無人直升機在森林防火中運用分析

閆向民

摘 要： 為解決傳統森林防火工作中存在的全天候監測能力不足、災情響應預測滯后問題，規避由防火不當引發的火災蔓延、損失加重問題，保障森林火災管控效能的提升，對無人直升機技術進行了深入系統研究。先簡要分析無人直升機在森林防火中的運用方向，然后歸納無人直升機森林防火運用策略，提出科學確定飛行高度、優化調整航行參數、提高飛行適應能力、提前開展飛行測試等建議，希望能為森林防火工作提供借鑒。

關鍵詞： 無人直升機 森林防火 巡護飛行 火情監測

中圖分類號： S762.3文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）04-0057-03

Analysis of the Application of Unmanned Helicopters in Forest Fire Prevention

YAN Xiangmin

Shibalibao Nature Reserve Station， Qilian Mountain Management and Protection Center of National Nature Reserve in Gansu Province， Wuwei， Gansu Province， 733109 China

Abstract： In order to solve the problems of the insufficient all-weather monitoring capability and lagging disaster response prediction in traditional forest fire prevention work， avoid the problems of fire spread and loss aggravation caused by improper fire prevention， and ensure the improvement of forest fire control efficiency， the article introduces unmanned helicopter technology and conducts in-depth and systematic research on it. This paper first briefly analyzes the application direction of unmanned helicopters in forest fire prevention， then summarizes available strategies for applying unmanned helicopters in forest fire prevention， and proposes suggestions such as scientifically determining flight altitude， optimizing and adjusting navigation parameters， improving flight adaptability and conducting flight tests in advance， hoping to provide reference for forest fire prevention work.

Key Words： Unmanned helicopter； Forest fire prevention； Patrol flight； Fire monitoring

森林是以喬木為主體，其他植物、動物、微生物相互制約、相互依存形成的自然生態系統，具有調節氣候、防風固沙、涵養水源等多種功能，是各國自然資源保護的重點對象。近年來我國經濟增速放緩，產業格局升級迭代趨勢明朗，雙碳政策、環保政策穩步推廣和實施，各地對于森林資源的保護力度明顯增強。如何提高森林經營防護效能，如何降低森林火災風險和隱患，成為了諸多建設者、管理者關注的焦點問題，有必要通過技術創新、設備更新提質增效。

1 無人直升機在森林防火中的運用方向

1.1 應用于巡護飛行

森林巡護是提高森林防火響應、優化森林防火效能的重要手段，傳統模式中多依賴人工完成巡護操作，巡護效果較好但人員工作負擔較重，容易出現巡護遺漏問題。而無人直升機可以搭載各類遙感設備和成像裝置，巡護效率更高、準確度更高。常見的巡護搭載設備包含以下幾項：（1）可見光相機。主要用于獲取地面影像情況，要求分辨率不低于1 920×1 080，幀率≥30 fps，采集到的數據可以實時傳送回監控中心，同時顯示曝光時刻的經緯度、高度、時刻等，方便森林管理人員及時發現地表火災隱患。（2）紅外熱成像相機。是監控火災火情的主要設備裝置，要求分辨率不小于640×480，探測距離大于500 m，且25 ℃環境下火情熱靈敏度小于50 mk，通常可以滿足-20～120℃范圍內的火災溫度預警。（3）多光譜成像相機。由于不同地物對電磁波的反射能力不同，因此在多光譜成像相機視角內，呈現出的色帶也會有所差異，憑借無人直升機搭載多光譜成像拍攝，能夠較好地發現異常問題，為森林火災監控預測提供依據。

1.2 應用于火情監測

1.3 應用于應急通訊

森林火災起火迅猛、蔓延極快，再加上所處地區較為偏遠，經常會發生通訊補償的情況，可能會阻礙火災指揮、火災調度信息的傳送，造成戰機貽誤等問題，此時還可以借助無人直升機實現火場的加強通訊，在無人直升機機上裝載短波、超短波等通信中繼設備，與指揮中心遠程建立連接，通過懸停、盤旋等方式保持信號暢通，保證現場救援和后方指揮之間的實時通訊。可搭載的通訊系統類型是十分多樣的，如IVSAT通信衛星系統，該系統設備簡單、體積輕便、組網靈活。系統內主要包含HUB主站、遠端小站IVSAT以及通信衛星，其中主站是整個系統的樞紐核心，裝配有3.5～ 8 mKu波段天線，或者7～13 mC波段天線，能夠在HPA高功率放大器、LNA低噪聲放大器等的支持下，完成與主計算機的連接。無人直升機上裝配的主要是遠端小站IVSAT，實際運行過程中遠端小站可以通過天線向衛星、主站傳送數據，通信效率極高。再如無線移動多媒體JoMobile機載圖傳系統，機載設備為遠端站，可以與消防指揮車載設備即中心站建立聯系，采用320、340 MHz超短波頻段，空中傳輸距離最大可到70 km。

1.4 應用于災情評估

森林火災的破壞性較大，災情實時變化較為迅速，需要進行動態化的數據監控和趨勢預測，傳統模式下由于缺乏必要的數據支持，很難保證預測效果，但無人直升機機動性強、支持全天候作業，完全可以為災情預測評估提供支持。應用環節要先搭建FARSITE模型，將現場可燃物因子、地形因子、氣象因子等輸入到模型當中去，與無人機遙感影像配合完成評估。其中氣象數據應當包含每日時10 m平均風向、10 m平均風速[2]，以及每日最高最低溫濕度、降水量等；地形數據應當包含林區坡度、坡向、緯度、海拔等，可以直接從林區GIS系統中下載DEM數據產品，做好圖層的鑲嵌和剪裁；可燃物因子則與林冠覆蓋度息息相關，覆蓋度較高說明林區植被茂密、濕度偏大，覆蓋度較低說明植被稀疏、易燃性較高。模型搭建完畢后與無人直升機采集的遙感圖像整合，即可獲得不同階段的火災蔓延趨勢分析結果。此外，火災過后往往需要進行專門性的資源清查和災情評估，實踐中也可以借助無人直升機進行清查評估，在非接觸前提下進行林間影像采集，統計林地、草地、湖泊沼澤各自的過火面積，統計不同過火區域的植被分布情況。

2 無人直升機在森林防火中的運用策略

為直觀說明無人直升機在森林防火中的運用策略，文章引入某混交森林防火巡護實操案例輔助闡述。案例森林廣布丘陵山地，海拔825.4～1 736.2 m，占地13 326 hm2，林內栽植有常綠闊葉樹種、針闊葉樹種等，植被覆蓋率達到86%以上。下面對案例林區的無人直升機森林防火巡航操作要點進行梳理歸納。

2.1 提高飛行適應能力

當前可用的無人直升機類型規格較為多樣，要結合森林防火巡護的實際需求進行比較和選擇，切實提高無人直升機的飛行適應能力。用于防火巡護的無人直升機通常的巡護載荷不能小于1 500 g，以便搭載可見光相機、紅外成像儀等，抗風能力應當大于6級，要能夠保證飛行姿勢、飛行高度、飛行速度的穩定靈敏控制。對于海拔高度在1 500 m以上，工作環境溫度在-20～40℃范圍內的林區，無人直升機的單架次續航時間應當滿足要求，多旋翼一般需要大于40 min[3-4]。為提高無人直升機森林防火巡護的機動性和靈活性，直升機設備應當滿足自主設置巡護航線的功能，要按照系統既定的航跡完成巡回監控任務和圖像采集任務，圖像質量和數量均要符合設計要求，對于地面監控站發出的實時遙控指令，無人直升機也必須響應及時，能夠自主完成數據的接收和存儲。

2.2 科學規劃任務航線

無人直升機正式應用環節，需要著重做好航線的規劃，要提前根據巡護任務確定目標區域，在遙感影像圖、地形圖上做好標記，通過疊加操作明確巡護區域分界線坐標位置、海拔高程點等，完成無人直升機巡護底圖的繪制。然后根據森林火險的常發形式，確定航線的具體類型，常見的包括點狀、蛇形、環形、條帶狀等，注意多臺無人直升機同時航行作業時，航向重疊度不要少于53%，旁向重疊度不要少于15%，以此確保巡護全覆蓋[4]，避免出現巡護死角。注意起降點要優先選擇平坦區域，大風、暴雪、暴雨等惡劣天氣下嚴禁使用無人直升機巡航。規劃確定的任務航線應當全面覆蓋林內可燃物，最好采用多元數據采集裝置，如可見光相機、熱成像相機、多光譜成像相機等。發現疑似火點、煙點后，無人直升機要及時傳回相關的位置信息、影像信息、時間信息等，輔助工作人員判別評估。

2.3 優化調整航行參數

航行參數對火情監測的效果影響較大，因此使用無人直升機進行森林防火巡護時，還應當優化調整航行參數，確保航行任務的高質量達成。要特別關注飛行速度問題，對于多旋翼直升機來說，飛行速度一般不宜大于5 m/s。飛行高度同樣會影響無人直升機作業效能，若林區地形較為平坦，直升機可以適當低飛以采集清晰影像，若地形起伏較大，則要及時變高飛行，安全高度通常為距地面100 m，也要防止飛行過低造成的影像錄入不全的問題。操作無人直升機的駕駛員應當通過專門的資格認證，且熟悉林區范圍內的地形地勢情況、林業資源分布情況，每日連續操作巡護時間不能超過6 h。森林過火后地物色彩以灰黑色為主，組織巡護要盡量選在早9點至下午3點時間段內，此時的光照強度較大，采集到的影像質量相對更高。

2.4 提前開展飛行測試

森林火災危害大且蔓延迅速，實際操作過程中還應做好前期飛行測試工作，本次共設置了3項測試內容，其中“地面測試”的主要目的是評估無人直升機操控性能，確保其外觀完好、零構件運行正常，不會出現異常振動、異常噪聲問題。“通信能力測試”的主要目的是評估無人直升機的通信能力，看其是否能夠適應林區地形、風場，能否克服林區遮擋物帶來的干擾問題，能否在保持穩定飛行的同時完成數據的高質量傳輸。在前述測試完成的基礎上，還需要進行專門的“任務演示飛行測試”。對于護林巡護飛行任務來說，作業半徑通常在200～300 km范圍內，因此可以在100 km范圍內進行任務演練飛行[5]，集成測試無人直升機的飛行表現，并找出其中的異常問題進行糾正和調整，為后期的森林火災巡護提供支持。

3 結語

綜上所述，無人直升機具有操作簡便、機動靈活的顯著優勢，應用于森林防火工作中，能夠有效提高火情監控效能，為火災防控和搶險救援提供依據，實踐中務必要給予充分重視。要積極探索遙感監控技術、GIS技術、GPS技術等融合應用的可能性，切實提高無人直升機定位巡護能力，使其更好地服務于火情監測、應急通訊和災情評估。同時在飛行監測中科學規劃任務航線、科學確定航行速度等參數，做好試飛調整工作，為森林防火效能的優化奠定堅實基礎。

參考文獻

[1]李喜慶.基于無人機遙感的森林參數信息提取研究進展[J].林業科技情報，2023，55（2）：177-180.

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[3]邢建武.無人直升機在南方林區森林防火中的應用研究[J].林業調查規劃，2022，47（4）：96-101.

[4]李攀，劉維，寧銳，等.浮空通信中繼平臺在森林消防隊伍指揮通信中的應用研究[J].中國電子科學研究院學報，2021，16（1）：68-71.

[5]梅蓉.森林環境下的無人直升機安全飛行控制[J].上海交通大學學報，2020，54（9）：994-999.