無人機系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用探析

趙佳

（黑龍江省減災(zāi)中心，哈爾濱150001）

森林火災(zāi)是森林自然災(zāi)害中破壞性、危害性極大的災(zāi)害之一。其突發(fā)性強、撲救難度大，一旦蔓延開來，會對森林資源及林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)造成極大破壞，危及林區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全。無人機是一種可遠程操控的無人駕駛飛行器，在軍事領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用已經(jīng)相對比較成熟，近年來逐漸在氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。無人機系統(tǒng)具有造價低廉、操作簡便、機動靈活、使用安全等特點，相對于其他森林防火技術(shù)而言具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢，能廣泛適應(yīng)森林防火的各項工作任務(wù)需求，如森林防火日常巡護、森林可燃物調(diào)查、野外火源監(jiān)控、森林火災(zāi)火情偵察與輔助撲救、災(zāi)后余火監(jiān)測及火情調(diào)查評估等[1-2]。本文基于當前我國森林防火技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，就無人機系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用進行一些探討。

1 森林防火監(jiān)控技術(shù)發(fā)展簡況

目前，我國已經(jīng)形成了空、天、地多種技術(shù)相結(jié)合的森林火災(zāi)防控體系，在森林防火中應(yīng)用的主要技術(shù)包括衛(wèi)星遙感監(jiān)測、航空巡護、瞭望臺監(jiān)測、地面?zhèn)鞲?視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測以及人工巡護等。

在森林防火技術(shù)中，航空護林技術(shù)可以說有效性最高，機動靈活，巡護范圍廣，識別火情準確，能夠全方位快速偵查林區(qū)火情、火勢。但傳統(tǒng)航空巡護采用有人駕駛直升機與固定翼飛機，存在留空時間短、起飛及飛行受氣象條件制約、使用成本高、具有潛在的人員傷亡風險等問題。雖然航空護林的優(yōu)越性得到國內(nèi)外的普遍認可，但由于其造價成本高、專業(yè)性強、維護成本高昂，使得其應(yīng)用一直受到限制。我國目前所設(shè)置的航空護林站主要集中在少數(shù)大型林區(qū)，數(shù)量有限且設(shè)施老舊。隨著森林防火需求的進一步提高，傳統(tǒng)航空護林技術(shù)在森林防火實時動態(tài)監(jiān)測方面多有不足。衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測范圍廣，能夠在較大范圍內(nèi)快速發(fā)現(xiàn)林區(qū)溫度異常區(qū)域，在火災(zāi)發(fā)生后可以準確計算、判斷林火燃燒方向、燃燒區(qū)域和面積大小，但也存在時效性不高、空間分辨率較低、識別能力有限等不足。瞭望臺監(jiān)測技術(shù)具有覆蓋范圍廣、能及時發(fā)現(xiàn)初發(fā)火、技術(shù)應(yīng)用簡單等優(yōu)點，但火點定位的精度不高，易存在視野盲區(qū)，在惡劣天氣條件下監(jiān)測效果波動較大。地面?zhèn)鞲?視頻網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)是近年來隨著傳感器技術(shù)、視頻通訊技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而興起的一種新型森林防火技術(shù)，能夠?qū)崟r采集林區(qū)的各種防火要素，數(shù)據(jù)傳輸速度快、準確性高，但一次性投入大，需要在林區(qū)配置數(shù)量足夠的傳感器或視頻監(jiān)測模塊，且設(shè)備折舊快，后期維護成本比較高；此外，一旦發(fā)生火情，監(jiān)測終端處于火場環(huán)境，損壞率高，后續(xù)火情監(jiān)測乏力。人工巡護是森林防火最原始、最基礎(chǔ)的一種技術(shù)，是通過林區(qū)巡護工作人員實地作業(yè)來獲取目標信息的一種方式，其人力投入成本高，有效覆蓋范圍小，尤其是復雜的林區(qū)環(huán)境，難以進行有效監(jiān)測。

無人機是一種機上無人駕駛，可遠程操控并回收重復使用的航空飛行器。無人機可以在無人操控的狀態(tài)下，通過預先設(shè)定的程序進行自主飛行，也可以在地面控制人員的操控下完成半自動控制飛行。無人機造價成本低，性價比高，機動靈活，攜載不同的儀器設(shè)備可以完成不同飛行任務(wù)，尤其是在一些不適合人類進入的危險環(huán)境下，無人機具有無可比擬的優(yōu)勢[3-4]。無人機最初的應(yīng)用主要在軍事領(lǐng)域，常用于戰(zhàn)場偵察與輔助作戰(zhàn)，近年來在民用領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，應(yīng)用領(lǐng)域逐步拓展。作為一種新型的航空平臺，無人機應(yīng)用于森林防火，可以有效解決傳統(tǒng)航空護林的短板，其機動靈活、攜帶方便，起飛、降落要求不高，前期投入與后期維護成本遠低于傳統(tǒng)航空護林飛機，不但可以解決傳統(tǒng)航空巡護無法夜航、能見度降低無法飛行等問題，更為重要的是解決了地面巡護時的覆蓋面不足問題，尤其是對一些陡峭的大山林區(qū)，便于攜帶的多旋翼無人機可以有效擴大地面巡護的半徑，對于早期林火的發(fā)現(xiàn)意義重大。此外，采用無人機系統(tǒng)還可以提高地方防火部門的自主性，增強地方防火部門森林消防管理的有效性。

2 無人機系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及類型

無人機系統(tǒng)主要由地面控制系統(tǒng)、飛行器、機上有效載荷、發(fā)射與回收系統(tǒng)，以及地面維護系統(tǒng)等組成。飛行器是無人機系統(tǒng)的核心，主要由機體、飛行控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成，通常所說的無人機，主要指的是無人機系統(tǒng)中的飛行器。

無人機從功能、用途、外觀等方面可以分為多種類型。從外觀結(jié)構(gòu)上，可分為固定翼無人機和旋翼無人機；從動力驅(qū)動方式上，可分為電力驅(qū)動無人機和燃料驅(qū)動無人機；從功能用途上，可分為航拍無人機、通信無人機、宣傳無人機、熱紅外偵察無人機及運輸無人機等。無人機的類型決定著其性能和功能；有效載荷則決定著無人機功能的多樣性。在無人機平臺上搭載不同的設(shè)備儀器，可以實現(xiàn)無人機不同的功能用途，完成特定的工作任務(wù)。

3 無人機系統(tǒng)在森林防火中的優(yōu)勢

無人機系統(tǒng)應(yīng)用于森林防火，屬于航空護林的一部分，是航空護林的新興力量和有力補充。與傳統(tǒng)的航空護林相比較，無人機系統(tǒng)在小范圍巡護方面更具優(yōu)勢，可以有效解決傳統(tǒng)航空護林存在的一些缺陷及不足。傳統(tǒng)的航空護林采用駕駛員駕駛飛機進行林區(qū)巡護監(jiān)測，具有巡航速度快、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢；但傳統(tǒng)航空巡護留空時間短，大范圍巡護的時效性差，對林火實時動態(tài)監(jiān)測不足，且駕駛飛機過程中受氣候因素影響較大，飛行隱患多，一旦發(fā)生事故，損失與影響也比較大。我國目前用于航空護林的飛機總量不足，在森林防火期的巡護任務(wù)較重，護林壓力大，無人機系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度可以彌補我國航空護林力量的不足，提升航空護林的總體水平。

無人機應(yīng)用于森林防火，最大的優(yōu)勢是能夠較好地完成小范圍林區(qū)的低空巡護任務(wù)，且受氣象條件影響要小于有人駕駛飛機，具有全天候、超低空巡航觀測的優(yōu)勢。無人機系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)直升機或固定翼飛機，造價低廉，性價比高，一次性投入及后期維護的成本較低，而且不需要專用的起落場地，環(huán)境適應(yīng)性較強。目前森林防火領(lǐng)域應(yīng)用的無人機一般由地方防火部門或林業(yè)部門管控，使林區(qū)防火巡護更具針對性與目的性，進行小范圍的林火空中巡護監(jiān)測更加便利。尤其是地面人工巡護隊伍，利用多旋翼無人機，可以有效擴大巡護半徑，解決了以往人工巡護存在的一些死角區(qū)域的監(jiān)測問題。此外，無人機系統(tǒng)在應(yīng)對一些火災(zāi)范圍較小的一般性火災(zāi)及初起火撲救方面，響應(yīng)速度快，機動靈活，優(yōu)勢十分明顯?？偟膩碚f，無人機系統(tǒng)應(yīng)用于森林防火，是現(xiàn)代森林防火監(jiān)測與林火撲救的有力補充，應(yīng)用前景十分廣闊。

4 無人機系統(tǒng)在森林防火中的主要應(yīng)用

4.1 林火監(jiān)測預警

我國目前的森林火災(zāi)監(jiān)測，主要是基于多技術(shù)應(yīng)用的綜合監(jiān)測，形成空、天、地立體化監(jiān)測體系。就衛(wèi)星監(jiān)測、航空監(jiān)測、瞭望臺監(jiān)測及地面巡護等單項監(jiān)測方式來說，均不同程度地存在一些缺陷與不足。無人機機動靈活、巡護范圍廣、性價比高，可以覆蓋林火監(jiān)測的大部分盲區(qū)，其作為一種新興的林火監(jiān)測方式，可成為當前林火監(jiān)測體系的有效補充，改善現(xiàn)階段林火監(jiān)測的一些困境。

應(yīng)用無人機系統(tǒng)，以無人機為平臺，裝載紅外熱成像儀、高清透霧攝像機等專用儀器設(shè)備，結(jié)合圖像識別技術(shù)、GPS 全球定位系統(tǒng)等組成相對較為完備的森林火情監(jiān)測預警系統(tǒng)。無人機可以按照預定的航線對林區(qū)進行空中巡查，也可以針對重點區(qū)域以及可疑火點通過地面人工操作下達指令改變飛行軌跡進行重點詳查，并及時將巡查所獲取的高清影像通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳送給地面指揮中心。同時，機載系統(tǒng)還能自動定位火情位置，實現(xiàn)火情的智能識別并發(fā)出預警。無人機系統(tǒng)應(yīng)用于森林火災(zāi)監(jiān)測，能夠提高地面人工巡查護林的工作效率，便于了解火情的準確性，為林火撲救爭取寶貴時間，實現(xiàn)林火的打早、打了。目前，深圳、珠海的護林隊伍已將多旋翼無人機作為必需工作裝備，并多次在巡山護林和野外火源管理中應(yīng)用。無人機系統(tǒng)在森林防火中正發(fā)揮著重要作用。

4.2 災(zāi)情監(jiān)測偵察與輔助撲救

無人機在森林火災(zāi)發(fā)生后的災(zāi)情監(jiān)測偵察中具有良好的應(yīng)用效果。林火發(fā)生后，火場周圍環(huán)境會變得較為惡劣。受林木燃燒產(chǎn)生的濃煙影響，火場上空的能見度極低，風向也變化不定。配備高清攝像設(shè)備的無人機，能夠在火場惡劣環(huán)境下較好地執(zhí)行空中火情監(jiān)測偵察任務(wù)，直觀反映林火發(fā)生、發(fā)展態(tài)勢，及時將實時影像傳遞至地面滅火指揮中心，有利于林火撲救方案的制定。與其他火情監(jiān)測手段相比，無人機監(jiān)測具有更高的安全性。

無人機搭載滅火彈在森林火災(zāi)撲救中也具有較好的輔助效果。對于一定范圍內(nèi)的森林小火及初發(fā)火，利用無人機可以快速高效實施定點投放，降低火源強度，為地面撲救人員爭取寶貴的滅火時間。尤其是在一些地勢陡峭，人員、車輛進入不便的林區(qū)著火點或是夜間著火不便撲救的情況下，無人機搭載滅火彈實施快速機動撲救效果尤為顯著，不僅能夠最大限度提高消防人員林火撲救的安全系數(shù)，而且降低了林火撲救的綜合成本。此外，利用無人機進行夜間投彈滅火，更容易鎖定撲救目標，提高滅火精度，將林火撲滅在初發(fā)狀態(tài)。在地面撲救人員到達現(xiàn)場后，也更容易發(fā)現(xiàn)投彈滅火后的余火、暗火，提高林火撲救的有效性。

4.3 災(zāi)后余火監(jiān)測

森林火災(zāi)撲滅后，對于余火目前主要還是依靠消防人員進行現(xiàn)場留守清理，巡查監(jiān)測。但對于受災(zāi)面積大、林情復雜的火場，余火清理的難度較大。余火一般為陰燃，只有少量青煙或是無煙，具有較強隱蔽性，依靠人工巡邏清理，往往只有在余火擴大到一定范圍才能發(fā)現(xiàn)，加上火場周邊可燃物受熱輻射影響變得十分干燥，稍有不慎，就可能火情再起，快速蔓延。無人機搭載紅外熱成像儀，在林火撲滅后從空中對火場進行余火監(jiān)測，結(jié)合GPS 定位，可以直觀顯示火場的熱值分布，標示出火場的易燃區(qū)域，為地面消防人員的余火清理指明方向，從而有效提高余火清理的效率，降低余火清理難度，也能夠有效避免消防人員受余火復燃的威脅，增強火場余火清理的安全性。

4.4 火災(zāi)調(diào)查與災(zāi)情評估

在林火發(fā)生后，火災(zāi)調(diào)查與災(zāi)情評估一般是介入越早越好，尤其是對于起火點與起火原因的調(diào)查，時效性很關(guān)鍵。但森林火災(zāi)發(fā)生時，火場環(huán)境危險性很高，接近性很差，使用常規(guī)手段進入火場進行調(diào)查，對于調(diào)查人員的人身安全十分不利。利用無人機進行火災(zāi)調(diào)查，可以在災(zāi)情發(fā)生后的第一時間介入，對火場及其周邊環(huán)境進行監(jiān)測，大大縮小起火點的調(diào)查范圍，甚至能直接捕捉到涉案人員的活動場景。因此，利用無人機進行森林火災(zāi)調(diào)查，其效果是其他傳統(tǒng)常規(guī)手段所無法比擬的，時效性、安全性、靈活性優(yōu)勢明顯。

在災(zāi)情評估中，以無人機搭載新型測量技術(shù)如GPS 測量面積、傾斜攝影、圖像識別技術(shù)等，能夠有效實現(xiàn)火場面積測算、受災(zāi)林木種類及林木蓄積量測算的精細化，提高評估的準確性，同時大大減輕災(zāi)情評估的工作量，使得災(zāi)情評估的工作效率更為高效。

5 結(jié)語

無人機系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用，還有一些關(guān)鍵問題亟待解決。

（1）無人機的燃料及續(xù)航問題。采用燃料驅(qū)動的無人機，相對來說續(xù)航能力更高，但采用燃料驅(qū)動無形中相當于攜帶了一個火源，應(yīng)用的風險系數(shù)將大為提高。目前民用無人機的穩(wěn)定性不是很好，進入環(huán)境惡劣的火場，一旦摔機可能會形成新的起火點。從無人機的發(fā)展趨勢來說，電力驅(qū)動的無人機將會是發(fā)展的主流，目前的應(yīng)用也更為廣泛。但電力驅(qū)動的無人機電池續(xù)航時間短是制約其在森林防火中應(yīng)用的瓶頸問題，如何解決這一問題，提升電力驅(qū)動無人機的電池續(xù)航能力將是未來無人機領(lǐng)域重點解決的關(guān)鍵問題。采用太陽能驅(qū)動無人機或是解決這一問題的方向。

（2）無人機的飛行控制精度有待進一步提高。相較于旋翼無人機，固定翼無人機的飛行控制更具難度，需要經(jīng)過專業(yè)培訓的人員來駕馭，這也是無人機墜機率較高的一大原因。進一步改進無人機的飛行控制系統(tǒng)，提高控制精度，降低操作難度，提升其智能化水平，是無人機未來需要重點解決的問題。

（3）無人機的有效載荷是決定其應(yīng)用功能的關(guān)鍵指標。無人機本身只是一個搭載平臺，其主要應(yīng)用功能是靠搭載的各類儀器設(shè)備來實現(xiàn)的。因此，如何提高無人機的有效載荷，增強其功能的多樣性也是未來無人機發(fā)展所要解決的一大關(guān)鍵問題，對其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展十分重要。采用性能更好、質(zhì)量更輕的建造材料是解決這一問題的關(guān)鍵，這有待于材料科學的進一步發(fā)展。

此外，增強無人機的抗風性能，提高其穩(wěn)定性；在森林防火方面還要考慮到無人機的耐高溫性、耐摔性等，都是無人機在森林防火領(lǐng)域應(yīng)用所要解決的一些關(guān)鍵問題。