無人駕駛飛行器森林防火研究

李正英，段利英，胡 橙

（湖北三峽職業(yè)技術(shù)學院，湖北 宜昌443000）

1 森林防火產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

目前，護林守林的操作手段仍主要采用比較傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式。一是一線民警和護林員攜帶干糧徒步走入林區(qū)巡查，二是利用安裝在重點林場制高點的固定監(jiān)控攝像頭，對安裝攝像頭的周邊區(qū)域進行監(jiān)測。對于宜昌地處丘陵山區(qū)，交通不便，無法像平原地區(qū)一樣采用車輛進入林區(qū)巡邏。一線守林隊員對所管轄的林區(qū)進行巡視的時候往往一進山就是幾周甚至幾個月的時間，餓了吃口干糧，渴了喝口泉水，經(jīng)常在深山老林露營過夜，非常辛苦。林區(qū)范圍大，平均每位護林員需要負責0.3萬-0.4萬畝（1畝=667m2，下同）的林區(qū)，由于無法采用機械化作業(yè)方式，光靠守林人員徒步，效率非常低，往往一年都無法走完所管轄的地區(qū)，實時的全面監(jiān)測依靠護林人員自然不可能實現(xiàn)。另一方面，雖然森林防火也采用了現(xiàn)代化的攝像機監(jiān)控方式，由于受到地形的限制，供電和視頻信號傳輸布線非常困難，用于森林防火的攝像機的數(shù)量和覆蓋區(qū)域也非常有限。而且一些地區(qū)山高路險，根本無路可走，也無法架設(shè)攝像機，這些區(qū)域自然成了森林防火監(jiān)測的盲區(qū)。除此以外，由于幾個大型水電樞紐工程都坐落在宜昌，宜昌周邊的高壓輸電線路密度很高，遭遇雷擊和樹木自然生長碰觸高壓線造成火險的幾率相對于其它地區(qū)來說要高許多。同時，林區(qū)伐木、上山采藥等作業(yè)所帶進林區(qū)的火種也給宜昌的森林防火帶來巨大的壓力。所以，目前宜昌森林防火的形勢極其嚴峻。

2 國外目前森林防火產(chǎn)業(yè)的作業(yè)方式

國外目前森林防火的作業(yè)方式，主要是依靠遙感衛(wèi)星和無人駕駛飛機聯(lián)合作業(yè)的方式來進行。例如，德國投入使用的Fire-WatchSystem森林火災自動預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種應用數(shù)碼攝像技術(shù)的森林火災自動預警系統(tǒng)，它能夠及時識別與定位森林火災，是當前全歐洲最新的技術(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)過了多年的實地試驗。2002年在勃蘭登堡州、梅克倫堡-切波莫瑞州與薩克森州安裝了24套這種攝像系統(tǒng)以及7套第二代Fire-Watch裝置，此后該林區(qū)共發(fā)生了近120次森林火災，沒有一次漏報。Fire-WatchSystem正常監(jiān)測半徑10公里，最遠可達40km。但安裝該系統(tǒng)每套需7.5萬歐元。此外，美國利用“大地”衛(wèi)星進行森林防火監(jiān)測。該衛(wèi)星在離地面大約705公里的軌道上繞地球運轉(zhuǎn)，探測地面上的高溫地區(qū)、濃煙地帶以及火災遺址。同時配合對重點地區(qū)使用無人駕駛林火預警飛機進行24小時監(jiān)測，雖獲得了成功，但耗費了巨額資金。加拿大采用從衛(wèi)星上發(fā)射電磁射線檢測林區(qū)溫度，當檢測出林區(qū)局部溫度上升到150～200℃，紅外線波長達3.7微米時，便是火災前兆，立即測定具體溫度，采取措施及時防火。同時，使用多架配備先進的直升飛機輪流監(jiān)測森林火災，飛行費每小時需5000～6000歐元。2006年10月，美國航空航天局（NASA）和美國林業(yè)局在加州使用“牽牛星（Altair）”無人機在森林大火上空進行了兩次飛行。使用NASA艾姆斯研究中心提供的紅外掃描器查明了主要火災點，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站，大約每隔30分鐘就向地面中繼傳輸火災圖像，幾乎實時為消防人員提供了態(tài)勢感知能力。類似地，國外在對電力輸電線路的監(jiān)測和航道監(jiān)測也同樣廣泛采用了類似的方法，采用衛(wèi)星對宏觀情況進行遙感，然后根據(jù)衛(wèi)星遙感的結(jié)果，有針對性地在能夠安裝地面攝像機的重點地點定點監(jiān)測，并利用無人駕駛飛機在無法安裝攝像機進行機動監(jiān)測和巡視。但對比發(fā)現(xiàn)，國外的技術(shù)有的雖然可靠，但需要借助高空衛(wèi)星，且施工太復雜；有的技術(shù)方案基礎(chǔ)實施投資太大，多達幾十萬甚至上百萬美元，投入成本過高，這些難以滿足宜昌森林資源監(jiān)測、航道監(jiān)控以及電力輸電線路監(jiān)視的實際需要。

3 產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度分析以及對我市經(jīng)濟社會發(fā)展的促進作用

作為湖北省副中心城市和長江三峽工程的所在地，宜昌林業(yè)生態(tài)環(huán)境保護直接影響到宜昌人民的生產(chǎn)生活和宜昌地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，也事關(guān)舉世矚目三峽水利樞紐工程運行的安全。作為丘陵地區(qū)的宜昌，交通的極為不便利給依賴地面和水上交通的產(chǎn)業(yè)帶來巨大的阻礙。如果不能改變低效率作業(yè)模式，提高工作效率，降低運營成本，必然不能跟上行業(yè)呈指數(shù)增長的發(fā)展步伐，并且對宜昌的經(jīng)濟社會發(fā)展帶來不可估量的負面效應。因此，如果能夠開發(fā)引入更加高效地作業(yè)模式，比如引入低成本的空中作業(yè)模式來取代上述基本采用純?nèi)斯さ膫鹘y(tǒng)模式，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作效率必然能夠極大地提高，同時運營成本有可能會大幅度降低，為宜昌社會發(fā)展做出巨大的貢獻。

4 結(jié) 語

宜昌市目前林業(yè)用地面積2029.5萬畝，按照7000名護林員參與護林守林計算，每年工資支出達14000萬（按照每人每月2000元計算）。其中還不包含這個守林人員的其它工作經(jīng)費支出。就是這樣的情況下，結(jié)合固定監(jiān)控攝像頭所覆蓋的35%，監(jiān)測覆蓋率也不可能達到100%，且效率極其低下，大多數(shù)時候守林人員一年都無法完成對整個管轄區(qū)域的巡查。另外，由于山高路險，很多地區(qū)人工不可能到達，也無法安裝監(jiān)控攝像頭，形成了守林護林的盲區(qū)。如果采用無人駕駛飛行器來替代人工守林方式，則可以晝夜不間斷對整個林區(qū)進行無縫式的空中巡邏。如果采用多臺飛行器分區(qū)分片聯(lián)合作業(yè)，則可以大幅度提高巡邏效率。根據(jù)派出執(zhí)行任務(wù)的飛行器數(shù)量和航線計劃保守估算，本監(jiān)測系統(tǒng)可以在不超過三天的時間里對整個宜昌林區(qū)進行一次完全沒有盲區(qū)毯式地巡視，而飛行器每天的人工、耗材、器材這就等維護運營成本僅為大約等每年80萬元左右。更重要的是，飛行器也可以攜帶多種高科技圖像監(jiān)測手段，比如熱成像儀，實現(xiàn)采用人眼和其它傳統(tǒng)監(jiān)測方式不可能達到的預警效果，在山火發(fā)生的萌芽階段就能夠被及時被發(fā)現(xiàn)，從而有可能在第一時間得到處理。從每年的資金消耗、完成一個監(jiān)測周期的所需要時間和覆蓋率三個角度綜合比較，使用飛行器空中巡視以后會相當大幅度地節(jié)約成本，并提高工作效率和效果。