無人機在森林防火中的應用

舒暢

（承德市灤平國有林場總場，河北 承德 068250）

前言：

森林是以喬木為主體的生物群落，是由集中的喬木與其他動物、植物、微生物和土壤之間的相互依賴性以及與環境相互作用形成的整個生態系統。它物種豐富、結構復雜、功能多樣，被稱為“地球之肺”。森林與其所處的非生物環境有機地結合在一起，形成一個完整的生態結構。森林是地球上最大的陸地生態系統，也是全球生物圈的重要組成部分。它是地球上的基因庫、碳庫、水庫和能量庫，是人類生存和發展的重要資源來源和可依賴的環境。自地球上的森林出現以來，森林火災就伴隨發生。世界上每年森森火災超過20 萬次，燒毀森林面積占世界森林總面積的1‰以上。在我國，火災嚴重的時候每年平均發生1 萬多起森林火災，燒毀森林幾十萬至上百萬公頃，約占全國森林面積的5‰～8‰。

森林火災是森林自然災害中破壞性、危害性極大的災害之一，其突發性強、撲救難度大，一旦蔓延開來，會對森林資源及林區生態系統造成極大破壞，危及林區人民的生命財產安全。無人機是一種可遠程操控的無人駕駛飛行器，在軍事領域的發展應用已經相對比較成熟，近年來逐漸在氣象、農業、林業等民用領域得到廣泛的應用。無人機系統具有造價低廉、操作簡便、機動靈活、使用安全等特點，相對于其他森林防火技術有其獨特的應用優勢，能夠廣泛適應森林防火的各項工作任務需求，如森林防火日常巡護、森林可燃物調查、野外火源監控、森林火災火情偵察與輔助撲救、災后余火監測及火情調查評估等。文章基于當前我國森林防火技術發展現狀，就無人機系統在森林防火中的應用進行一些探討，以期能夠為相關研究提供一些參考與借鑒。

一、無人機系統的組成結構及類型

無人機系統主要由地面控制系統、飛行器、機上有效載荷、發射及回收系統以及地面維護系統等組成。飛行器是無人機系統的核心，主要由機體、飛行控制系統、動力系統以及數據傳輸系統等組成，我們通常所說的無人機，主要指的是無人機系統中的飛行器。

無人機從功能、用途、外觀等方面可以分為多種類型。從外觀結構來說，無人機可分為固定翼無人機和旋翼無人機；從動力驅動方式來說，可以分為電力驅動無人機和燃料驅動無人機；而從功能用途來說，無人機可以分為航拍無人機、通信無人機、宣傳無人機以及熱紅外偵察無人機以及運輸無人機等。無人機的類型決定著其性能和功能，而有效載荷則決定著無人機功能的多樣性。在無人機平臺上搭載不同的設備儀器，可以實現無人機不同的功能用途，完成特定的工作任務。

二、無人機在森林防火中的優勢

（一）作業成本降低

無人機消除安全隱患，依靠幾架無人機就能完成幾組工作人員的工作量，大大節省作業成本。

（二）提高防火效率

在森林防火工作中，無人機能準確火點、熱點坐標，明確火情的范圍、輪廓、面積等，檢測火災的發展動態。地面控制站據此，能制定詳細的撲滅計劃，避免盲目滅火而降低作業效率。

（三）保障人員安全

火災猛如虎，保障好抗災一線消防戰士的生命安全，時刻牽動著我們每個人的心。無人機在森林防火中的應用，能準確判斷肉眼無法判斷的暗火，能為地面消防部門第一時間播報火災態勢，并根據火情的變化及時調離消防員撤離危險區域。最關鍵的時，能優化撤離路線，切實保障消防員的人身安全。

（四）救援更及時

火災疫情爆發時，務必要在最短時間尋找生命源，獲取被圍困人員的具體位置，幫助被圍困人員脫險。無人機攜帶生命探測儀，匹配GPS定位系統，能在短時間內明確被圍困人員的位置，第一時間投放救生繩、呼吸罩、急救藥品等，有利于救援工作的快速開展。

三、無人機技術在森林防火中的應用

（一）日常巡視

無人機在自然保護區森林日常巡護中并非單獨應用，常與RS、GPS、GIS、無線通訊技術等有機結合，從而實現準確定位無人機在自然保護區中的位置，并在最短用時內監測自然保護區林區的各種情況，同時在通信技術支持下將采集的數據和信息傳輸至保護區工作人員使用的控制設備，相關人員對這些數據進行整理分析，進而可發現自然保護區中潛在的安全隱患，及時采取措施將其清除，將自然保護區森林火災發生的風險系數降至最低水平，全面確保自然保護區安全。與傳統人工定期巡查方式相比，應用無人機不僅減少了工作人員巡護的工作量，還提升了巡護效率。

（二）循環監測

利用無人機不受地形限制，可遠程操控和長續航的優勢，特別是在高溫環境下，應用無人機不間斷地對保護區森林實施循環監測，有利于第一時間發現火情并及時采取有效處理措施，由此達到預防森林火災的目的。若發現火情，無人機可第一時間將火災的具體位置準確地發送給工作人員，并持續發出警報，有利于及時開展撲救，同時提醒起火點周圍在場人員撤離，保障其生命安全。

（三）火災撲救

森林火災發生時其周圍環境非常惡劣，植被燃燒后形成大量濃煙，降低了火場上方能見度，同時改變風向，加大了森林火災撲救難度。而應用無人機，利用其高清攝像設備，在環境惡劣的森林火場中依然可以開展火情偵察工作，并將火災發生的區域、所在位置等信息在第一時間準確傳達給地面指揮中心，后者可根據無人機傳輸的實時影像針對性地制定撲救方案，提升火災撲救效率。另外，針對小范圍森林火災或者初發火，可為無人機搭載滅火彈，通過定點投放，有助于降低火源強度，實現輔助滅火，為地面搶險人員開展撲救工作爭取寶貴時間。特別是針對地勢陡峭、交通不便的區域，或者在夜晚發生的撲救難度高的火災，這一輔助滅火方式具有較好效果，還能充分保障搶險人員生命安全，減少森林火災撲救的成本投入。

（四）火災調查與評估

自然保護區發生森林火災后，通常火災調查與災情信息摸底開展得越早越好，特別是調查起火位置和起火原因，時效性至關重要。由于火場環境具有較高危險性，難以接近，如果安排人員到達火場現場開展調查，會威脅其生命安全，而應用無人機開展火災調查與評估，可在火災發生后第一時間介入，及時監測火場以及周圍環境狀況，縮小起火點的調查范圍，還能獲得涉案人員的活動場景。因此，在森林火災調查過程中應用無人機，具有安全性高、時效性強、使用靈活等優點。在災情評估中，借助無人機搭載傾斜攝影、GPS測量、圖像識別等功能設備，可測算森林火災的面積、遭受火災植被的種類及林木蓄積等，以獲得準確的評估結果，同時降低災情評估工作量，提高災情評估效率。

（五）遠程中繼通信

森林地理環境復雜，山高林密，信號容易堵塞。利用具有中繼通信設備的無人機飛行平臺，可以保證通信鏈路暢通，并且可以快速建立覆蓋任務區域的指揮系統和通信系統。

建立起來的信息平臺不僅可以滿足各級指揮員的火場信息需求，也可實現現場單兵攜帶Pad 共享林火動態信息的功能。由于目前無人機搭載功能有限，用于無人機機載的輕小型遠距離圖傳、數傳、語音中繼設備技術還不完善，還需進一步研發和集成。其中，無人機的數據資源處理能力對森林防火監測和火災撲救都有重要影響，如果數據資源處理能力偏低，會嚴重影響滅火效率。無人機的數據資源處理要做到對所有數據進行有效處理，因此要促進其終端設備性能的更新升級，并對機載有效性進行分析，結合無人機配件特征，處理森林防火業務。在引擎固定條件下，對傳輸數據應用技術加以完善，提高無人機的數據處理能力和傳輸效率。

隨著5G 商用時代來臨，無人機全新的應用場景正在出現。面向商用的5G 工業無人機中低空、超視距、高速飛行驗證了5G的中低空覆蓋、高速移動性、基站切換、邊緣計算協同等性能。5G 技術給無人機行業發展帶來的變化主要體現在5G的高帶寬和低時延兩大技術特點上，可滿足5G 無人機實時操控和4K/8K 視頻實時回傳，還能支持VR/AR 技術，給用戶帶來超高清的體驗。

（六）輔助應急救援

通過在無人機上集成航拍測繪模塊,可對火災現場的地形進行應急測繪，為滅火和救援提供強有力的支持。同時，可在無人機上集成語音、擴音模塊傳達指令，在復雜的火災環境中實現空中呼叫和指令傳輸，及時通知消防員撤離危險區域并提供疏散路徑。無人機可用于協助拋繩或攜帶關鍵設備（救生繩、呼吸器等），為消防員提供救生通道。隨著近兩年無人機技術的進步，無人機已從過去“只是空中偵察火情”升級為在火災搶險中能拼能打的“單兵”。目前，國內已經有3 種物流無人機可以載重1.5t 以上，可以用于空中灑水或者滅火劑，提升了森林航空消防直接滅火的能力。

四、無人機系統在森林防火應用中的一些關鍵問題

首先，無人機的續航問題是其只能應用在小范圍航空巡護的主要原因

采用燃料驅動的無人機，相對來說續航能力更高，但采用燃料驅動無形中相當于攜帶了一個火源，應用的風險系數將大為提高。目前民用無人機的穩定性不是很好，進入環境惡劣的火場，一旦摔機可能會形成新的起火點。從無人機的發展趨勢來說，電力驅動的無人機將會是發展的主流，目前的應用也更為廣泛。但目前電力驅動無人機電池續航時間短是制約其在森林防火中應用的瓶頸問題，如何解決這一問題，提升電力驅動無人機的電池續航能力將是未來無人機領域重點解決的關鍵問題，采用太陽能驅動無人機或是解決這一問題的方向。

其次，無人機的飛行控制精度有待進一步提高

相較于旋翼無人機，固定翼無人機的飛行控制更具難度，需要經過專業培訓的人員來駕馭，這也是無人機墜機率較高的一大原因。進一步改進無人機的飛行控制系統，提高控制精度，降低操作難度，并進一步提升其智能化水平，也是無人機未來需要重點解決的問題。

第三，無人機的有效載荷是決定其應用功能的關鍵指標

無人機本身只是一個搭載平臺，其主要應用功能是靠搭載的各類儀器設備來實現的。因此，如何提高無人機的有效載荷，增強其功能的多樣性也是未來無人機發展所要解決的一大關鍵問題，對其應用領域的拓展十分重要。采用性能更好、質量更輕的建造材料是解決這一問題的關鍵，這有待于材料科學的進一步發展。

此外，增強無人機的抗風性能，提高其穩定性；在森林防火方面還要考慮到無人機的耐高溫性、耐摔性等，都是無人機在森林防火領域應用所要解決的一些關鍵問題。

結束語：

目前，越來越多的先進技術及設備被廣泛應用在森林防火工作中。無人機是其中比較重要的一種，發揮著十分重要的作用。與傳統人機相比，無人機在低空工作中有更大的優勢，可在火場附近隨時升空實施監測，有助于地面指揮人員全面了解火場形勢。因此，森林防火工作人員應當充分認識及把握無人機的應用現狀及發展情況，使森林防火工作取得更加令人滿意的效果，提高森林資源的安全性。