無人機系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用

余曉程 於劍青 於劍平 任 晉

（甘肅祁連山國家級自然保護區(qū)管護中心，甘肅 張掖 734000）

0 引言

森林資源作為人類生存不可或缺的一項重要資源，不僅能為人類日常生產(chǎn)生活提供必需的各種林副產(chǎn)品及木材，又能為人類提供適宜的生存環(huán)境。因此，切實保護好森林資源至關(guān)重要。而火災(zāi)作為嚴(yán)重影響森林資源的一種常見災(zāi)害，輕則燒毀一定的森林植被，重則威脅人類及動物的生命安全。由此可見，做好森林防火工作意義重大。

以往，林業(yè)部門往往會派遣專業(yè)工作人員進行實地巡邏檢察，這一方式不僅浪費了大量的人力、物力，而且難以準(zhǔn)確觀測著火點，且危險性較高。盡管我國已經(jīng)成立了航空護林中心，也已經(jīng)開展空中護林防火工作，然而，大多數(shù)工作人員駕駛飛機拍攝的圖像往往無法滿足高分辨率、高精度的要求，同時極易受到天氣影響。就小林區(qū)而言，不僅極易造成資源浪費，還無法與定點觀測需求相適應(yīng)。而無人機在森林防火應(yīng)用中表現(xiàn)出實時巡查能力強、操縱方便、機動靈活、功能多樣化和影像實時傳輸?shù)榷喾N優(yōu)勢，特別是在天氣狀況不佳與地形復(fù)雜的林區(qū)，其應(yīng)用優(yōu)勢更加突出。基于此，筆者重點探討無人機系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用，對于提升森林防火效果，確保森林資源的安全性，促進人與自然和諧共處等具有重要意義。

1 無人機系統(tǒng)的組成及類型

1.1 組成

通常，無人機系統(tǒng)主要包括飛行器、地面控制系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、機上有效載荷及地面維護系統(tǒng)等多個組成部分。其中，飛行器作為該系統(tǒng)的核心組成部分，由機體、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、動力系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)等四大部分組成。大多數(shù)人所謂的無人機多指無人機系統(tǒng)中的飛行器。

1.2 類型

按照外觀結(jié)構(gòu)進行劃分，可以將無人機系統(tǒng)劃分為旋翼無人機和固定翼無人機2種。按照功能用途進行劃分，可以將無人機系統(tǒng)劃分為宣傳無人機、通信無人機、航拍無人機、運輸無人機與熱紅外偵察無人機等多種類型。按照動力驅(qū)動進行劃分，可以將無人機系統(tǒng)劃分為燃料驅(qū)動無人機與電力驅(qū)動無人機2種類型。

無人機的類型不同，其性能與功能也存在一定的差異。其中，有效載荷對無人機功能的多樣性起到一定的決定作用。將各種不同的儀器設(shè)備搭載在無人機平臺上，能使無人機具備不同的功能用途，并據(jù)此完成相應(yīng)的工作任務(wù)。

2 無人機系統(tǒng)在森林防火中的優(yōu)勢

2.1 有助于控制火情

森林火災(zāi)發(fā)生后，通常火勢較大，直接撲滅火源的難度較大，且無法準(zhǔn)確判斷火災(zāi)走勢。此時，可應(yīng)用無人機系統(tǒng)，由于無人機位于高空，防火人員可以直觀判斷火情。另外，使用無人機對森林進行定期巡查和有效監(jiān)測，可大大提升巡查效率和監(jiān)測效果，并可憑借其機型小、控制靈活等優(yōu)勢，到達(dá)巡查車和巡查人員無法深入的區(qū)域，進一步擴大巡查工作的覆蓋面，有效滿足森林防火的全面性要求。

2.2 減少人員傷亡

使用無人機系統(tǒng)最顯著的優(yōu)勢是能夠明顯降低人員在防火工作中的直接參與度，使森林防火工作中的人員傷亡率得到最大限度的降低。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機系統(tǒng)也不斷更新升級。現(xiàn)有的無人機系統(tǒng)既能有效監(jiān)測森林火情，又能參與滅火工作，進而最大限度地降低人工巡檢或滅火工作的危險性。由于森林火災(zāi)具有較高的危險性，一旦火勢擴大，工作人員必須及時撤出火場，以防止出現(xiàn)人員傷亡。一旦工作人員未能及時撤出，必將威脅其生命安全。工作人員無法及時撤出的主要原因在于未能有效監(jiān)測火情，而使用無人機系統(tǒng)能顯著提升工作人員對火情的預(yù)判能力，不僅有助于滅火工作的開展，而且能顯著降低滅火工作的危險性。

2.3 有利于經(jīng)濟發(fā)展

無人機系統(tǒng)在森林防火監(jiān)測中的應(yīng)用能夠提高森林資源的安全性，為社會經(jīng)濟的可持續(xù)、健康發(fā)展帶來顯著的效益。例如，使用多軸飛行器能減少支出與成本，降低火災(zāi)發(fā)生率，提高森林資源的安全性。

3 無人機系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用

無人機系統(tǒng)在森林防火工作中的應(yīng)用主要包括護林巡查、火情監(jiān)測偵察及輔助撲救、災(zāi)后余火監(jiān)測、火災(zāi)調(diào)查及災(zāi)情評估4方面。

3.1 護林巡查

無人機機動性和靈活性較強，可以獲取大范圍的森林資源狀況。與載人機相比，無人機具有安全性高、成本低、易于維護及操作簡便等特點。與地面巡查相比，無人機能到達(dá)人、車等無法到達(dá)的區(qū)域。無人機攜帶紅外熱成像儀、全球定位系統(tǒng)、高清透霧攝像儀及高清數(shù)字圖像處理與傳輸設(shè)備等，組成對火情的監(jiān)控系統(tǒng)，能按照預(yù)定的航線對林區(qū)進行空中巡查，并將獲取的影像數(shù)據(jù)等信息傳輸至地面指揮中心。對監(jiān)控基站附近的林區(qū)進行視頻監(jiān)控圖像采集時，無人機能垂直120°、水平360°進行監(jiān)測，同時能自動確定火情發(fā)生位置，以實現(xiàn)智能識別火情。此外，針對可疑火點與重點區(qū)域，可使用遙控指令對無人機的飛行軌跡進行改變，并重點做好相應(yīng)區(qū)域的巡查工作。

無人機系統(tǒng)在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用，能顯著提升護林巡查的工作效率，既有利于準(zhǔn)確了解火情，又能為撲救爭取寶貴的時間。

3.2 火情監(jiān)測偵察及輔助撲救

無人機系統(tǒng)在火災(zāi)監(jiān)測偵察中的應(yīng)用效果也較為顯著。一旦森林發(fā)生火災(zāi)，火場附近的環(huán)境將會急劇惡化。林木在燃燒過程中往往會產(chǎn)生大量的濃煙，同時火場上空的能見度顯著降低，風(fēng)向也復(fù)雜多變。使用協(xié)帶高清攝像設(shè)備的無人機系統(tǒng)，在火場惡劣的條件下依然能高效完成空中火情監(jiān)測偵察等任務(wù)，并在此過程中直觀反映森林火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展趨勢，同時第一時間將獲取的信息傳遞到地面滅火指揮中心，以確保及時制訂科學(xué)、合理的林火撲救方案。與其他類型的林火監(jiān)測方式相比，無人機監(jiān)測的安全性更高。

另外，無人機搭載滅火彈在森林滅火工作中的輔助效果也較為突出。針對一定范圍的森林初發(fā)火及小火，使用無人機能及時、準(zhǔn)確地進行定點投放，既能使火源強度得到明顯降低，又能為滅火人員爭取更多的滅火時間。特別是一些地勢較為陡峭的地區(qū)，車輛與人員難以進入，滅火工作難度大大增加。在這一情況下，可使用無人機搭載滅火彈處理，其撲救效果較為明顯，既能提升滅火人員滅火的安全系數(shù)，又能顯著降低滅火的綜合成本。另外，使用無人機開展夜間投彈滅火工作，更有利于鎖定撲救目標(biāo)，顯著提升滅火精度。此外，地面撲救工作人員到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場后，有利于及時撲滅投彈滅火之后的暗火、明火，進而顯著提升林火撲救的有效性。

3.3 災(zāi)后余火監(jiān)測

撲滅森林火災(zāi)之后，其余火依然靠消防人員現(xiàn)場留守進行清理，同時需嚴(yán)格做好巡查監(jiān)測工作。然而，如果火災(zāi)范圍較大，森林火災(zāi)形勢復(fù)雜，則余火清理難度往往較大。余火通常為陰燃，僅僅會產(chǎn)生少量的青煙或無煙，其隱蔽性較強。若僅憑人工巡邏清理，則大多只有等余火擴散之后才能發(fā)現(xiàn)。受到熱輻射等因素的影響，火場周圍較為干燥，稍有不慎，極易導(dǎo)致火情再次蔓延。撲滅林火之后，用無人機搭載紅外熱成像儀，能在空中準(zhǔn)確監(jiān)測火場的余火，并與全球定位系統(tǒng)相結(jié)合，直觀反映火場的熱值分布，進而得出火場的易燃區(qū)域。這不僅能為清理余火提供準(zhǔn)確的參考，顯著提升余火清理效率，而且能顯著降低余火清理的難度，明顯增強火場余火清理的安全性。

3.4 火災(zāi)調(diào)查及災(zāi)情評估

森林一旦起火，必須盡早開展火災(zāi)調(diào)查與災(zāi)情評估工作，特別是要盡早調(diào)查起火點及其產(chǎn)生的原因。然而，當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)時，火場非常危險，且難以接近，若使用常規(guī)手段接近火場開展調(diào)查工作，極易威脅工作人員的人身安全。在火災(zāi)發(fā)生之后，及時使用無人機及時對火災(zāi)進行調(diào)查，準(zhǔn)確監(jiān)測火場及其周邊環(huán)境，不僅能明顯縮小起火點的調(diào)查范圍，而且有可能會捕捉到縱火人員的活動軌跡。由此可見，使用無人機調(diào)查森林火災(zāi)，具有時效性與靈活性強、安全性高等特點，這些優(yōu)勢是其他常規(guī)手段無法比擬的。

就災(zāi)情評估而言，用無人機搭載圖像識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等多種新型測量技術(shù)，可以準(zhǔn)確測算火場面積、受災(zāi)林木種類等，使評估準(zhǔn)確性顯著提升。

4 強化無人機系統(tǒng)在森林防火中應(yīng)用的建議

4.1 強化無人機作業(yè)隊伍建設(shè)

為強化無人機的使用，應(yīng)構(gòu)建專業(yè)的團隊，以確保無人機在防火、滅火中的功能與作用得到充分發(fā)揮。首先，當(dāng)?shù)卣块T應(yīng)支持相關(guān)部門開展無人機專業(yè)人員引進、培訓(xùn)、制度建設(shè)等一系列工作，以提高森林防火、災(zāi)情監(jiān)測等工作效率與質(zhì)量。其次，確保無人機作業(yè)團隊的整體素質(zhì)。一般預(yù)防森林火災(zāi)需要全天候保持應(yīng)急狀態(tài)，為提升團隊工作效率與質(zhì)量，可以實施倒班制。同時，針對工作人員定期進行考核，既能提升工作人員的危機意識，又能顯著提升其素質(zhì)與綜合能力。

4.2 強化技術(shù)研發(fā)工作

4.2.1 硬件系統(tǒng)研發(fā)。一旦發(fā)生森林火災(zāi)，火勢往往會快速蔓延，同時溫度顯著升高，高溫炙烤空氣，會使空氣密度下降，進而導(dǎo)致熱氣快速上升。而塑料為無人機的主要材料，受到高溫作用的影響，塑料極易發(fā)生變形，同時其內(nèi)部的電子元件也會受到一定程度的影響，進而影響無人機運行的可靠性。因此，研發(fā)人員必須強化該系統(tǒng)的硬件研發(fā)工作。無人機系統(tǒng)的硬件主要包括機身、監(jiān)控探頭、信號收發(fā)裝置及螺旋槳等，積極改進無人機的硬件設(shè)備，在其中使用新型材料，確保無人機能耐受高溫。

4.2.2 軟件系統(tǒng)研發(fā)。軟件系統(tǒng)是無人機的重要組成部分。使用無人機檢查森林火情時，往往需要計算大量數(shù)據(jù)，還要及時向地面接收組傳送信息。一旦軟件系統(tǒng)出現(xiàn)問題，不僅無法及時向地面?zhèn)魉托畔ⅲ渥陨硪矘O易失控，進而無法保障巡檢工作的正常開展。因此，必須安排專業(yè)的研發(fā)工作人員與實際防火需求相結(jié)合，積極研發(fā)無人機的軟件系統(tǒng)。研發(fā)好軟件系統(tǒng)后，要反復(fù)對其進行測試，及時發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，并第一時間進行優(yōu)化，既能增強無人機軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能為高效開展森林防火工作提供有力保障。

4.3 構(gòu)建健全的管理系統(tǒng)

優(yōu)秀的人才與先進的設(shè)備均是高效開展森林防火工作的有力保障。然而，一旦缺少健全的管理制度，將導(dǎo)致所有要素均無法有效融合，同時會擾亂防火工作的正常開展，并導(dǎo)致無人機應(yīng)用效果不佳。因此，為提高無人機系統(tǒng)在森林防火工作中的應(yīng)用效果，相關(guān)單位必須結(jié)合實際防火需求構(gòu)建完善的管理制度，并嚴(yán)格據(jù)此開展無人機應(yīng)用工作，以顯著提升無人機的實際應(yīng)用效果。