無人機技術在森林火災監測與預防中的應用研究

作者簡介：

談文偉（1981— ），男，漢族，重慶人，本科，林業高級工程師，研究方向：森林火災預防與撲救安全。

摘要：

在全球氣候變化背景下，森林火災形勢日趨嚴峻，傳統的人工瞭望和地面巡查方式已難以滿足現代森林防火需求。無人機技術憑借機動靈活、低空飛行、實時傳輸等優勢，在森林火災監測與預防中發揮重要作用。本文基于重慶市南川區林業局案例，闡述了無人機技術在火災監測、火情巡查、火源管控等方面的應用成效，探討了無人機與地面監測系統協同機制，提出智能化、多功能集成、低成本高效能的技術發展方向。通過無人機技術的創新應用，提升了森林火災預警能力和防控效能，為構建現代化森林防火體系提供技術支撐。

關鍵詞：無人機技術；森林火災；監測預防；火源管控

引言

森林火災具有突發性強、破壞性大、防控難度大等特點，嚴重威脅森林生態系統安全。全球氣候異常加劇導致高溫、干旱、大風等極端天氣頻發，森林火險等級持續攀升，火災防控形勢趨于復雜化。地面瞭望和人工巡查等傳統監測手段在覆蓋范圍、實時性和人力成本等方面存在明顯局限。無人機技術的快速發展為森林火災防控開辟新途徑，其低空懸停、遠程遙控、多源感知等特點在火情監測、火源管控和應急處置等領域展現出顯著優勢。

一、森林火災監測的無人機技術變革

隨著森林資源保護要求不斷提高，傳統的地面巡護和瞭望塔監測模式已顯示出明顯的局限性，主要表現在監測覆蓋范圍受限、實時性不足、人力成本高昂等方面。無人機技術作為新型智能化監測手段，具備低空懸停、遠程遙控、多源感知等技術優勢，能夠突破地形限制，實現對林區的立體化監測。搭載高清可見光相機、紅外熱成像儀等多光譜傳感設備的無人機系統，可在復雜地形條件下開展全天候巡查，實現對火情隱患的精確識別與定位。結合5G通信技術和人工智能算法，無人機能夠完成對火場態勢信息的實時回傳與智能分析，為指揮決策提供科學依據。同時，無人機系統可與地面監測站、氣象監測設備等協同工作，構建多維度監測網絡，提升火情預警的準確性。在全球氣候變化加劇、極端天氣頻發的背景下，森林火災防控形勢日益嚴峻[1]，無人機技術的引入已成為提升監測預警能力、構建現代化森林防火體系的重要支撐，對推進森林火災防控工作科技化、智能化、精準化具有重要的實踐意義。

二、空地協同的火源智能防控

無人機技術為火源管控提供了新型技術手段，通過構建空地一體化監控網絡，實現對重點區域、違規行為和特殊時段的精準管控。南川區林業局創新運用無人機技術，建立了覆蓋全區的火源管控體系，顯著提升了火源管理效能，為森林防火工作提供了有力支撐。

（一）重點區域巡查

無人機系統在重點區域巡查中具備機動靈活、覆蓋范圍廣等優勢，通過搭載高清可見光相機和紅外熱成像設備，可快速識別地表異常溫度點，實現對可疑火源的及時發現。系統采用多光譜融合技術，結合深度學習算法，能夠在復雜地形條件下準確識別煙霧、明火等火險征兆。無人機巡查數據通過5G網絡實時回傳至監控中心，經過智能分析系統處理后，可自動生成火險隱患分布圖，為應急處置提供精準定位信息[2]。南川區林業局在實踐中積極探索“空中+地面”立體巡查模式，在金佛山、南平鎮等重點林區部署無人機定期巡查，實現對239.6萬畝林地的網格化覆蓋。通過建立無人機巡查標準化操作流程，規范巡查路線設計、數據采集和分析等環節，提升巡查工作效率。無人機系統與地面監測站協同配合，構建了全方位監測預警網絡。2023年共發現并及時處置火險隱患點47處，其中重點區域發現率較傳統巡查方式提升85%，有效減少了森林火災風險。

（二）違規用火行為監管

無人機系統通過高空巡查，可有效震懾和發現違規用火行為，配備的高分辨率光學相機和紅外成像設備，能夠全天候采集違規現場影像證據。系統采用目標檢測和行為識別算法，可自動分析監控畫面中的可疑用火活動，包括農事用火、祭祀用火、野外施工用火等。無人機搭載的圖傳設備支持4K超高清視頻實時回傳，確保執法取證的有效性。南川區林業局創新采用“南川林火治理”微信小程序與無人機系統聯動，構建了違規用火行為快速發現、及時處置的閉環管理機制。在日常巡查中，無人機系統根據歷史數據自動識別高發區域，優化巡查路線。2023年春季防火期間，通過無人機巡查，共發現農事用火、祭祀用火等違規行為85起，及時制止73起，行政處罰12起，處罰到位率達100%，同比上年違規用火行為下降32%。建立違規用火數據庫，對違規行為進行時空分布分析，為優化管控策略和落實網格化管理提供數據支持，實現了對違規用火行為的精準打擊和科學防范。

（三）重點時段火源監控

在清明祭掃、春耕備耕等重點時段，無人機系統通過增加巡查頻次和密度，實現對重點區域的立體化監控。系統配備的高性能熱成像設備可在夜間和低能見度條件下持續工作，彌補了傳統監控手段的局限性。無人機管控平臺集成氣象數據分析功能，根據火險等級自動調整巡查策略，在高火險天氣時段加密監控頻次。南川區林業局針對重點時段火源管控特點，制定了無人機應急值守機制和協同作戰方案。在2024年春節期間，在全區35個重點區域同步開展火源監控，實現了對重點區域的全覆蓋監測。無人機系統與地面監控設備聯動配合，形成了多層次的立體防控網絡。通過無人機實時回傳的監控數據，指揮中心快速鎖定可疑火源位置，及時發現并處置了3起較大火險隱患，組織疏散祭掃群眾200余人。同時，基于無人機監控數據，建立了重點時段火險預警模型，提升了預警的準確性和時效性[3]。實踐表明，無人機技術的應用顯著提升了重點時段火源監控的智能化、精準化水平，為森林防火工作提供了有力保障。

三、多維感知的監測體系構建

森林火災防控工作要求建立全方位、多層次的監測預警體系。南川區林業局創新構建“空天地一體化”協同監測模式，通過建立信息共享機制、數據融合機制和聯動處置機制，實現了對監測資源的優化配置和防控效能的整體提升，為森林防火工作提供了科學化、規范化的技術支撐。

（一）信息獲取與傳輸

協同監測機制以林火監測信息化平臺為核心，構建了“空中巡航+地面監控+視頻軌跡”三維感知體系。在信息采集環節，建立分區域、分層次的信息節點布局，實現監測數據的網格化覆蓋。系統通過智能化平臺，將無人機采集的動態監測數據與地面固定監測點位的靜態數據進行關聯整合，建立了全域監測數據資源池。南川區林業局在此基礎上創新開發了智能化協同調度系統，實現了無人機與地面設備的聯動采集。平臺設計了自適應帶寬分配機制，確保在山區復雜地形條件下的數據傳輸穩定性。在信息傳輸環節，采用分布式存儲技術和數據壓縮算法，有效降低了數據傳輸負載。在2024年1月的森林防火演練中，系統成功實現了跨區域、多設備的協同監測，監測數據平均上傳時延降至0.8秒，信息共享效率提升63%。通過建立協同監測機制，系統突破了傳統監測手段中的信息壁壘，實現了對監測數據的全時段、全要素、全過程采集與共享。

（二）數據分析與處理

協同監測體系建立了分布式數據處理中心，采用“邊緣計算+云端協同”的混合架構，提升了數據處理效能。在數據融合環節，系統通過自主研發的多源數據融合算法，實現了對無人機遙感數據、地面監測數據、氣象水文數據的智能化整合。數據處理平臺設計了分層分級的數據清洗機制，建立了數據質量評估體系，確保數據分析的準確性。南川區林業局基于該系統構建了森林火險智能評估模型，引入機器學習算法[4]，實現了對火險因素的動態量化評估。系統根據歷史數據和實時監測數據，構建了包含地形、植被、氣象等多維度的評估指標體系，在數據分析基礎上劃分了火險等級分區，制定了差異化防控策略。在2024年春季防火期間，系統處理監測數據86TB，生成火險預警信息168條，預警準確率達到94.7%，較傳統單一監測模式提升了25個百分點。通過深化數據分析應用，系統自動生成了重點區域火險態勢周報。

（三）應急指揮與決策

協同監測體系構建了“一平臺、多終端”的扁平化指揮架構，實現了區、鎮、村三級聯動指揮。系統設計了智能化預案推送功能，根據不同火險等級自動匹配處置方案，提升應急響應效率。指揮平臺采用模塊化設計，集成了態勢分析、資源調度、通信指揮等功能模塊，實現了指揮決策的一體化管理。南川區林業局在此基礎上開發了移動指揮終端，配備北斗定位和增強現實技術，支持現場指揮人員進行實時態勢標繪和資源調度。系統建立了分級授權機制，確保各層級指揮人員在權限范圍內高效處置突發情況。在指揮流程上，創新采用“預置指令+動態調整”的混合指揮模式，提高了應急處置的靈活性。在2024年2月的一次應急演練中，系統實現了12分鐘內完成跨區域力量調度，較傳統指揮模式提速65%。通過協同指揮機制的運用，構建了“預警、響應、處置、總結”的閉環指揮體系。

四、無人機防火技術的創新升維

隨著森林火災預防需求的不斷增長，無人機技術呈現智能化、多功能化、低成本、高效能化的發展趨勢。新一代無人機系統在智能決策、功能集成和成本效益等方面取得顯著突破，推動森林火災預防工作向更高水平邁進。通過技術創新與實踐應用的深度融合，無人機在森林火災預警、火源管控和應急處置等領域的應用價值將進一步凸顯。

（一）智能化趨勢發展

無人機系統智能化發展以深度學習和計算機視覺技術為核心，構建智能感知與自主決策能力。基于深度神經網絡的火情識別算法實現對煙霧、明火的精準檢測，識別準確率達95%以上。智能航線規劃系統能根據地形特征和氣象條件自動優化巡航路徑，提升巡查效率。搭載邊緣計算模塊的新型無人機可在機載端完成圖像實時分析，降低數據傳輸負載。自適應控制系統支持無人機在復雜氣象條件下保持穩定飛行，擴展了預防監測時間窗口。人工智能輔助決策系統基于歷史數據分析，為火險預警提供科學依據，提升預警的準確性和時效性。基于深度強化學習的飛行控制系統使無人機具備自主避障和路徑規劃能力，確保在復雜環境下安全飛行。

（二）多功能集成發展

無人機系統通過多功能模塊集成，實現監測預防能力的全面提升。高光譜成像系統結合可見光、紅外和近紅外傳感器，構建林區植被健康評估體系。激光雷達測繪模塊能夠實現對林區地形的三維建模，為火災蔓延態勢分析提供地理信息支撐。氣象監測裝置能夠采集溫度、濕度、風速等環境參數，建立火險指數評估模型。通信中繼功能支持山區復雜地形條件下的數據傳輸，實現對監測信息的實時共享[5]。模塊化設計理念使無人機系統具備良好的擴展性，可根據實際需求，靈活配置功能模塊，適應多樣化的預防監測場景。應急通信系統具備4G/5G網絡自適應切換功能，保障信息傳輸的穩定性。多光譜遙感系統支持植被覆蓋度和生長狀況評估，為火險預測提供基礎數據。聲光預警裝置可對發現的火險隱患進行現場警示，提高預警效果。

（三）低成本、高效能發展

無人機系統通過技術創新和結構優化，實現高性能與低成本的統一。采用輕量化復合材料降低機體重量，提升續航能力。電池管理系統能夠優化充放電策略，延長使用壽命。標準化生產工藝能夠降低制造成本，提升產品性價比。模塊化維護設計能夠降低維護難度和成本，提高系統的可靠性。集群協同技術支持多機協作，擴大監測覆蓋范圍，提升監測效率。智能調度平臺能夠優化資源配置，降低運營成本。通過成本控制與效能提升并重的發展策略，推動無人機技術在森林火災預防領域的規模化應用。新型電機系統能夠提高能源利用效率，實現長時間續航。一體化設計節省了零部件數量，減少了故障點。智能電源管理系統實現了能源的按需分配，延長工作時間。

結語

無人機技術在森林火災監測與預防中構建了空地一體化立體監測防控體系。通過深度學習、多光譜感知、邊緣計算等技術的綜合運用，提升了火情識別的準確性和監測預警的時效性。智能化、多功能集成、低成本、高效能的技術發展趨勢，推動無人機在森林防火領域實現了規模化應用。持續深化無人機技術創新與實踐應用的融合，優化預警監測和火源管控機制，強化與地面監測系統的協同作用，為提升森林火災防控能力、保障森林資源安全提供有力支撐。

參考文獻

[1]劉英堯.無人機技術在消防救援中的效能及應用研究[J].森林防火，2023，41（04）：139-143.

[2]魏愛萍，趙福龍.無人機在森林防火領域的應用及未來發展[J].農業技術與裝備，2021（10）：115-116.

[3]薛文秀，薛文靜，孫峰.淺談無人機在森林防火中的應用[J].現代農村科技，2022（06）：105-106.

[4]李光星.森林滅火實戰中無人機技術的應用[J].科技創新與應用，2022，12（01）：135-137.

[5]樊野.無人機技術在消防通信中的應用研究[J].設備管理與維修，2023（22）：95-97.