的主要波段

可以通过上图看出，当温度超过500℃后，除了红外辐射外，还会辐射出可见光，光色随温度增加而从红到紫，温度进一步升高，甚至会出现X射线等高频射线。

相关知识——火焰颜色

火焰燃烧产生的可见光并不都是热辐射产生的，主要有三种，分别是热辐射，电子跃迁，化学荧光。

1、热辐射发光上面说过，比如铁加热后发红；

2、电子跃迁类似LED灯的发光原理，有机物充分燃烧时以蓝光为主，就出现了我们非常亲切的“火焰蓝；

3、而化学荧光我们熟悉的有磷火（鬼火），和反应物的化学特性有关，不见得温度很高。

火焰颜色

因此，只通过火焰颜色判断温度并不科学，还要考虑反应物和反应条件。

二、无人机红外热成像功能

采用带有红外热成像（产品名中带T）功能的无人机，在广角或变焦模式下，点击红外对应的按键或图标，切换到红外模式，通过红外模式查看温度分布。

大疆采用的红外热成像解决方案是8~14um波长中红外成像方案。首先要明确一个概念，热成像≠红外成像，红外成像包含的概念较广，根据波长，红外分为近(0.75~3um)、中(3~20um)、远(20~1000um)红外。只要在这个范围内的，都属于红外成像。

生活中常见的夜视摄像头，或红外摄像头，一般使用0.75~3um近红外成像，传感器实际上和可见光成像的CMOS传感器并无什么本质区别，可以共用一套传感器，这种方式优点是看得清楚，局限是需要补光，缺陷是无法测温。

而大疆使用的是红外成像中的热成像方式，优点是不需要补光，且可以测温，局限是测温限制较多，缺陷是像素较低。

热成像传感器分为制冷型和非制冷型，制冷型灵敏度高，但体积大、功耗高、比较贵，一般用于军用，非制冷体积小、功耗低、成本低，但灵敏度低，一个除了看得清楚都是缺点，一个除了看不清楚都是优点。

现在民用无人机用的基本都是非制冷型，大疆也不例外，再分细点，属于非制冷型氧化钒传感器，其他的也有用多晶硅的。

三、热辐射特性

1、可以看到物体几何轮廓，但看不到颜色纹理；

能看到风机叶片上的涂层破损，但无法看到机身上的蓝色文字

2、可以看到高低温差，但无法精准测温，同时观测效果受距离影响较大；

3、可以一定程度上穿透浓雾和烟气，但成像清晰度会降低；

4、和可见光不同，红外线会被玻璃阻挡，无法看清玻璃后的画面；

5、可以看到液体，但看不到大部分气体。

能穿透烟雾，但穿透不了玻璃

四、热辐射衰减

红外辐射在空气中传播时会急剧衰减，因此无人机在远距离测量和真实温度有很大偏差，只能查看是否有温度异常，不能准确判断目标的温度值。只能做定性分析，不能做定量分析。

主要衰减原因有三种：

1、距离越远，单位面积接收到的能量越少，也是主导因素；

2、空气中有很多水蒸气和悬浮小水滴，会吸收红外线；

3、空气中有很多灰尘颗粒，会散射红外线。

五、应用场景举例

无人机红外热成像功能即使无法准确判断物体的表面温度，但也有非常广泛的用途，下面针对化工厂房火灾这类危险而复杂的场景，例举了7种主要的用法，根据你的理解，还有哪些场景可以用到红外热成像？

六、红外测温功能

测温是对火场的一种量化分析，无人机具备点测温和区域测温功能，可以对任意目标进行远距离安全测温，但要注意该温度非实际温度，而是一个参考值，只呈现趋势。

大疆设备的测温方式有两种：点测温和区域测温，下图是两种测温方式的说明。

两种红外测温方式

厂房火灾测温的用途主要有以下几条：

1、穿透烟雾快速锁定温度最高点；

2、搜索无明火区域的温度异常点；

3、对危险源持续监控并及时预警；

4、通过温度变化趋势评估战果。

罐体异常温度

根据飞行器和相机的产品特性，提出以下三点火场红外侦查的注意事项：

1、根据火势控制距离，太远影响观测，太近容易受损；

2、保持相对距离不变，以得到准确的变化趋势；

3、部分相机具有红外超分功能，打开可获得更高像素。

七、双光结合侦查

点击分屏按钮图标，可使红外和可见光分屏同时显示，在此介绍几种双光分屏模式下的操作技巧。

红外模式放大变焦按钮 IR+倍数

1、可分别或同时进行变焦操作，红外镜头点击IR图标进行放大，有些设备支持联动变焦，即红外和可见光变焦倍数同时放大或缩小；

2、山石、水源、照明或机械设备会产生疑似热源，对红外搜索造成干扰，在白天可以通过变焦相机直接放大确认，在夜间可以通过探照灯+可见光相机确认。

被晒热的山石常常成为疑似高温点

在人员搜救时可使用红外发现可疑目标，可见光变焦确认。下图呈现了在400米外，先使用红外发现疑似热源，再使用高倍变焦（40X）分屏确认找到走失人员，然后用激光打点功能记录位置坐标的案例。

搜救中通过红外在森林中发现可疑热源后通过可见光确认

八、调色盘

热成像图片中的颜色用来表示温度，在JPEG图片或MP4格式视频中显示出来。以H20T相机为例，下图是调色盘功能提供的显色方式和不同场景的用途举例。

调色盘的不同显色模式

1、化工及城市消防中，在初期或后期，火势不明显，烟雾遮挡视线，可使用铁红、描红定位核心火点和燃烧态势；

烟雾较轻时，使用铁红或描红并夹取测温范围穿透烟雾成像

2、中期全面燃烧时，产生大量黑色高温烟尘颗粒，此时会对红外的观察造成影响，可采用熔岩模式+低增益模式侦查核心火点燃烧情况；

烟雾含碳量过高，使用熔岩模式+低增益并夹取测温范围成像

3、在森林消防中，前中期同样可以使用描红或铁红，快速发现火线和火点；

森林消防前期使用铁红快速发现火点

4、在后期余火看护阶段，可以切换为白热，因为长期使用时，盯着铁红模式看眼睛容易疲劳，且白热模式不同温度的灰度过渡较为均匀，容易判断哪些是燃点，哪些是过火后的残留余温；

森林消防中后期使用白热长时间观察对比

5、在山岳救援中，如环境温度较低，可使用铁红、白热、黑热、描红等，在100米左右相对高度下，如有人形大小热源，易于发现。但如果环境温度较高，在山高林密地区想确定可疑热源，就可能需要切换到医疗、彩虹这种颜色更为丰富的调色盘模式，悬停观察热源是否发生移动和变化。

野外搜救时，采用不同模式尝试辨别热点形状

九、增益模式

可设置高增益和低增益模式，高增益量程短，但精细度高，适合大部分场景，包括火场细节查看。低增益量程高但精细度低，适合查看超高温或过滤高温烟尘。

不同增益模式下成像效果对比

十、红外热成像各场景应用总结

1、查找火点、确定主攻：在浓烟中找到火点准确位置；

2、观察趋势、监控风险：观察喷水后降温情况，监控储罐温度上升趋势及液体流动；

3、排查隐患、防止复燃：寻找阴燃、异常高温点，山火复燃点，烟点；

4、人员搜救：穿透火场烟雾，或在野外林区寻找疑似热源；

5、夜间作业：光线黑暗时几乎唯一的成像手段。

随着无人机红外热成像技术的发展，使过去需要大量经验的高风险工作变得有数据支撑，更加安全，更易于掌控。

十一、飞手安全小贴士

1、在火场中，无人机尽量保持高空、贴边、上风的有利位置，避免高温和烟气干扰；

2、减少不必要移动，通过调节云台来观察救援现场情况，以避免飞行风险，同时节省电量；

3、执行可见光全局布控时建议保持200米以上高度，最低不低于100米，获得更好视野同时减少碰撞障碍物风险；

4、进行测温监控时，保持两次测温的相对距离不变，以免误判温度变化趋势；

5、在高空侦查时风速可能过大，要时刻关注风速信息（也可用来测算火情和烟雾走向）。口诀：高空、上风、贴边走；

升高查看风向、空域和有利侦查位置

选取合适的侦查位置

6、注意确保自身和队友安全，观察周围环境，如发现危险苗头，应尽快组织撤离。

无人机已经成为消防指战员们的另一双眼睛，无数次地帮助“蓝朋友”们战胜灾害，降低风险，李老师虽然无法经常前往一线和战友们并肩战斗，但希望通过这些技术内容和实用案例帮助到大家，共同守护我们美好的家园。

*转载请注明来源慧飞

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