無人機(jī)系統(tǒng)在國家森林消防隊(duì)伍中的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用探析

羅選疆 付鈺杰 紀(jì)任鑫 張志

摘要：自應(yīng)急管理部組建以來，國家森林消防隊(duì)伍的職責(zé)范圍由過去單一應(yīng)對森林草原火災(zāi)轉(zhuǎn)變?yōu)槿珵?zāi)種災(zāi)害救援，對災(zāi)害現(xiàn)場信息快速而全方位收集的要求也逐漸提高。無人機(jī)系統(tǒng)良好的平臺拓展性和靈活的機(jī)動(dòng)性，契合了森林消防隊(duì)伍的應(yīng)急偵測實(shí)戰(zhàn)需求，為救援現(xiàn)場災(zāi)害數(shù)據(jù)收集、傳輸和處理提供基礎(chǔ)性的保障。本文通過兩起典型森林滅火實(shí)戰(zhàn)案例研究，提出加強(qiáng)無人機(jī)系統(tǒng)的實(shí)戰(zhàn)效能，一是要完善空域申請制度并對飛控進(jìn)行規(guī)范，提高操作的可靠性;二是加強(qiáng)數(shù)據(jù)的處理與共享;三是建立飛行器指揮平臺，解決無人機(jī)與其他飛行器共同作業(yè)的空域安全及編隊(duì)配合的問題;四是加強(qiáng)“地空”配合和戰(zhàn)法協(xié)同。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)系統(tǒng);森林消防;應(yīng)急通信

在城市化和全球氣候變暖的背景下，各類極端天氣和重大自然災(zāi)害頻繁發(fā)生[1]。2018年，原公安消防部隊(duì)、武警森林部隊(duì)轉(zhuǎn)制，組建國家綜合性消防救援隊(duì)伍[2]，由應(yīng)急管理部領(lǐng)導(dǎo)管理。轉(zhuǎn)制后的森林消防隊(duì)伍面對“全災(zāi)種、大應(yīng)急”，擔(dān)負(fù)處置各類災(zāi)害事故的重要職責(zé)，在處置以森林草原防火滅火為中心的多樣化任務(wù)中，對“動(dòng)中通，全時(shí)通”的應(yīng)急通信保障能力提出更高要求?，F(xiàn)場指揮對應(yīng)急偵測數(shù)據(jù)的需求急劇增長，衛(wèi)星遙感受限于時(shí)空分辨率，而傳統(tǒng)的有人航空遙感則受制于長航時(shí)、大機(jī)動(dòng)、惡劣氣象條件的影響[3]，很難進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的災(zāi)害現(xiàn)場動(dòng)態(tài)監(jiān)測，而無人機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展剛好彌補(bǔ)了這一缺口，在應(yīng)急救援領(lǐng)域的使用也逐漸普遍。隨著無人機(jī)系統(tǒng)、融合通信與航空攝影技術(shù)的不斷優(yōu)化，目前市面上的大部分無人機(jī)產(chǎn)品都具備可拆解、實(shí)時(shí)通信、機(jī)動(dòng)靈活的性能，無人機(jī)在在災(zāi)害現(xiàn)場可快速組裝，前往人車無法到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行巡視反饋，將第一手災(zāi)害信息發(fā)送至前指，為救援力量部署、人員安全管控和機(jī)動(dòng)路線選擇提供決策依據(jù)。

1 森林消防隊(duì)伍中的無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1災(zāi)害現(xiàn)場信息的實(shí)時(shí)采集

領(lǐng)受應(yīng)急偵測任務(wù)后，無人機(jī)組裝完畢并搭載不同功能的任務(wù)載荷，可對災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。針對森林草原火災(zāi)中煙霧下方的火點(diǎn)，或搜索失蹤人員位置，可利用熱成像模塊檢測火點(diǎn)和人員熱點(diǎn)后進(jìn)行定位;在地震、泥石流等災(zāi)害現(xiàn)場，通?？辈旃ぷ髁看?、安全隱患多，不適宜人力直接介入進(jìn)行前期的勘測，無人機(jī)在飛控的有效范圍內(nèi)可大面積獲取災(zāi)害現(xiàn)場信息，初步評估災(zāi)害損失情況，及時(shí)掌握災(zāi)情發(fā)展趨勢，而低空機(jī)動(dòng)的飛行可避免云層干擾[4]，為指揮中心提供高分辨率的影像信息。

1.2基于傾斜攝影的數(shù)據(jù)可視化

傾斜攝影是由傳統(tǒng)航空攝影發(fā)展而來的技術(shù)，打破了傳統(tǒng)航空測量的拍攝角度局限。將一個(gè)垂直角度和四個(gè)傾斜角度所拍攝的影像與飛控中的POS數(shù)據(jù)匹配，之后進(jìn)行空三加密構(gòu)建三維立體模型[5]，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)可視化。

常用的航測三維搭建軟件有Pix4Dmapper、PhotoScan、Smart 3D，如使用大疆創(chuàng)新的消費(fèi)級航拍機(jī)進(jìn)行采點(diǎn)取樣，可利用Pix4Dcapture或Altizue進(jìn)行3D航線規(guī)劃，可根據(jù)不同的覆蓋率需求設(shè)置航線，起飛后便可進(jìn)行自動(dòng)取樣。但三維建模軟件對電腦硬件需求通常比較高，通常處理時(shí)間在3-4小時(shí)甚至更長。

在三維建模完成后，可對航測的區(qū)域進(jìn)行360度的瀏覽，也可利用工具對航測區(qū)域內(nèi)物體長度、表面積、體積等數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，這樣可以方便指揮員從不同角度查看災(zāi)害現(xiàn)場特征，判讀救援過程中的風(fēng)險(xiǎn)要素和人員安全狀況。在森林草原火災(zāi)救援過程當(dāng)中，也可進(jìn)一步將傾斜攝影數(shù)據(jù)處理生成數(shù)字地表模型（DSM），在海拔落差較大區(qū)域，將提取出的地物高度信息（nDSM）結(jié)合高分辨率光學(xué)影像進(jìn)行地物提取[6]，獲取可燃物等信息，為現(xiàn)場指揮員的救援方案及后方增援力量的應(yīng)急響應(yīng)方案的制定提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)信息。

1.3構(gòu)建通信中繼單元

傳統(tǒng)的應(yīng)急通信手段在復(fù)雜的地理環(huán)境里，通常會(huì)受山體或建筑物遮擋。臨時(shí)在制高點(diǎn)搭建中繼單元，路程較遠(yuǎn)且耗時(shí)較長，而無人機(jī)的高空無阻礙和快速的機(jī)動(dòng)優(yōu)勢可化解這樣的困境，為指揮機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場救援人員在山地密林區(qū)極端條件下建立起通信鏈路。

1.4輔助相關(guān)救援行動(dòng)

無人機(jī)系統(tǒng)平臺還可搭載喊話器、應(yīng)急照明、拋投等任務(wù)載荷，在應(yīng)急救援過程中為任務(wù)分隊(duì)提供語音引導(dǎo)、弱光環(huán)境照明和拋送應(yīng)急物資提供條件。

2 無人機(jī)系統(tǒng)在森林消防實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用分析

2.1無人機(jī)裝備配置情況

應(yīng)急管理部森林消防局配發(fā)使用的無人機(jī)主要有幻影六旋翼無人機(jī)、3vs混合翼無人機(jī)以及各部門后期配發(fā)的消費(fèi)級無人機(jī)。目前幻影六旋翼無人機(jī)已配備至大隊(duì)級單位，3vs混合翼無人機(jī)配備至各總隊(duì)所轄滅火救援任務(wù)繁重的單位使用。兩款無人機(jī)具有各自的優(yōu)勢，3vs混合翼的固定翼巡航模式適合長航時(shí)、大范圍偵測作業(yè)，六旋翼的任務(wù)載荷適用于小范圍、定點(diǎn)偵測和救援協(xié)同任務(wù)。

森林消防隊(duì)伍的無人機(jī)系統(tǒng)在人員操作方面，總隊(duì)、支隊(duì)兩級機(jī)關(guān)的無人機(jī)操作手實(shí)戰(zhàn)機(jī)會(huì)較多，操作經(jīng)驗(yàn)豐富，大隊(duì)級以下的無人機(jī)操作手實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的時(shí)機(jī)較少，主要通過每周的通信訓(xùn)練來提高操作水平。大部分無人機(jī)操作手通常只了解飛行操作，對采集的數(shù)據(jù)處理能力和飛行過程中的應(yīng)急處置能力普遍較弱。由于無人機(jī)配備數(shù)量少，返廠修理時(shí)間較長，在實(shí)戰(zhàn)操作過程中出現(xiàn)問題后，無人機(jī)操作手出現(xiàn)“恐飛”的情緒也較為常見。

2.2實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用案例分析

《2019年中國國土綠化狀況公報(bào)》顯示[7]，我國森林覆蓋率達(dá)22.96%，森林面積2.2億公頃。我國已成為世界上森林資源增長最快的國家，人工林面積居世界首位。與此同時(shí)，我國面臨的林火風(fēng)險(xiǎn)形勢日趨嚴(yán)峻，隨著天然林保護(hù)和退耕還林政策實(shí)施而森林營林管護(hù)措施的不到位，造成輕型可燃物的超量積聚，發(fā)生重特大森林草原火災(zāi)的危險(xiǎn)越來越大。森林消防隊(duì)伍轉(zhuǎn)隸2年來，受氣象、火源等因素影響，部分重點(diǎn)林區(qū)森林草原火災(zāi)高發(fā)、頻發(fā)，滅火任務(wù)同比激增兩倍以上。滅火作戰(zhàn)要做到科學(xué)、安全、高效、有序，離不開現(xiàn)場信息的全面、快速獲取。以2019年云南安寧“5.13”和2020年四川木里“3.28”滅火作戰(zhàn)為例，無人機(jī)機(jī)組分別使用了六旋翼和混合翼無人機(jī)進(jìn)行火場應(yīng)急偵測。