DJI 無人機紅外熱成像功能在火災救援中的應用
UTC 總部李宏博
前言
每年夏季，都是應急消防戰友們壓力最大的時候，首先是天氣炎熱導致火災隱患增加，其次是每年從南到北“七上八下”的防洪救災工作，同時，沿海地區要面臨颱風登陸，西部山區又要防範泥石流等地質災害，總而言之，全國都在緊張有序的備戰減災工作中，隨時準備迎接各種災害。
而常言道，工欲善其事必先利其器，無人機就是應急消防中不可缺少的利器，而在無人機的很多功能中，紅外熱成像的作用尤為明顯，應用非常廣泛，研究也已經相當成熟。
本文僅作為一篇科普文，為想要了解無人機熱成像基本操作、功能、技戰法的從業人員淺顯的介紹無人機熱成像在火災救援領域中的應用，因李老師並非專業的消防救援人員，所以一些描述難免有所遺漏和錯謬，還望各位讀者不吝指出並給予意見。
一、熱輻射來源
粒子會發生無規則的運動，稱為熱振動，這是溫度的來源。熱振動過程中會產生電磁波，電磁波會輻射，稱為熱輻射。溫度越高，熱輻射越強，同時輻射出的射線頻率越高。
不同溫度下物體輻射電磁波的主要波段
可以通過上圖看出，當溫度超過500℃後，除了紅外輻射外，還會輻射出可見光，光色隨溫度增加而從紅到紫，溫度進一步升高，甚至會出現X射線等高頻射線。
相關知識——火焰顏色
火焰燃燒產生的可見光並不都是熱輻射產生的，主要有三種，分別是熱輻射，電子躍遷，化學熒光。
1、熱輻射發光上面說過，比如鐵加熱後發紅；
2、電子躍遷類似LED燈的發光原理，有機物充分燃燒時以藍光為主，就出現了我們非常親切的“火焰藍；
3、而化學熒光我們熟悉的有磷火（鬼火），和反應物的化學特性有關，不見得溫度很高。
火焰顏色
因此，只通過火焰顏色判斷溫度並不科學，還要考慮反應物和反應條件。
二、無人機紅外熱成像功能
採用帶有紅外熱成像（產品名中帶T）功能的無人機，在廣角或變焦模式下，點擊紅外對應的按鍵或圖標，切換到紅外模式，通過紅外模式查看溫度分佈。
大疆採用的紅外熱成像解決方案是8~14um波長中紅外成像方案。首先要明確一個概念，熱成像≠紅外成像，紅外成像包含的概念較廣，根據波長，紅外分為近( 0.75 ~3um ) 、中(3~20um)、遠(20~1000um)紅外。只要在這個範圍內的，都屬於紅外成像。
生活中常見的夜視攝像頭，或紅外攝像頭，一般使用0.75~3um近紅外成像，傳感器實際上和可見光成像的CMOS傳感器並無甚麼本質區別，可以共用一套傳感器，這種方式優點是看得清楚，局限是需要補光，缺陷是無法測溫。
而大疆使用的是紅外成像中的熱成像方式，優點是不需要補光，且可以測溫，局限是測溫限制較多，缺陷是像素較低。
熱成像傳感器分為製冷型和非製冷型，製冷型靈敏度高，但體積大、功耗高、比較貴，一般用於軍用，非製冷體積小、功耗低、成本低，但靈敏度低，一個除了看得清楚都是缺點，一個除了看不清楚都是優點。
現在民用無人機用的基本都是非製冷型，大疆也不例外，再分細點，屬於非製冷型氧化釩傳感器，其他的也有用多晶矽的。
三、熱輻射特性
1、可以看到物體幾何輪廓，但看不到顏色紋理；
能看到風機葉片上的塗層破損，但無法看到機身上的藍色文字
2、可以看到高低溫差，但無法精準測溫，同時觀測效果受距離影響較大；
3、可以一定程度上穿透濃霧和煙氣，但成像清晰度會降低；
4、和可見光不同，紅外線會被玻璃阻擋，無法看清玻璃後的畫面；
5、可以看到液體，但看不到大部分氣體。
能穿透煙霧，但穿透不了玻璃
四、熱輻射衰減
紅外輻射在空氣中傳播時會急劇衰減，因此無人機在遠距離測量和真實溫度有很大偏差，只能查看是否有溫度異常，不能準確判斷目標的溫度值。只能做定性分析，不能做定量分析。
主要衰減原因有三種：
1、距離越遠，單位面積接收到的能量越少，也是主導因素；
2、空氣中有很多水蒸氣和懸浮小水滴，會吸收紅外線；
3、空氣中有很多灰塵顆粒，會散射紅外線。
五、應用場景舉例
無人機紅外熱成像功能即使無法準確判斷物體的表面溫度，但也有非常廣泛的用途，下面針對化工廠房火災這類危險而復雜的場景，例舉了7種主要的用法，根據你的理解，還有哪些場景可以用到紅外熱成像？
六、紅外測溫功能
測溫是對火場的一種量化分析，無人機具備點測溫和區域測溫功能，可以對任意目標進行遠距離安全測溫，但要注意該溫度非實際溫度，而是一個參考值，只呈現趨勢。
大疆設備的測溫方式有兩種：點測溫和區域測溫，下圖是兩種測溫方式的說明。
兩種红外測溫方式
廠房火災測溫的用途主要有以下幾條：
1、穿透煙霧快速鎖定溫度最高點；
2、搜索無明火區域的溫度異常點；
3、對危險源持續監控並及時預警；
4、通過溫度變化趨勢評估戰果。
罐體異常溫度
根據飛行器和相機的產品特性，提出以下三點火場紅外偵查的注意事項：
1、根據火勢控制距離，太遠影響觀測，太近容易受損；
2、保持相對距離不變，以得到準確的變化趨勢；
3、部分相機具有紅外超分功能，打開可獲得更高像素。
七、雙光結合偵查
點擊分屏按鈕圖標，可使紅外和可見光分屏同時顯示，在此介紹幾種雙光分屏模式下的操作技巧。
紅外模式放大變焦按鈕IR+倍數
1、可分別或同時進行變焦操作，紅外鏡頭點擊IR圖標進行放大，有些設備支持聯動變焦，即紅外和可見光變焦倍數同時放大或縮小；
2、山石、水源、照明或機械設備會產生疑似熱源，對紅外搜索造成乾擾，在白天可以通過變焦相機直接放大確認，在夜間可以通過探照燈+可見光相機確認。
被曬熱的山石常常成為疑似高溫點
在人員搜救時可使用紅外發現可疑目標，可見光變焦確認。下圖呈現了在400米外，先使用紅外發現疑似熱源，再使用高倍變焦（40X）分屏確認找到走失人員，然後用激光打點功能記錄位置坐標的案例。
搜救中通過紅外在森林中發現可疑熱源後通過可見光確認
八、調色盤
熱成像圖片中的顏色用來表示溫度，在JPEG圖片或MP4格式視頻中顯示出來。以H20T相機為例，下圖是調色盤功能提供的顯色方式和不同場景的用途舉例。
調色盤的不同顯色模式
1、化工及城市消防中，在初期或後期，火勢不明顯，煙霧遮擋視線，可使用鐵紅、描紅定位核心火點和燃燒態勢；
煙霧較輕時，使用鐵紅或描紅並夾取測溫範圍穿透煙霧成像
2、中期全面燃燒時，產生大量黑色高溫煙塵顆粒，此時會對紅外的觀察造成影響，可採用熔岩模式+低增益模式偵查核心火點燃燒情況；
煙霧含碳量過高，使用熔岩模式+低增益並夾取測溫範圍成像
3、在森林消防中，前中期同樣可以使用描紅或鐵紅，快速發現火線和火點；
森林消防前期使用鐵紅快速發現火點
4、在後期餘火看護階段，可以切換為白熱，因為長期使用時，盯著鐵紅模式看眼睛容易疲勞，且白熱模式不同溫度的灰度過渡較為均勻，容易判斷哪些是燃點，哪些是過火後的殘留餘溫；
森林消防中後期使用白熱長時間觀察對比
5、在山岳救援中，如環境溫度較低，可使用鐵紅、白熱、黑熱、描紅等，在100米左右相對高度下，如有人形大小熱源，易於發現。但如果環境溫度較高，在山高林密地區想確定可疑熱源，就可能需要切換到醫療、彩虹這種顏色更為豐富的調色盤模式，懸停觀察熱源是否發生移動和變化。
野外搜救時，採用不同模式嘗試辨別熱點形狀
九、增益模式
可設置高增益和低增益模式，高增益量程短，但精細度高，適合大部分場景，包括火場細節查看。低增益量程高但精細度低，適合查看超高溫或過濾高溫煙塵。
不同增益模式下成像效果對比
十、紅外熱成像各場景應用總結
1、查找火點、確定主攻：在濃煙中找到火點準確位置；
2、觀察趨勢、監控風險：觀察噴水後降溫情況，監控儲罐溫度上升趨勢及液體流動；
3、排查隱患、防止複燃：尋找陰燃、異常高溫點，山火復燃點，煙點；
4、人員搜救：穿透火場煙霧，或在野外林區尋找疑似熱源；
5、夜間作業：光線黑暗時幾乎唯一的成像手段。
隨著無人機紅外熱成像技術的發展，使過去需要大量經驗的高風險工作變得有數據支撐，更加安全，更易於掌控。
十一、飛手安全小貼士
1、在火場中，無人機盡量保持高空、貼邊、上風的有利位置，避免高溫和煙氣乾擾；
2、減少不必要移動，通過調節雲台來觀察救援現場情況，以避免飛行風險，同時節省電量；
3、執行可見光全局布控時建議保持200米以上高度，最低不低於100米，獲得更好視野同時減少碰撞障礙物風險；
4、進行測溫監控時，保持兩次測溫的相對距離不變，以免誤判溫度變化趨勢；
5、在高空偵查時風速可能過大，要時刻關注風速信息（也可用來測算火情和煙霧走向）。口訣：高空、上風、貼邊走；
升高查看風向、空域和有利偵查位置
選取合適的偵查位置
6、注意確保自身和隊友安全，觀察周圍環境，如發現危險苗頭，應盡快組織撤離。
無人機已經成為消防指戰員們的另一雙眼睛，無數次地幫助“藍朋友”們戰勝災害，降低風險，李老師雖然無法經常前往一線和戰友們並肩戰鬥，但希望通過這些技術內容和實用案例幫助到大家，共同守護我們美好的家園。
