無人機系統在國家森林消防隊伍中的實戰應用探析

羅選疆 付鈺杰 紀任鑫 張志

摘要：自應急管理部組建以來，國家森林消防隊伍的職責范圍由過去單一應對森林草原火災轉變為全災種災害救援，對災害現場信息快速而全方位收集的要求也逐漸提高。無人機系統良好的平臺拓展性和靈活的機動性，契合了森林消防隊伍的應急偵測實戰需求，為救援現場災害數據收集、傳輸和處理提供基礎性的保障。本文通過兩起典型森林滅火實戰案例研究，提出加強無人機系統的實戰效能，一是要完善空域申請制度并對飛控進行規范，提高操作的可靠性;二是加強數據的處理與共享;三是建立飛行器指揮平臺，解決無人機與其他飛行器共同作業的空域安全及編隊配合的問題;四是加強“地空”配合和戰法協同。

關鍵詞：無人機系統;森林消防;應急通信

在城市化和全球氣候變暖的背景下，各類極端天氣和重大自然災害頻繁發生[1]。2018年，原公安消防部隊、武警森林部隊轉制，組建國家綜合性消防救援隊伍[2]，由應急管理部領導管理。轉制后的森林消防隊伍面對“全災種、大應急”，擔負處置各類災害事故的重要職責，在處置以森林草原防火滅火為中心的多樣化任務中，對“動中通，全時通”的應急通信保障能力提出更高要求。現場指揮對應急偵測數據的需求急劇增長，衛星遙感受限于時空分辨率，而傳統的有人航空遙感則受制于長航時、大機動、惡劣氣象條件的影響[3]，很難進行實時有效的災害現場動態監測，而無人機系統的發展剛好彌補了這一缺口，在應急救援領域的使用也逐漸普遍。隨著無人機系統、融合通信與航空攝影技術的不斷優化，目前市面上的大部分無人機產品都具備可拆解、實時通信、機動靈活的性能，無人機在在災害現場可快速組裝，前往人車無法到達的區域進行巡視反饋，將第一手災害信息發送至前指，為救援力量部署、人員安全管控和機動路線選擇提供決策依據。

1 森林消防隊伍中的無人機應用現狀

1.1災害現場信息的實時采集

領受應急偵測任務后，無人機組裝完畢并搭載不同功能的任務載荷，可對災害現場進行實時監控。針對森林草原火災中煙霧下方的火點，或搜索失蹤人員位置，可利用熱成像模塊檢測火點和人員熱點后進行定位;在地震、泥石流等災害現場，通常勘察工作量大、安全隱患多，不適宜人力直接介入進行前期的勘測，無人機在飛控的有效范圍內可大面積獲取災害現場信息，初步評估災害損失情況，及時掌握災情發展趨勢，而低空機動的飛行可避免云層干擾[4]，為指揮中心提供高分辨率的影像信息。

1.2基于傾斜攝影的數據可視化

傾斜攝影是由傳統航空攝影發展而來的技術，打破了傳統航空測量的拍攝角度局限。將一個垂直角度和四個傾斜角度所拍攝的影像與飛控中的POS數據匹配，之后進行空三加密構建三維立體模型[5]，實現空間數據可視化。

常用的航測三維搭建軟件有Pix4Dmapper、PhotoScan、Smart 3D，如使用大疆創新的消費級航拍機進行采點取樣，可利用Pix4Dcapture或Altizue進行3D航線規劃，可根據不同的覆蓋率需求設置航線，起飛后便可進行自動取樣。但三維建模軟件對電腦硬件需求通常比較高，通常處理時間在3-4小時甚至更長。

在三維建模完成后，可對航測的區域進行360度的瀏覽，也可利用工具對航測區域內物體長度、表面積、體積等數據進行測量，這樣可以方便指揮員從不同角度查看災害現場特征，判讀救援過程中的風險要素和人員安全狀況。在森林草原火災救援過程當中，也可進一步將傾斜攝影數據處理生成數字地表模型（DSM），在海拔落差較大區域，將提取出的地物高度信息（nDSM）結合高分辨率光學影像進行地物提取[6]，獲取可燃物等信息，為現場指揮員的救援方案及后方增援力量的應急響應方案的制定提供準確的基礎信息。

1.3構建通信中繼單元

傳統的應急通信手段在復雜的地理環境里，通常會受山體或建筑物遮擋。臨時在制高點搭建中繼單元，路程較遠且耗時較長，而無人機的高空無阻礙和快速的機動優勢可化解這樣的困境，為指揮機構和現場救援人員在山地密林區極端條件下建立起通信鏈路。

1.4輔助相關救援行動

無人機系統平臺還可搭載喊話器、應急照明、拋投等任務載荷，在應急救援過程中為任務分隊提供語音引導、弱光環境照明和拋送應急物資提供條件。

2 無人機系統在森林消防實戰中的應用分析

2.1無人機裝備配置情況

應急管理部森林消防局配發使用的無人機主要有幻影六旋翼無人機、3vs混合翼無人機以及各部門后期配發的消費級無人機。目前幻影六旋翼無人機已配備至大隊級單位，3vs混合翼無人機配備至各總隊所轄滅火救援任務繁重的單位使用。兩款無人機具有各自的優勢，3vs混合翼的固定翼巡航模式適合長航時、大范圍偵測作業，六旋翼的任務載荷適用于小范圍、定點偵測和救援協同任務。

森林消防隊伍的無人機系統在人員操作方面，總隊、支隊兩級機關的無人機操作手實戰機會較多，操作經驗豐富，大隊級以下的無人機操作手實戰應用的時機較少，主要通過每周的通信訓練來提高操作水平。大部分無人機操作手通常只了解飛行操作，對采集的數據處理能力和飛行過程中的應急處置能力普遍較弱。由于無人機配備數量少，返廠修理時間較長，在實戰操作過程中出現問題后，無人機操作手出現“恐飛”的情緒也較為常見。

2.2實戰應用案例分析

《2019年中國國土綠化狀況公報》顯示[7]，我國森林覆蓋率達22.96%，森林面積2.2億公頃。我國已成為世界上森林資源增長最快的國家，人工林面積居世界首位。與此同時，我國面臨的林火風險形勢日趨嚴峻，隨著天然林保護和退耕還林政策實施而森林營林管護措施的不到位，造成輕型可燃物的超量積聚，發生重特大森林草原火災的危險越來越大。森林消防隊伍轉隸2年來，受氣象、火源等因素影響，部分重點林區森林草原火災高發、頻發，滅火任務同比激增兩倍以上。滅火作戰要做到科學、安全、高效、有序，離不開現場信息的全面、快速獲取。以2019年云南安寧“5.13”和2020年四川木里“3.28”滅火作戰為例，無人機機組分別使用了六旋翼和混合翼無人機進行火場應急偵測。