林火防控中多旋翼無人機的應用分析

楊 蘭 孟凡燁

(國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

根據(jù)全國綠化委員會辦公室發(fā)布的《2019年中國國土綠化狀況公報》顯示，2019年我國共完成造林706.7萬公頃、森林撫育773.3萬公頃，種草改良草原314.7萬公頃。截至目前，全國森林覆蓋率達22.96%，森林面積達2.2億公頃。但樹木的生長發(fā)育周期短則兩至三年，長則可達數(shù)十年，在森林大火襲擊后短時間以內難以復原。如果森林火災在一定區(qū)域內多次發(fā)生，森林中的動物、植物資源將受到毀滅性的打擊，森林的荒蕪化成為必然趨勢，森林中的生態(tài)平衡將遭到巨大破壞。為此，森林火災的防控是森林保護工作的重要組成部分之一。

2019年，全國共發(fā)生森林火災2345起，其中重大火災8起、特大火災1起，受害森林面積達135.05km2，損失慘重。隨著全球氣候暖干化的發(fā)展,中國氣候出現(xiàn)持續(xù)高溫、干旱的頻率增加,林火數(shù)量和過火面積有逐年上升的趨勢[1]。2019年，受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，全球森林火災多發(fā)高發(fā)。我國部分地區(qū)也遭遇了50年不遇的極度干旱，高溫大風干雷暴等極端天氣明顯增多，森林火災形勢十分嚴峻。因此，森林防火形勢十分嚴峻，如何提高森林火災防控水平成為我國林業(yè)建設工作亟待解決的問題[2]。

1 國內外林火防控技術現(xiàn)狀

1.1 護林員巡檢與觀測塔

依靠人工與觀測塔是國內外比較常見的森林火災防控手段。在一些國家和地區(qū)，仍需要依靠護林員與觀測塔等手段對森林火災進行防控。護林員可借助摩托車、越野車等工具進入森林進行巡檢。但是，護林員在巡檢過程中受到林木嚴重阻礙和遮擋，影響視線，只能看到一定區(qū)域內的情況，并且護林員巡視花費時間較多，工作量大，但是效率低下，難以實現(xiàn)信息實時傳輸，森林中作業(yè)難度較大，護林員也很難到達一些危險的區(qū)域。如果遇到突然發(fā)生的森林大火還可能造成護林員的傷亡。而觀測塔只能觀測一定的范圍，存在觀測死角，且對后期的維護要求較高。觀測塔如圖1所示。

圖1 觀測塔

1.2 衛(wèi)星遙感

森林火災中利用衛(wèi)星遙感防控技術主要是通過衛(wèi)星圖中發(fā)生火情的位置與周圍的區(qū)別來識別火災。國外衛(wèi)星遙感技術在森林火災防控方面起步較早，美國NASA可識別全球范圍的森林火災或識別指定區(qū)域內的森林火災，還可監(jiān)控森林火災面積以及溫室氣體排放量。近年來，通過極軌衛(wèi)星遙感技術獲取數(shù)據(jù)是我國目前針對森林火災防控的衛(wèi)主要手段，雖然衛(wèi)星用于森林火災防控監(jiān)控范圍廣、對于突發(fā)的森林火災識別率高，但由于空間分辨率較低、受天氣及云層的影響較大、無法全天候防控、防控實時性差等缺陷制約了衛(wèi)星遙感技術在森林火災防控方面的發(fā)展[3]。

1.3 飛機防控

應用飛機進行森林火災防控是較為有效的森林火災防控手段，可分為兩種方式，一種是傳統(tǒng)的飛行員駕駛飛機巡檢防控，另一種是無人飛機巡檢防控。傳統(tǒng)飛機巡檢主要依靠人工觀測森林火災情況，優(yōu)點是火災發(fā)生時可裝載滅火材料直接噴灑滅火。我國現(xiàn)在多采用直升機用于森林火災防控，機型主要為M-26、K32等。但是，森林火災防控面積較大，人工駕駛的成本難以控制，發(fā)生意外時，飛行員的人身安全將受到威脅。在我國森林火災防控的現(xiàn)實情況下，相比人工駕駛，無人機更具優(yōu)勢，其已受到社會各界的廣泛關注。部分省市地區(qū)充分發(fā)揮小型無人飛機機動靈活、操作簡單等特點，將無人機作為森林火災防控的主要發(fā)展目標，己經(jīng)取得了良好的防控成效，并將無人機與計算機視覺識別技術結合，使森林火災防控得到了迅速發(fā)展，判別火災的準確率也得到大幅的提高。K32型直升機如圖2所示。

圖2 K32型直升機

2 森林火災中應用無人機存在的優(yōu)勢

2.1 火情偵察

森林火災多發(fā)生在地貌復雜的森林山區(qū)，山區(qū)較為復雜的地貌使得通訊信號難以發(fā)出，如果在森林火災情況難以查明的條件下貿然派遣人員進入火場，會增加防控工作人員的危險性。因此，可以通過多旋翼無人機搭載攝像設備在高空進行實時森林火災情況偵察，并將拍攝圖像結合計算機視頻識別技術，分析森林火災現(xiàn)場情況，制訂救援方案，再由防控工作人員進入現(xiàn)場，將出現(xiàn)人員傷亡的幾率降至最低[4]。

2.2 余火監(jiān)控

在森林火災中，當明火被撲滅之后，防控人員還需要對清理余火，防止復燃造成不必要的損失。當發(fā)生森林火災的面積比較大的時候，由于林區(qū)的復雜地貌，堆積的可燃物較多，采用人工排查的方式進行余火監(jiān)控耗時耗力。通常情況下余火只有少量青煙甚至無煙，難以通過肉眼進行辨別，而當余火逐漸燃燒，漸漸變成明火的時候，可能已經(jīng)重新形成二次森林火災[5]。多旋翼無人機可以通過紅外傳感器等設備識別余火，溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過處理與森林火災發(fā)生位置地形圖疊加，標出可能存在余火的位置，使得余火清理變得高效、便捷。

2.3 災后調查

發(fā)生森林火災后，需要對森林火災的發(fā)生區(qū)域進行評估。由于地貌條件一般比較復雜，人工評估結果普遍精確度較低。利用多旋翼無人機則可以在空中進行拍攝,輔以GPS定位系統(tǒng)和計算機視頻識別技術,可對森林火災發(fā)生區(qū)域的輪廓、面積、森林受損情況進行計算,為災后評估提供技術支持，并且還能夠分析森林火災原因，加快森林火災調查進度。

3 森林火災中多旋翼無人機的主要應用分析

3.1 關于森林火災情況的調查

森林火災損失大，但由于著火點隱蔽性高，夜間林火難以發(fā)現(xiàn)，因此早發(fā)現(xiàn)、早撲滅在森林火災防控工作中就具有重要意義。多旋翼無人機的“快、全、細”特點，發(fā)揮出了其智能化和信息化的優(yōu)勢。在裝配前視紅外儀、高分辨率相機、攝像機等設備的同時還配有圖像傳輸裝置，可在森林區(qū)域執(zhí)行長時間防控任務。發(fā)生森林火災時，多旋翼無人機可進入森林火災現(xiàn)場作業(yè)，利用裝配的設備和影像傳輸裝置完成偵查和火災探測，將森林火災信息發(fā)送給防控工作人員，指明森林火災發(fā)生的位置信息以及火災情況，有助于森林火災防控并及時撲滅林火，提高滅火效率，降低森林資源損失與人員傷亡，減少經(jīng)濟損失，維護生態(tài)系統(tǒng)平衡[6]。

3.2 森林火災預防

多旋翼無人機除了用于森林火災發(fā)生時的防控工作，還可用于監(jiān)測森林中的可燃物堆積情況和氣象資料，監(jiān)測林區(qū)的可疑火源等。這些信息將大大提高森林火災險預測預報模型的準確性。

3.3 森林火災動態(tài)監(jiān)測

以多旋翼無人機為平臺，結合可裝配的各種模塊，實現(xiàn)對森林火災的動態(tài)監(jiān)測。根據(jù)實際情況，多旋翼無人機上可裝配有攝像機、實時傳輸系統(tǒng)和GPS等裝置，將實時拍攝的森林火災圖像經(jīng)實時傳輸系統(tǒng)傳送給計算機處理系統(tǒng)，并將拍攝時的位置信息和多旋翼無人機的角度等信息一同傳輸。接收到多旋翼無人機傳輸信息的地面工作站則對圖像及位置信息進行分析，找到森林火災的位置并能夠了解初步情況。在實時傳輸系統(tǒng)保持通訊良好的狀態(tài)下，多旋翼無人機與地面工作站可以進行實時通訊，當?shù)孛婀ぷ髡痉揽厝藛T可向多旋翼無人機發(fā)出不同方案的飛行命令時，則可以動態(tài)監(jiān)測森林火災發(fā)展情況。

4 森林火災中應用多旋翼無人機的局限性

雖然多旋翼無人機在森林火災防控工作中展現(xiàn)出了廣闊的前景，國內外研究者們也做了大量研究，多旋翼無人機在森林火災防控方面的實用性得到了極大的提高，但平穩(wěn)性、抗震性、載荷能力、續(xù)航時間、多傳感器融合技術、獲取的圖像質量等方面的問題仍然制約了多旋翼無人機的發(fā)展。風力對多旋翼無人機在飛行作業(yè)時影響較大，大風天氣時多旋翼無人機穩(wěn)定性較差。在進行森林火災現(xiàn)場監(jiān)控時，由于氣流紊亂等原因，多旋翼無人機的有效性及飛行安全性均是目前亟需解決的問題。

5 多旋翼無人機林火防控未來的發(fā)展趨勢

未來的多旋翼無人機林火防控中，應結合多旋翼無人機技術的發(fā)展，在森林火災動態(tài)監(jiān)測、多旋翼無人機與地面人員配合以及多旋翼無人機與載人直升機協(xié)同作戰(zhàn)等方面不斷積累經(jīng)驗，發(fā)揮無人機在森林火災防控的巨大優(yōu)勢。

多旋翼無人機的續(xù)航能力需要大幅提高，尤其是在森林區(qū)域的復雜地貌條件下，保證多旋翼無人機的續(xù)航能力，使得多旋翼無人機能夠在指定區(qū)域執(zhí)行林火防控任務。

為無人機裝配滅火器具，并加裝滅火彈投送功能，與地面人員配合。森林火災發(fā)生時，人員行進困難，再攜帶滅火器具，嚴重影響了滅火進度。而采用多旋翼無人機進行投送，可以減少地面人員的體力消耗，而對于無人的森林火災則可以直接投放滅火彈。