無人直升機(jī)在森林防火中運用分析

閆向民

摘 要： 為解決傳統(tǒng)森林防火工作中存在的全天候監(jiān)測能力不足、災(zāi)情響應(yīng)預(yù)測滯后問題，規(guī)避由防火不當(dāng)引發(fā)的火災(zāi)蔓延、損失加重問題，保障森林火災(zāi)管控效能的提升，對無人直升機(jī)技術(shù)進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究。先簡要分析無人直升機(jī)在森林防火中的運用方向，然后歸納無人直升機(jī)森林防火運用策略，提出科學(xué)確定飛行高度、優(yōu)化調(diào)整航行參數(shù)、提高飛行適應(yīng)能力、提前開展飛行測試等建議，希望能為森林防火工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 無人直升機(jī) 森林防火 巡護(hù)飛行 火情監(jiān)測

中圖分類號： S762.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）04-0057-03

Analysis of the Application of Unmanned Helicopters in Forest Fire Prevention

YAN Xiangmin

Shibalibao Nature Reserve Station， Qilian Mountain Management and Protection Center of National Nature Reserve in Gansu Province， Wuwei， Gansu Province， 733109 China

Abstract： In order to solve the problems of the insufficient all-weather monitoring capability and lagging disaster response prediction in traditional forest fire prevention work， avoid the problems of fire spread and loss aggravation caused by improper fire prevention， and ensure the improvement of forest fire control efficiency， the article introduces unmanned helicopter technology and conducts in-depth and systematic research on it. This paper first briefly analyzes the application direction of unmanned helicopters in forest fire prevention， then summarizes available strategies for applying unmanned helicopters in forest fire prevention， and proposes suggestions such as scientifically determining flight altitude， optimizing and adjusting navigation parameters， improving flight adaptability and conducting flight tests in advance， hoping to provide reference for forest fire prevention work.

Key Words： Unmanned helicopter； Forest fire prevention； Patrol flight； Fire monitoring

森林是以喬木為主體，其他植物、動物、微生物相互制約、相互依存形成的自然生態(tài)系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)氣候、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源等多種功能，是各國自然資源保護(hù)的重點對象。近年來我國經(jīng)濟(jì)增速放緩，產(chǎn)業(yè)格局升級迭代趨勢明朗，雙碳政策、環(huán)保政策穩(wěn)步推廣和實施，各地對于森林資源的保護(hù)力度明顯增強(qiáng)。如何提高森林經(jīng)營防護(hù)效能，如何降低森林火災(zāi)風(fēng)險和隱患，成為了諸多建設(shè)者、管理者關(guān)注的焦點問題，有必要通過技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備更新提質(zhì)增效。

1 無人直升機(jī)在森林防火中的運用方向

1.1 應(yīng)用于巡護(hù)飛行

森林巡護(hù)是提高森林防火響應(yīng)、優(yōu)化森林防火效能的重要手段，傳統(tǒng)模式中多依賴人工完成巡護(hù)操作，巡護(hù)效果較好但人員工作負(fù)擔(dān)較重，容易出現(xiàn)巡護(hù)遺漏問題。而無人直升機(jī)可以搭載各類遙感設(shè)備和成像裝置，巡護(hù)效率更高、準(zhǔn)確度更高。常見的巡護(hù)搭載設(shè)備包含以下幾項：（1）可見光相機(jī)。主要用于獲取地面影像情況，要求分辨率不低于1 920×1 080，幀率≥30 fps，采集到的數(shù)據(jù)可以實時傳送回監(jiān)控中心，同時顯示曝光時刻的經(jīng)緯度、高度、時刻等，方便森林管理人員及時發(fā)現(xiàn)地表火災(zāi)隱患。（2）紅外熱成像相機(jī)。是監(jiān)控火災(zāi)火情的主要設(shè)備裝置，要求分辨率不小于640×480，探測距離大于500 m，且25 ℃環(huán)境下火情熱靈敏度小于50 mk，通?？梢詽M足-20～120℃范圍內(nèi)的火災(zāi)溫度預(yù)警。（3）多光譜成像相機(jī)。由于不同地物對電磁波的反射能力不同，因此在多光譜成像相機(jī)視角內(nèi)，呈現(xiàn)出的色帶也會有所差異，憑借無人直升機(jī)搭載多光譜成像拍攝，能夠較好地發(fā)現(xiàn)異常問題，為森林火災(zāi)監(jiān)控預(yù)測提供依據(jù)。

1.2 應(yīng)用于火情監(jiān)測

1.3 應(yīng)用于應(yīng)急通訊

森林火災(zāi)起火迅猛、蔓延極快，再加上所處地區(qū)較為偏遠(yuǎn)，經(jīng)常會發(fā)生通訊補償?shù)那闆r，可能會阻礙火災(zāi)指揮、火災(zāi)調(diào)度信息的傳送，造成戰(zhàn)機(jī)貽誤等問題，此時還可以借助無人直升機(jī)實現(xiàn)火場的加強(qiáng)通訊，在無人直升機(jī)機(jī)上裝載短波、超短波等通信中繼設(shè)備，與指揮中心遠(yuǎn)程建立連接，通過懸停、盤旋等方式保持信號暢通，保證現(xiàn)場救援和后方指揮之間的實時通訊。可搭載的通訊系統(tǒng)類型是十分多樣的，如IVSAT通信衛(wèi)星系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)備簡單、體積輕便、組網(wǎng)靈活。系統(tǒng)內(nèi)主要包含HUB主站、遠(yuǎn)端小站IVSAT以及通信衛(wèi)星，其中主站是整個系統(tǒng)的樞紐核心，裝配有3.5～ 8 mKu波段天線，或者7～13 mC波段天線，能夠在HPA高功率放大器、LNA低噪聲放大器等的支持下，完成與主計算機(jī)的連接。無人直升機(jī)上裝配的主要是遠(yuǎn)端小站IVSAT，實際運行過程中遠(yuǎn)端小站可以通過天線向衛(wèi)星、主站傳送數(shù)據(jù)，通信效率極高。再如無線移動多媒體JoMobile機(jī)載圖傳系統(tǒng)，機(jī)載設(shè)備為遠(yuǎn)端站，可以與消防指揮車載設(shè)備即中心站建立聯(lián)系，采用320、340 MHz超短波頻段，空中傳輸距離最大可到70 km。

1.4 應(yīng)用于災(zāi)情評估

森林火災(zāi)的破壞性較大，災(zāi)情實時變化較為迅速，需要進(jìn)行動態(tài)化的數(shù)據(jù)監(jiān)控和趨勢預(yù)測，傳統(tǒng)模式下由于缺乏必要的數(shù)據(jù)支持，很難保證預(yù)測效果，但無人直升機(jī)機(jī)動性強(qiáng)、支持全天候作業(yè)，完全可以為災(zāi)情預(yù)測評估提供支持。應(yīng)用環(huán)節(jié)要先搭建FARSITE模型，將現(xiàn)場可燃物因子、地形因子、氣象因子等輸入到模型當(dāng)中去，與無人機(jī)遙感影像配合完成評估。其中氣象數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)包含每日時10 m平均風(fēng)向、10 m平均風(fēng)速[2]，以及每日最高最低溫濕度、降水量等；地形數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)包含林區(qū)坡度、坡向、緯度、海拔等，可以直接從林區(qū)GIS系統(tǒng)中下載DEM數(shù)據(jù)產(chǎn)品，做好圖層的鑲嵌和剪裁；可燃物因子則與林冠覆蓋度息息相關(guān)，覆蓋度較高說明林區(qū)植被茂密、濕度偏大，覆蓋度較低說明植被稀疏、易燃性較高。模型搭建完畢后與無人直升機(jī)采集的遙感圖像整合，即可獲得不同階段的火災(zāi)蔓延趨勢分析結(jié)果。此外，火災(zāi)過后往往需要進(jìn)行專門性的資源清查和災(zāi)情評估，實踐中也可以借助無人直升機(jī)進(jìn)行清查評估，在非接觸前提下進(jìn)行林間影像采集，統(tǒng)計林地、草地、湖泊沼澤各自的過火面積，統(tǒng)計不同過火區(qū)域的植被分布情況。

2 無人直升機(jī)在森林防火中的運用策略

為直觀說明無人直升機(jī)在森林防火中的運用策略，文章引入某混交森林防火巡護(hù)實操案例輔助闡述。案例森林廣布丘陵山地，海拔825.4～1 736.2 m，占地13 326 hm2，林內(nèi)栽植有常綠闊葉樹種、針闊葉樹種等，植被覆蓋率達(dá)到86%以上。下面對案例林區(qū)的無人直升機(jī)森林防火巡航操作要點進(jìn)行梳理歸納。

2.1 提高飛行適應(yīng)能力

當(dāng)前可用的無人直升機(jī)類型規(guī)格較為多樣，要結(jié)合森林防火巡護(hù)的實際需求進(jìn)行比較和選擇，切實提高無人直升機(jī)的飛行適應(yīng)能力。用于防火巡護(hù)的無人直升機(jī)通常的巡護(hù)載荷不能小于1 500 g，以便搭載可見光相機(jī)、紅外成像儀等，抗風(fēng)能力應(yīng)當(dāng)大于6級，要能夠保證飛行姿勢、飛行高度、飛行速度的穩(wěn)定靈敏控制。對于海拔高度在1 500 m以上，工作環(huán)境溫度在-20～40℃范圍內(nèi)的林區(qū)，無人直升機(jī)的單架次續(xù)航時間應(yīng)當(dāng)滿足要求，多旋翼一般需要大于40 min[3-4]。為提高無人直升機(jī)森林防火巡護(hù)的機(jī)動性和靈活性，直升機(jī)設(shè)備應(yīng)當(dāng)滿足自主設(shè)置巡護(hù)航線的功能，要按照系統(tǒng)既定的航跡完成巡回監(jiān)控任務(wù)和圖像采集任務(wù)，圖像質(zhì)量和數(shù)量均要符合設(shè)計要求，對于地面監(jiān)控站發(fā)出的實時遙控指令，無人直升機(jī)也必須響應(yīng)及時，能夠自主完成數(shù)據(jù)的接收和存儲。

2.2 科學(xué)規(guī)劃任務(wù)航線

無人直升機(jī)正式應(yīng)用環(huán)節(jié)，需要著重做好航線的規(guī)劃，要提前根據(jù)巡護(hù)任務(wù)確定目標(biāo)區(qū)域，在遙感影像圖、地形圖上做好標(biāo)記，通過疊加操作明確巡護(hù)區(qū)域分界線坐標(biāo)位置、海拔高程點等，完成無人直升機(jī)巡護(hù)底圖的繪制。然后根據(jù)森林火險的常發(fā)形式，確定航線的具體類型，常見的包括點狀、蛇形、環(huán)形、條帶狀等，注意多臺無人直升機(jī)同時航行作業(yè)時，航向重疊度不要少于53%，旁向重疊度不要少于15%，以此確保巡護(hù)全覆蓋[4]，避免出現(xiàn)巡護(hù)死角。注意起降點要優(yōu)先選擇平坦區(qū)域，大風(fēng)、暴雪、暴雨等惡劣天氣下嚴(yán)禁使用無人直升機(jī)巡航。規(guī)劃確定的任務(wù)航線應(yīng)當(dāng)全面覆蓋林內(nèi)可燃物，最好采用多元數(shù)據(jù)采集裝置，如可見光相機(jī)、熱成像相機(jī)、多光譜成像相機(jī)等。發(fā)現(xiàn)疑似火點、煙點后，無人直升機(jī)要及時傳回相關(guān)的位置信息、影像信息、時間信息等，輔助工作人員判別評估。

2.3 優(yōu)化調(diào)整航行參數(shù)

航行參數(shù)對火情監(jiān)測的效果影響較大，因此使用無人直升機(jī)進(jìn)行森林防火巡護(hù)時，還應(yīng)當(dāng)優(yōu)化調(diào)整航行參數(shù)，確保航行任務(wù)的高質(zhì)量達(dá)成。要特別關(guān)注飛行速度問題，對于多旋翼直升機(jī)來說，飛行速度一般不宜大于5 m/s。飛行高度同樣會影響無人直升機(jī)作業(yè)效能，若林區(qū)地形較為平坦，直升機(jī)可以適當(dāng)?shù)惋w以采集清晰影像，若地形起伏較大，則要及時變高飛行，安全高度通常為距地面100 m，也要防止飛行過低造成的影像錄入不全的問題。操作無人直升機(jī)的駕駛員應(yīng)當(dāng)通過專門的資格認(rèn)證，且熟悉林區(qū)范圍內(nèi)的地形地勢情況、林業(yè)資源分布情況，每日連續(xù)操作巡護(hù)時間不能超過6 h。森林過火后地物色彩以灰黑色為主，組織巡護(hù)要盡量選在早9點至下午3點時間段內(nèi)，此時的光照強(qiáng)度較大，采集到的影像質(zhì)量相對更高。

2.4 提前開展飛行測試

森林火災(zāi)危害大且蔓延迅速，實際操作過程中還應(yīng)做好前期飛行測試工作，本次共設(shè)置了3項測試內(nèi)容，其中“地面測試”的主要目的是評估無人直升機(jī)操控性能，確保其外觀完好、零構(gòu)件運行正常，不會出現(xiàn)異常振動、異常噪聲問題?！巴ㄐ拍芰y試”的主要目的是評估無人直升機(jī)的通信能力，看其是否能夠適應(yīng)林區(qū)地形、風(fēng)場，能否克服林區(qū)遮擋物帶來的干擾問題，能否在保持穩(wěn)定飛行的同時完成數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸。在前述測試完成的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)行專門的“任務(wù)演示飛行測試”。對于護(hù)林巡護(hù)飛行任務(wù)來說，作業(yè)半徑通常在200～300 km范圍內(nèi)，因此可以在100 km范圍內(nèi)進(jìn)行任務(wù)演練飛行[5]，集成測試無人直升機(jī)的飛行表現(xiàn)，并找出其中的異常問題進(jìn)行糾正和調(diào)整，為后期的森林火災(zāi)巡護(hù)提供支持。

3 結(jié)語

綜上所述，無人直升機(jī)具有操作簡便、機(jī)動靈活的顯著優(yōu)勢，應(yīng)用于森林防火工作中，能夠有效提高火情監(jiān)控效能，為火災(zāi)防控和搶險救援提供依據(jù)，實踐中務(wù)必要給予充分重視。要積極探索遙感監(jiān)控技術(shù)、GIS技術(shù)、GPS技術(shù)等融合應(yīng)用的可能性，切實提高無人直升機(jī)定位巡護(hù)能力，使其更好地服務(wù)于火情監(jiān)測、應(yīng)急通訊和災(zāi)情評估。同時在飛行監(jiān)測中科學(xué)規(guī)劃任務(wù)航線、科學(xué)確定航行速度等參數(shù)，做好試飛調(diào)整工作，為森林防火效能的優(yōu)化奠定堅實基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]李喜慶.基于無人機(jī)遙感的森林參數(shù)信息提取研究進(jìn)展[J].林業(yè)科技情報，2023，55（2）：177-180.

[2]盛霞.無人機(jī)遙感技術(shù)在森林樹種調(diào)查中的應(yīng)用研究[J].林業(yè)科技情報，2023，55（2）：181-184.

[3]邢建武.無人直升機(jī)在南方林區(qū)森林防火中的應(yīng)用研究[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2022，47（4）：96-101.

[4]李攀，劉維，寧銳，等.浮空通信中繼平臺在森林消防隊伍指揮通信中的應(yīng)用研究[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2021，16（1）：68-71.

[5]梅蓉.森林環(huán)境下的無人直升機(jī)安全飛行控制[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2020，54（9）：994-999.