無人機(jī)系統(tǒng)在甘肅省洮河自然保護(hù)區(qū)森林防火中的應(yīng)用現(xiàn)狀及對(duì)策

呂林俊

摘 要 洮河自然保護(hù)區(qū)位于生態(tài)脆弱的甘肅省，其森林防火預(yù)警任務(wù)對(duì)維護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)穩(wěn)定至關(guān)重要，而無人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)成為這一任務(wù)中不可或缺的工具。無人機(jī)的高度機(jī)動(dòng)性使其能夠應(yīng)對(duì)多樣的地形，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集方面提供了支持。然而，無人機(jī)系統(tǒng)也面臨續(xù)航能力、飛行控制精度、荷載能力和穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)，為克服這些問題，提高無人機(jī)系統(tǒng)在洮河自然保護(hù)區(qū)的應(yīng)用效果，提出改進(jìn)續(xù)航技術(shù)、提高飛行控制精度、增加有效荷載和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方法。

關(guān)鍵詞 森林防火；無人機(jī)系統(tǒng)；甘肅省洮河國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)

中圖分類號(hào)：S762.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.20.014

火災(zāi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)造成的破壞通常是毀滅性的。作為甘肅省生態(tài)系統(tǒng)的重要護(hù)衛(wèi)者之一，洮河自然保護(hù)區(qū)有著保護(hù)和維護(hù)其豐富的生物多樣性和森林資源的使命。近年來，無人機(jī)技術(shù)已成為完善森林防火預(yù)警和火災(zāi)應(yīng)對(duì)的有力工具。無人機(jī)系統(tǒng)不僅提供了高度機(jī)動(dòng)性以適應(yīng)多樣地形，還通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集，提供了多樣性的信息支持，包括數(shù)據(jù)采集、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、輔助滅火和災(zāi)后余火監(jiān)測(cè)，這些都是確保森林防火高效管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，無人機(jī)系統(tǒng)在森林防火預(yù)警的應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)，如續(xù)航能力、飛行控制精度、荷載能力和穩(wěn)定性等方面的限制。

1 無人機(jī)系統(tǒng)在洮河自然保護(hù)區(qū)森林防火中的應(yīng)用

1.1 高度機(jī)動(dòng)性

洮河自然保護(hù)區(qū)是甘肅省重要的自然生態(tài)保護(hù)區(qū)，其豐富的森林資源對(duì)于維持生態(tài)平衡和地區(qū)居民的生計(jì)至關(guān)重要。然而，這一地區(qū)也面臨頻繁的森林火災(zāi)威脅，為更好地應(yīng)對(duì)此挑戰(zhàn)，無人機(jī)系統(tǒng)在洮河自然保護(hù)區(qū)的森林防火預(yù)警和監(jiān)測(cè)方面扮演著日益重要的角色[1]。洮河自然保護(hù)區(qū)的地形復(fù)雜多樣，包括山脈、丘陵、濕地和河流等，傳統(tǒng)的森林防火監(jiān)測(cè)方式難以應(yīng)對(duì)這種挑戰(zhàn)。無人機(jī)系統(tǒng)的高度機(jī)動(dòng)性賦予其在這一地區(qū)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，使無人機(jī)能夠在迅速發(fā)現(xiàn)潛在火災(zāi)威脅的同時(shí)，覆蓋更廣泛的區(qū)域[2]。

1.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集

無人機(jī)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集的能力，這在森林防火中至關(guān)重要。無人機(jī)配備了各種傳感器，包括紅外熱像儀和高分辨率相機(jī)，可以用于檢測(cè)火源、監(jiān)測(cè)火勢(shì)的擴(kuò)散和識(shí)別潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)區(qū)域[3]。這些傳感器能夠在火情初期探測(cè)到微小的火源，提供了寶貴的時(shí)間窗口，使防火部門能夠及早采取行動(dòng)。表1體現(xiàn)了無人機(jī)系統(tǒng)對(duì)洮河自然保護(hù)區(qū)某次初期火情的快速識(shí)別能力。

1.3 提高數(shù)據(jù)采集的多樣性

無人機(jī)系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)多樣化的數(shù)據(jù)采集，包括溫度、濕度、風(fēng)速、大氣質(zhì)量和空氣組分等環(huán)境數(shù)據(jù)。這種多維度數(shù)據(jù)的收集不僅有助于全面地了解火情，還能夠提供更多信息，以便更好地制訂應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃。例如，溫度和濕度數(shù)據(jù)可以幫助預(yù)測(cè)火勢(shì)的發(fā)展趨勢(shì)，而大氣質(zhì)量數(shù)據(jù)則對(duì)防火人員的健康和安全至關(guān)重要。

1.4 災(zāi)情監(jiān)測(cè)及輔助滅火

一旦發(fā)生火情，無人機(jī)系統(tǒng)可以迅速介入并發(fā)揮作用[4]。它們可以提供災(zāi)情監(jiān)測(cè)，以幫助消防人員更好地了解火勢(shì)的發(fā)展，指導(dǎo)滅火行動(dòng)的實(shí)施。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸使指揮中心能夠迅速做出決策，將資源分配到最需要的地方。無人機(jī)還可以用于輔助滅火，通過攜帶水箱或火霧劑，從空中對(duì)火源進(jìn)行針對(duì)性撲滅，有效降低滅火難度和危險(xiǎn)性[5]。

2017年，洮河自然保護(hù)區(qū)引入高精度地理定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能巡檢，有效管理森林防火系統(tǒng)。無人機(jī)系統(tǒng)通過在線巡檢和風(fēng)險(xiǎn)防控平臺(tái)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和收集數(shù)據(jù)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)火點(diǎn)并上傳信息，從而快速應(yīng)對(duì)火災(zāi)。2018年7月15日，無人機(jī)系統(tǒng)配備的地理定位信息顯示，卓尼縣白隆崗等3處存在森林火災(zāi)隱患點(diǎn)，并發(fā)現(xiàn)了小面積的森林火災(zāi)。森林防護(hù)員利用地理定位設(shè)備迅速標(biāo)注著火點(diǎn)，并通過智能化巡檢平臺(tái)上傳相關(guān)信息。智能化網(wǎng)聯(lián)森林防護(hù)預(yù)警平臺(tái)及時(shí)接收這些標(biāo)注的著火點(diǎn)，結(jié)合地理信息分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，調(diào)集森林防火員進(jìn)行隔離控制和早期撲滅，有效遏制了火勢(shì)的蔓延，防止了火災(zāi)的擴(kuò)大（表2）。

1.5 災(zāi)后余火監(jiān)測(cè)

無人機(jī)可以用于評(píng)估火災(zāi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響，通過捕捉受損植被的圖像，幫助科學(xué)家和生態(tài)學(xué)家了解火災(zāi)的影響，為制定后續(xù)的生態(tài)修復(fù)計(jì)劃提供支持。這對(duì)于保護(hù)洮河自然保護(hù)區(qū)的生態(tài)平衡至關(guān)重要，有助于快速恢復(fù)受損的生態(tài)系統(tǒng)。

2 存在的問題

2.1 續(xù)航能力不足

洮河自然保護(hù)區(qū)地域廣闊，因此需要長(zhǎng)時(shí)間的巡視和監(jiān)測(cè)。然而，許多商用無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間相對(duì)有限，通常在0.5～2.0 h，這在面對(duì)大面積森林地區(qū)時(shí)稍顯不足。

2.2 飛行控制精度不足

在洮河自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行森林防火預(yù)警和監(jiān)測(cè)時(shí)，無人機(jī)的飛行控制精度至關(guān)重要。不足的飛行控制精度可能導(dǎo)致多種問題，包括定位誤差、避障失敗等。定位誤差可能阻礙無人機(jī)準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置，從而影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性。同時(shí)，森林內(nèi)地形復(fù)雜，障礙物類型多，不足的飛行控制精度可能導(dǎo)致無人機(jī)與這些障礙物發(fā)生碰撞，危及飛行安全和設(shè)備完整性。

2.3 荷載不足

不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)需要不同類型的傳感器和荷載設(shè)備，而有些無人機(jī)的荷載能力有限，無法滿足多樣化的監(jiān)測(cè)需求。在洮河自然保護(hù)區(qū)的森林防火預(yù)警中，可能需要搭載各種傳感器，如紅外熱像儀、高分辨率相機(jī)、氣象傳感器和滅火裝置。而荷載不足可能引發(fā)多種問題，包括數(shù)據(jù)采集限制、面積覆蓋不足及任務(wù)多樣性受限。有限的荷載能力限制了無人機(jī)攜帶傳感器、相機(jī)和其他設(shè)備的種類和數(shù)量，影響了數(shù)據(jù)采集的多樣性和質(zhì)量。同時(shí)，由于荷載不足，無人機(jī)可能需要頻繁返回基地以更換電池，限制了監(jiān)測(cè)范圍的覆蓋面積。而無法滿足不同任務(wù)需求的荷載能力也限制了無人機(jī)的多功能性。

2.4 穩(wěn)定性不足

在強(qiáng)風(fēng)等惡劣天氣條件下，無人機(jī)的穩(wěn)定性可能受到影響，降低了其在這些天氣條件下的可用性。不足的穩(wěn)定性可能導(dǎo)致多種問題，如飛行不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集質(zhì)量下降及操控困難。

3 應(yīng)對(duì)策略

3.1 改進(jìn)續(xù)航技術(shù)

延長(zhǎng)飛行時(shí)間可以確保無人機(jī)更長(zhǎng)時(shí)間地保持在監(jiān)測(cè)區(qū)域，及時(shí)檢測(cè)潛在的火源或火勢(shì)。1）采用更高容量的電池技術(shù)，以提高無人機(jī)的續(xù)航時(shí)間。通過研發(fā)新一代電池技術(shù)、提高能量密度和充電效率實(shí)現(xiàn)。另外，考慮使用可充電燃料電池等先進(jìn)能源技術(shù)，以進(jìn)一步延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。2）優(yōu)化飛行路徑規(guī)劃，以減少能量消耗。采用智能路徑規(guī)劃算法，優(yōu)化無人機(jī)的巡視路徑，以避免不必要的飛行，從而減少能源消耗。3）引入太陽能充電裝置，在飛行過程中為無人機(jī)充電。

3.2 提高飛行控制精度

1）使用先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，如差分GPS或慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，提高無人機(jī)的飛行控制精度。這些系統(tǒng)可以提供更準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)信息，使無人機(jī)能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜地形。2）引入遙感技術(shù)，如激光雷達(dá)或立體視覺系統(tǒng)，提高對(duì)地形的感知能力。這可以幫助無人機(jī)更好地避開障礙物，確保飛行的穩(wěn)定性。3）提供專門的培訓(xùn)和認(rèn)證體系，確保操作員具備高水平的飛行技能，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地形和氣象條件。

3.3 增加有效荷載

改進(jìn)無人機(jī)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，采用輕質(zhì)材料、更強(qiáng)大的電機(jī)，創(chuàng)新機(jī)身設(shè)計(jì)，以提強(qiáng)其有效荷載能力；發(fā)展模塊化的荷載系統(tǒng)，使其能夠根據(jù)不同任務(wù)的需求進(jìn)行快速更換和升級(jí)，以提高無人機(jī)的多功能性，適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)需求；研究和開發(fā)更高效的傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，以減小其體積和重量，從而減輕無人機(jī)荷載的負(fù)擔(dān)。

3.4 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性

1）引入飛行穩(wěn)定性增強(qiáng)技術(shù)，如更高級(jí)的飛行控制系統(tǒng)和自穩(wěn)定裝置，幫助無人機(jī)在不穩(wěn)定的氣象條件下保持穩(wěn)定飛行，減少外部不穩(wěn)定因素對(duì)飛行的影響。2）提供實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)和風(fēng)速警報(bào)系統(tǒng)，使操作員能夠更好地規(guī)劃和調(diào)整飛行任務(wù)，以適應(yīng)不同氣象條件。3）開展系統(tǒng)可靠性測(cè)試和維護(hù)，確保無人機(jī)的各個(gè)部件和系統(tǒng)都處于良好狀態(tài)，減少飛行中可能出現(xiàn)的問題。

4 結(jié)語

無人機(jī)系統(tǒng)在洮河自然保護(hù)區(qū)多樣的地形中展現(xiàn)了出色的機(jī)動(dòng)性，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集，提供了關(guān)鍵的信息支持，包括數(shù)據(jù)采集、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、輔助滅火和災(zāi)后余火監(jiān)測(cè)。盡管面臨續(xù)航能力不足、飛行控制精度不足、荷載限制和穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)，但改進(jìn)續(xù)航技術(shù)、提高飛行控制精度、增加有效荷載和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方式可以解決這些問題。通過不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，無人機(jī)系統(tǒng)將繼續(xù)在森林防火管理中發(fā)揮重要作用，有助于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，并為可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

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