無人機系統在森林防火方面的應用分析

吳敏高+劉甫興+陸克宇

摘 要 森林是人類生存不可或缺的一部分，它美化了人類居住環境的同時，還為人類特供了生活和生存所需的寶貴資源。但火災對森林的危害是極其嚴重的，其發生具有隨機、不確定性，來勢兇猛，發展迅速。傳統的防火方式需要浪費大量的人力物力，且防護效果不理想。近年來，無人機的發展迅速，它具有無人駕駛、監測精準、機動靈活和可24 h不間斷進行監測等方面的優勢，彌補了傳統的森林防火方式的不足。因此，無人機系統在森林防火方面非常值得應用和推廣。基于此，闡述無人機系統在森林防火方面的應用及其發展。

關鍵詞 無人機系統；森林防火；森林維護

中圖分類號： 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.36.023

森林與人們的生活息息相關，它是人類賴以生存的重要資源之一。在森林的維護工作中，防火又是重中之重。但在我國，森林防火存在氣候地理環境復雜多變的不利因素和火源不易確定、可燃物超載、防控能力薄弱的困難。目前，在我國仍然采用派遣人員實地巡邏這種浪費人力、落后的森林防火維護方式，一旦火災來臨，就顯現出難以準確找到起火點和觀測火勢發展等方面的弊端。雖然有的地區投入了航空的監測方法，但這種方法需要有人員駕駛操作，這需要投入巨大的人力財力，且拍攝的圖像精度、分辨率難以達到森林防火的要求，而且這種方法極易受天氣氣候因素影響，對于小的林區更是大材小用，浪費人力和資源。無人機系統的應用，很大地彌補了這些方面的不足，它具有操作方便、影像實時傳輸、續航能力強、機動靈活、監測精準、和24 h不間斷進行監測等方面的優勢。無人機系統在森林防火方面非常值得應用和推廣。

1 無人機系統概況

首先，要了解無人機系統的工作原理，才能更好地開展無人機系統在森林防火方面的應用工作。

1.1 簡介

無人機就是沒有駕駛人員的飛行器，傳統的定義上把這樣的飛行器稱作靶機，無人機是其俗稱。無人機由無人靶機、無人駕駛飛機和遙控飛行器三部分組成，能夠在脫離人員的駕駛情況下，依據實際情況，自主控制或和地控人員合作的半自控模式完成任務。無人機系統包括一個或多個地面控制系統或控制站、飛行器、有效載荷及數據鏈路、有效載荷、發射及回收系統、地面處理和維護系統等。

1.2 工作原理

無人機在監測森林火災的系統可以歸納為三大部分，即機載飛行系統、機載控制系統、地面處理系統，這三個系統有機結合、相互配合，協調地完成無人機系統在森林防火方面的工作[1]。

1.2.1 機載飛行系統

機載飛行平臺包括機體、控制器、傳感器、執行器、CCD和無限通信等單元部件。在森林防火中，其主要任務是確保整個無人機森林火災監測系統的正常運行，是無人機森林防火系統的基礎。而地面監測控制平臺負責記錄無人機飛行軌跡、飛行位置和姿態的信息，存儲和輸出無人機拍攝傳回地面的圖像數據，上傳由地面控制平臺發出的指令，變更無人機的飛行軌跡或方向。它的主要單元部件有：監測計算機、遙控器和無線通訊系統等[2]。

1.2.2 機載控制系統

機載飛行平臺的設計受機載控制系統的影響，就森林防火系統中的無人機來說，其機身的載重量很輕，它不但要承載機載控制系統，還要承載無線通訊設備和監測儀器等，這就要求相關的硬件要具備體積小、重量輕、能耗低等特點。此外，設計還應考慮抗干擾能力、系統升級等問題。應用于森林防火系統的無人機的機載控制系統，除了要有傳感器、執行器、控制器外，還要有具有CCD攝像頭以及配件的圖像模塊來向地面發回圖像或相關的數據。

1.2.3 地面處理系統

地面處理系統的主要組成部分為數傳、圖傳電臺，遙控發射器、數據處理器和計算機。數傳、圖傳電臺的作用是接收機載電臺發出的圖像數據；遙控發射器負責對機載飛行系統發射控制指令；計算機則是用來顯示接收到的圖像信息和飛行參數數據等方面。

2 無人機系統在森林防火的應用

得益于圖像傳輸數字化、GPS技術、遙感技術和視頻實時傳輸技術等的快速發展，無人機系統在森林防火方面的應用得以實現，且無人機系統以其絕對的優勢，彌補了傳統的森林防火方式的不足[3]。它能夠廣泛應用于森林火災發生前的火災監測、預報，火災發生時的預測、撲救和火災后的評估等方面的工作中，有效提高了森林防火信息獲取的速度和精確度，大大縮短森林火災撲救的過程，節約人力資源的投入。

2.1 無人機對森林防火區域監測巡視

無人機系統在森林防火方面的設備非常先進，它包括了攝像機、前視紅外線儀器、高分辨率相機和圖像傳輸的等，它能方便快捷、高效地實施和完成森林防火區域的空中監測巡視工作；并且完成高清圖像拍攝、存儲和圖像視頻實時傳輸，使森林防火人員對火災迅速作出反應，采取相應措施。此外，前置紅外儀器能執行夜間巡視任務。無人機運用的手拋發射、傘降回收方法，決定了它能在許多復雜的場地環境輕松投入使用。

2.2 無人機可以火災上空作業

森林火災發生時，若使用載人飛機，觀測人員不但不能清楚觀察掌握火勢蔓延情況，還對飛行帶來極大的危險。無人機則沒有這方面的顧慮，它利用其搭載的攝像和影像傳輸設備探測和偵查森林火災，并利用微波信號實時傳送到地面工作者，使他們能夠及時掌握火勢發展的動向來監測撲救森林火災。最大限度減少森林火災造成的損失。

2.3 無人機能夠24 h不間斷監測火情

在火災上空，無人機可以24 h不間斷地對火勢情況進行監測，對火情預警迅速，報告精準的起火點，有利于森林火災初始階段的撲救工作[4]。無人機在巡查時，會根據預設好的飛行軌跡飛行，通過影像傳輸技術實時把在空中作業所獲得的影像資料傳送給地面的監測站點，再使用網絡經由站點把資料傳給防火辦公室的值班人。根據影像資料，工作人員就可以發現火災發生的疑似區域，然后用遙控設備由地面向空中發出指令來改變無人機飛行軌跡或方向，執行進一步的探測任務，再利用無人機的無線鏈路將最新的探測結果傳輸回地面。

2.4 無人機輔助科學撲救指揮

無人機能監測火場上空的火情動態，撲救指揮部門利用無人機反饋回來的資料信息，迅速高效組織和部署撲救工作，及時通知消防人員，合理有效地制定人員撤離火場的路線，最大限度保障撲救人員的安全，使撲救指揮工作及時、有序、合理、科學地進行。

3 無人機系統在森林防火中發展

當今社會是一個信息高速發展的新時代，世界各國都對無人機研究、發展和應用也越來越重視。我國在重視無人機在軍事領域發展的同時，還堅持無人機軍民結合的發展道路，帶動民用無人機的發展，尤其是在森林防火方面，無人機以其獨具的優勢得到一定程度的推動和發展。但我國無人機系統在森林防火方面，還處在初始階段，沒有形成規模，其中還存在著無人機升級技術不夠完善、抗風能力差、監測圖像精度有待提高等方面的技術問題。但相信隨著相關科研的投入不斷加大，研究的不斷深入，無人機不但在森林防火方面的應用會更加廣泛，技術更加成熟；還會在我國資源保護、農業發展、科技發明等領域得到很好的開發應用，發展前景相當樂觀。

參考文獻

[1]趙瑩，王小平.無人機遙感在抗震救災中的應用[J].西部探礦工程，2014，（12）：113-115.

[2]王根鐸，韓婷娜，郭國明，等.無人機航空遙感系統在災害應急救援中的應用探討[J].科技傳播，2014（14）：197-198.

[3]鄒明普，鄒磊.無人機飛行管控系統的設計與實現[J].北京測繪，2015（1）：75-79.

[4]孫戈東.淺談無人機系統[J].計算機光盤軟件與應用，2014（22）：42，44.

（責任編輯：趙中正）