無人機在森林防火方面的應(yīng)用及其發(fā)展

梁寧 袁新利 趙高鑫

摘 要 近年來，森林火災(zāi)在全球領(lǐng)域頻繁發(fā)生，森林防滅火工作如何進(jìn)行信息化、科學(xué)化的開展，成為了森林防滅火工作探究的重點。伴隨著無人機的快速發(fā)展，越來越多的無人機加入到森林防火的領(lǐng)域當(dāng)中，利用無人機航拍影像快速回傳及便攜性、安全性等特點，面對火情，火場指揮部能夠?qū)饒鲞M(jìn)行快速的分析從而做出決策。火災(zāi)的發(fā)生在時間和地域上是很難預(yù)測的，或者可以說成是隨機性的，在以往火災(zāi)發(fā)生的案例中，有些火災(zāi)的發(fā)生就出現(xiàn)的地域是車、人無法到達(dá)地的險惡區(qū)域，無人機的出現(xiàn)及利用，對森林火災(zāi)監(jiān)測及救援指揮等方面展現(xiàn)了其得天獨厚的的優(yōu)勢。本文主要分析了無人機在森林防火監(jiān)測工作中的情況，僅供參考。

關(guān)鍵詞 森林；無人機；森林防火；應(yīng)用形式

1 森林防火形式

傳統(tǒng)的防火方法，主要包括森林防火自動報警系統(tǒng)，森林火災(zāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，地面巡邏，觀測平臺監(jiān)控等，由森林防火指揮部監(jiān)控中心，傳輸系統(tǒng)和前端收集點構(gòu)成。

傳統(tǒng)的森林防火方法包括四種方法：（1）地面巡邏，依靠地面人工巡邏來探測森林火災(zāi)，耗時耗力，效率低下；（2）瞭望塔俯瞰，依靠森林保護(hù)工作人員慣于在塔上觀察這樣陳舊的方式，以巡查森林火災(zāi)發(fā)生，但受偵察范圍的限制，往往目不暇接；（3）遙感技術(shù)是通過衛(wèi)星的遙感影像傳輸來檢測和分析森林地區(qū)的森林火災(zāi)，這種監(jiān)測方式不僅成本高，由于衛(wèi)星遙感影像尺度分辨率及宏觀性等因素的影響，工作人員無法及時準(zhǔn)確定位森林火災(zāi)點，從而錯過撲火火災(zāi)的最佳時機；（4）飛機巡邏，森林火災(zāi)的發(fā)生是具有隨機性的，利用飛機對地面進(jìn)行不定時巡查所產(chǎn)生的費用不可小覷，就目前我國的林業(yè)防火條件來說，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

隨著無人機技術(shù)的創(chuàng)新和普及，精準(zhǔn)、直觀、全面的火場分析數(shù)據(jù)的特點，使無人機進(jìn)行森林防火巡查已經(jīng)成為趨勢，因此利用無人機來對森林進(jìn)行往復(fù)的巡檢，通過無人機任務(wù)規(guī)劃功能，采用無人機抵近偵查及折線型和往返型的偵查方式對森林進(jìn)行巡檢，因無人機載荷偵查覆蓋面積較大、偵查圖像質(zhì)量高及航程時間較長等特點，在對森林巡檢過程中可以降低巡檢任務(wù)的人工消耗和成本，有效提高森林巡防效率。世界各國紛紛將無人機技術(shù)應(yīng)用于森林火災(zāi)的監(jiān)控和救災(zāi)工作當(dāng)中，通過近年來數(shù)據(jù)顯示，無人機技術(shù)在森林防火的應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期的效果。

2 無人機概念和技術(shù)優(yōu)勢

2.1 無人機的概念

目前為止，無人機的出現(xiàn)依然被認(rèn)知是一項新技術(shù)，其實不然，無人機的誕生可以追溯到一戰(zhàn)時期，由英國的卡德爾和皮切爾兩位將軍所提出并進(jìn)行研制。就目前民用用人機來講，基本都利用無線電遙控設(shè)備和自自備的程序控制裝置進(jìn)行操縱，無人機的種類繁多，目前應(yīng)用于林業(yè)森林火災(zāi)監(jiān)測多為多旋翼無人機、無人直升機和固定翼無人機。從林業(yè)角度分析，無人機能夠?qū)崿F(xiàn)地面巡護(hù)無法顧及的偏遠(yuǎn)地區(qū)引發(fā)林火的早期發(fā)現(xiàn)以及對重大森林火災(zāi)現(xiàn)場的各種飛行任務(wù)，簡直就是攻克森林火災(zāi)的神兵利器。

2.2 無人機的優(yōu)勢

森林火災(zāi)很多時候都猝不及防，它具有人為性和多樣性的特點，在消防救災(zāi)中，結(jié)合無人機回傳的實時圖像和紅外熱成像信息，通過空中對復(fù)雜地形和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行火災(zāi)隱患巡查、現(xiàn)場救助指揮、火情偵測及防控成為森林消防新的選擇。

調(diào)查火災(zāi)現(xiàn)場的受災(zāi)情況是一件非常危險的行動，在將地面救災(zāi)人員派往現(xiàn)場之前，對火勢的評估至關(guān)重要。快速部署無人機巡查，并將火災(zāi)現(xiàn)場的空中狀況傳送到地面指揮單位，為指揮單位提供第一手救災(zāi)數(shù)據(jù)。3月底，北京密云、平谷地區(qū)突發(fā)森林火災(zāi)，來自北京零度智控的ZT-3v復(fù)合翼無人機接到指令后迅速響應(yīng)，飛抵火災(zāi)現(xiàn)場上空偵察火情。據(jù)此次全程參與密云救災(zāi)的零度智控董事長楊建軍介紹，在救災(zāi)過程中，參與搶險的ZT-3v復(fù)合翼無人機為政府和決策機構(gòu)提供了大火初期、中期和末期的可見光、紅外視頻實時監(jiān)控，協(xié)助地面指揮工作部署安排。在山火救援工作中，ZT-3v無人機先搭載三軸30倍光電吊艙迅速起飛至火場上空，利用高空視角優(yōu)勢，第一時間將火勢蔓延情況的視頻實時傳送到指揮人員手中，協(xié)助指揮人員擬定最佳救援方案。”這次無人機參與山火救災(zāi)成為一個典型案例。

在森林防火方面，無人機負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的飛行，機種主要有固定翼和多旋翼兩種，由于固定翼無人機轉(zhuǎn)彎半徑大，起飛和著陸要求高，飛行高度高，而多旋翼無人機具有飛行靈活、現(xiàn)場適應(yīng)性強、低空飛行、多重飛行模式，可實現(xiàn)路徑規(guī)劃自動飛行等優(yōu)點，同時，火災(zāi)發(fā)生時會產(chǎn)生強烈垂直氣流運動，形成火場風(fēng)，嚴(yán)重威脅無人機飛行安全，因此，無人機參與火災(zāi)搶險要盡量選用動力強勁、結(jié)構(gòu)堅固的無人機裝備，所以多旋翼是最佳選擇。

在災(zāi)后救援中，無人機可搭載紅外吊艙繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，深夜徹查復(fù)燃點，在火場一線上空持續(xù)巡查，重點區(qū)域防止死灰復(fù)燃。無人機確保了救援工作的安全，以航拍的形式，避免了可能發(fā)生塌方的危險區(qū)域，將為合理分配救援力量，確定救災(zāi)重點區(qū)域、選擇安全救援路線以及選擇災(zāi)后重建選址等提供了有價值的參考。

無人機森林防火能做到“快速、完整、精細(xì)”。無人機按照既定的路線自主飛行，無需通訊車跟隨，凸顯物聯(lián)網(wǎng)時代的智能化和信息化特點，且機動性更強，成本相對較低，能夠全天時、全天候、無死角地監(jiān)測林區(qū)，自動識別可疑人、車目標(biāo)，對重點目標(biāo)盤旋、跟蹤，轉(zhuǎn)角、變焦實施持續(xù)監(jiān)視；通過載荷系統(tǒng)使無人機具備在極端任何環(huán)境（煙、塵、霧）中，提供極佳的遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測和識別能力，實時地監(jiān)測可燃物狀態(tài)，智能分析火災(zāi)隱患，數(shù)據(jù)實時回傳報告可疑地區(qū)位置，為指導(dǎo)消防指揮部有效滅火提供數(shù)據(jù)支持。

3 無人機在森林防火中的應(yīng)用形式

相比載人飛行器，無人機本身風(fēng)險較小，使用成本較低，它們廣泛用于民用領(lǐng)域。在森林防火方面，主要有全天候火情監(jiān)測，火場態(tài)勢實時監(jiān)控，遠(yuǎn)距離中繼通信、輔助應(yīng)急救援等運用形式。

3.1 全天候火災(zāi)監(jiān)測

固定翼無人機具有快速飛行速度和長飛行距離特點，通過裝載高分辨率可見光、紅外攝像機和其他偵察設(shè)備，固定翼無人機可以根據(jù)預(yù)定航跡進(jìn)行森林區(qū)域空中巡查，一旦發(fā)現(xiàn)火情，則采用紅外和可見光兩種相機同時雙向進(jìn)行比對、識別，并在發(fā)現(xiàn)火情后，將比對、識別結(jié)果回傳至地面站，通過定位的方法進(jìn)行三維展示，以達(dá)到實時檢測，且實現(xiàn)所見即所得，即根據(jù)無人機拍攝的火情直接定位到火情發(fā)生的具體位置，并在三維地球上直觀展示位置結(jié)果，同時估算火場面積并通過拼接算法形成大面積火場態(tài)勢，以便及時發(fā)現(xiàn)火情，并進(jìn)行火情預(yù)警、報告火情信息，便于及時展開行動，將財產(chǎn)損失和人員傷亡降到最低，對于可疑區(qū)域，地面控制人員通過遙控?zé)o人機的飛行狀態(tài)和改變飛行軌跡，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)偵查[1]。

3.2 火災(zāi)情況的實時監(jiān)控

多旋翼無人偵察機配備彩色CCD任務(wù)負(fù)載或紅外探測器，可在距地面500m高度對地面火場進(jìn)行懸停觀察，特別是當(dāng)車輛和人員無法到達(dá)預(yù)定的偵察位置時，及時利用無人機快速飛抵火災(zāi)現(xiàn)場，實時獲取火情信息，為撲火隊伍提供最佳行進(jìn)路線[2]。

同時，無人機機體可配備風(fēng)向、風(fēng)速儀等設(shè)備，收集整個火場區(qū)域的信息、火災(zāi)燃燒程度、火場風(fēng)向和風(fēng)速等信息，以便輔助指揮員確定火災(zāi)范圍、發(fā)展趨勢和蔓延方向。旋翼機無人機主要用于近距離火災(zāi)探測，采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性良好，現(xiàn)時市面上的無人機多半只有25至30分鐘的續(xù)航力，韓國公司MetaVista卻成功研發(fā)出打破先前無人機飛行時間世界紀(jì)錄的機體，做出了12小時7分5秒的飛行時間，比前次記錄增加近3倍，顯示燃料電池的使用對提高續(xù)航力異常重要。

3.3 遠(yuǎn)程中繼通信

要知道森林內(nèi)林密山高，有著復(fù)雜的地理環(huán)境。而無人機飛行平臺有著中繼通信設(shè)備，能夠使通信鏈路的通暢得到保障，同時，能夠在很短時間內(nèi)就完成覆蓋任務(wù)區(qū)域的通信系統(tǒng)及指揮系統(tǒng)的建立。

它既能使各級指揮員的火場信息需求得到良好滿足，又有助于現(xiàn)場單兵攜帶Pad將林火動態(tài)信息進(jìn)行共享。但是，受限于無人機搭載功能，無人機機載的輕小型遠(yuǎn)距離數(shù)傳、圖傳、語音中繼設(shè)備技術(shù)還有待完善，仍需展開集成與研發(fā)[3]。其中，無人機的數(shù)據(jù)資源處理能力對森林防火監(jiān)測和火災(zāi)撲救都有重要影響，如果數(shù)據(jù)資源處理能力偏低，會嚴(yán)重影響滅火效率。無人機的數(shù)據(jù)資源處理要做到對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，因此要促進(jìn)其終端設(shè)備性能的更新升級，并對機載有效性進(jìn)行分析。結(jié)合無人機配件特征，處理森林防火業(yè)務(wù)。在引擎固定條件下，對傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)加以完善，提高無人機的數(shù)據(jù)處理能力和傳輸效率[4]。隨著5G商用時代來臨，無人機全新的應(yīng)用場景正在出現(xiàn)，中國聯(lián)通于3月31日在上海崇明島，將用于商用的5G工業(yè)無人機超視距、高速飛行、中低空試驗成功完成，無疑是以正式商用為目標(biāo)的5G工業(yè)無人機的首次應(yīng)用案例。中國聯(lián)通研究院的高級專家周曉龍說到“此次試驗重點驗證了5G的高速移動性、中低空覆蓋、邊緣計算協(xié)同、基站切換等性能”。無人機行業(yè)在5G技術(shù)促進(jìn)下，將會迎來巨大的發(fā)展和變化，這具體表現(xiàn)在5G的低時延與高帶寬的特點上，這使得5G無人機的4K/8K視頻實時回傳與實時操控，同時，還可支持AR技術(shù)與VR技術(shù)，將超高清的體驗帶給廣大用戶。

4 無人機遙感技術(shù)

無人機遙感，就是通過先進(jìn)的遙測遙控技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、無人駕駛飛行器技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)、通訊技術(shù)及遙感應(yīng)用技術(shù)，可以實現(xiàn)智能化、專用化及自動化快速獲取自然環(huán)境、森林火災(zāi)災(zāi)區(qū)等空間遙感信息，同時，能對地面煙霧擴(kuò)散分布情況進(jìn)行實時探測，促使消防預(yù)警與現(xiàn)場偵測更為有效實施，進(jìn)而為災(zāi)情的準(zhǔn)確、快速預(yù)防與處置提供有效指導(dǎo)。

5 無人機煙霧識別系統(tǒng)

相比于傳統(tǒng)森林防火方法，此種煙霧識別系統(tǒng)無疑是一種有著顯著優(yōu)勢的技術(shù)手段，不管是在視線可見，還是在不可見的惡劣環(huán)境（如泥石流、臺風(fēng)、高溫、夜間及暴雨等）下，亦或是一些極端地理環(huán)境（如溝壑、山岳和峽谷等）中，甚至是在嚴(yán)重事故災(zāi)害現(xiàn)場（有毒、塌陷、易燃易爆等），紅外成像和高清相機都能夠與煙霧識別模塊展開交替結(jié)合，將火情及時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而在萌芽時期就扼制住森林火災(zāi)，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)森林防火救援方式缺陷的有效彌補。

6 無人機在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

6.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

今年6月，土耳其政府在伊茲密爾鄭重舉行了試飛活動，由科達(dá)無人機擔(dān)當(dāng)本次試飛活動的主角，通過科達(dá)無人機掛載的熱成像云臺攝像機，可以在數(shù)百平方公里的大范圍內(nèi)迅速定位起火點，判斷火災(zāi)蔓延趨勢，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步回傳，為指揮中心科學(xué)調(diào)派資源，實現(xiàn)應(yīng)急救援快速響應(yīng)提供精準(zhǔn)的圖像視頻依據(jù)。

6.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

工業(yè)無人機快速發(fā)展，農(nóng)林等應(yīng)用領(lǐng)域已成為重要的巡檢巡邏工具，但無人機的作業(yè)應(yīng)用都是通過飛手操控來完成，然而在炎炎夏日飛手的長時間作業(yè)也是非常辛苦。另外，現(xiàn)如今專業(yè)的飛手人員招聘越來越難，因此針對這樣的情況，上海復(fù)亞智能科技有限公司研發(fā)了全自動飛行系統(tǒng)，從而減少人員的投入，并且實現(xiàn)了無人機全自動自主作業(yè)的能力。復(fù)亞的方法是借助AI算法，讓無人機在飛行過程中，能夠?qū)崟r調(diào)整云臺姿態(tài)及拍攝參數(shù)，獲得精準(zhǔn)清晰的拍攝畫面，并實現(xiàn)實時視頻回傳，協(xié)助開展火情判斷。

7 討論與結(jié)論

無人機森林防火的發(fā)展趨勢在許多領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用，值得一提的是，森林防火工作技術(shù)伴隨科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，將會愈加成熟與先進(jìn)，無人機要在森林防火工作中充分發(fā)揮重要作用，就需要對無人機系統(tǒng)不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。從無人機系統(tǒng)本身來講，持續(xù)不斷優(yōu)化是未來無人機的重要發(fā)展方向，具體要解決的問題：（1）將無人機發(fā)動機的動力技術(shù)問題解決掉，太陽能發(fā)動機無疑有著廣闊前景，其可以更好利用能源，使長時間避難無人機的需求得到滿足。（2）無人機承載能力的提升，加載更多設(shè)備，從而提高智能搜索能力。同時，注意相關(guān)數(shù)據(jù)鏈傳輸可靠性與安全性的加強，以使抗干擾能力與數(shù)據(jù)加密能力得到提升。對軟件問題投入更多精力，無人機的必然要求與發(fā)展趨勢之一，便是寬帶與數(shù)據(jù)的大量傳輸。現(xiàn)如今，無人機展開通信主要是通過C/ X頻段、Ku/Ka頻段及L頻段。（3）加大新型非金屬復(fù)合材料的開發(fā)力度，使無人機重量減輕，變得更為靈活。在產(chǎn)業(yè)推廣和行業(yè)管理方面，有必要解決無人機成本高，成本高，使用，服務(wù)和管理系統(tǒng)不完善的問題。為中國新興無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

參考文獻(xiàn)

[1]崔新宇，劉艷萍.關(guān)于無人機在森林防火監(jiān)測方面的探究[J].科技與創(chuàng)新，2014（7）：128-130.

[2]李濱，等.無人機系統(tǒng)在森林防火方面的應(yīng)用及其發(fā)展[J].電子技術(shù)研發(fā)，2015（5）：15-18.