無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火方面的應(yīng)用分析

吳敏高+劉甫興+陸克宇

摘 要 森林是人類生存不可或缺的一部分，它美化了人類居住環(huán)境的同時(shí)，還為人類特供了生活和生存所需的寶貴資源。但火災(zāi)對(duì)森林的危害是極其嚴(yán)重的，其發(fā)生具有隨機(jī)、不確定性，來(lái)勢(shì)兇猛，發(fā)展迅速。傳統(tǒng)的防火方式需要浪費(fèi)大量的人力物力，且防護(hù)效果不理想。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)的發(fā)展迅速，它具有無(wú)人駕駛、監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)、機(jī)動(dòng)靈活和可24 h不間斷進(jìn)行監(jiān)測(cè)等方面的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的森林防火方式的不足。因此，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火方面非常值得應(yīng)用和推廣。基于此，闡述無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火方面的應(yīng)用及其發(fā)展。

關(guān)鍵詞 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)；森林防火；森林維護(hù)

中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.36.023

森林與人們的生活息息相關(guān)，它是人類賴以生存的重要資源之一。在森林的維護(hù)工作中，防火又是重中之重。但在我國(guó)，森林防火存在氣候地理環(huán)境復(fù)雜多變的不利因素和火源不易確定、可燃物超載、防控能力薄弱的困難。目前，在我國(guó)仍然采用派遣人員實(shí)地巡邏這種浪費(fèi)人力、落后的森林防火維護(hù)方式，一旦火災(zāi)來(lái)臨，就顯現(xiàn)出難以準(zhǔn)確找到起火點(diǎn)和觀測(cè)火勢(shì)發(fā)展等方面的弊端。雖然有的地區(qū)投入了航空的監(jiān)測(cè)方法，但這種方法需要有人員駕駛操作，這需要投入巨大的人力財(cái)力，且拍攝的圖像精度、分辨率難以達(dá)到森林防火的要求，而且這種方法極易受天氣氣候因素影響，對(duì)于小的林區(qū)更是大材小用，浪費(fèi)人力和資源。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用，很大地彌補(bǔ)了這些方面的不足，它具有操作方便、影像實(shí)時(shí)傳輸、續(xù)航能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)、和24 h不間斷進(jìn)行監(jiān)測(cè)等方面的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火方面非常值得應(yīng)用和推廣。

1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)概況

首先，要了解無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的工作原理，才能更好地開展無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火方面的應(yīng)用工作。

1.1 簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)就是沒(méi)有駕駛?cè)藛T的飛行器，傳統(tǒng)的定義上把這樣的飛行器稱作靶機(jī)，無(wú)人機(jī)是其俗稱。無(wú)人機(jī)由無(wú)人靶機(jī)、無(wú)人駕駛飛機(jī)和遙控飛行器三部分組成，能夠在脫離人員的駕駛情況下，依據(jù)實(shí)際情況，自主控制或和地控人員合作的半自控模式完成任務(wù)。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)地面控制系統(tǒng)或控制站、飛行器、有效載荷及數(shù)據(jù)鏈路、有效載荷、發(fā)射及回收系統(tǒng)、地面處理和維護(hù)系統(tǒng)等。

1.2 工作原理

無(wú)人機(jī)在監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的系統(tǒng)可以歸納為三大部分，即機(jī)載飛行系統(tǒng)、機(jī)載控制系統(tǒng)、地面處理系統(tǒng)，這三個(gè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合、相互配合，協(xié)調(diào)地完成無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火方面的工作[1]。

1.2.1 機(jī)載飛行系統(tǒng)

機(jī)載飛行平臺(tái)包括機(jī)體、控制器、傳感器、執(zhí)行器、CCD和無(wú)限通信等單元部件。在森林防火中，其主要任務(wù)是確保整個(gè)無(wú)人機(jī)森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，是無(wú)人機(jī)森林防火系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而地面監(jiān)測(cè)控制平臺(tái)負(fù)責(zé)記錄無(wú)人機(jī)飛行軌跡、飛行位置和姿態(tài)的信息，存儲(chǔ)和輸出無(wú)人機(jī)拍攝傳回地面的圖像數(shù)據(jù)，上傳由地面控制平臺(tái)發(fā)出的指令，變更無(wú)人機(jī)的飛行軌跡或方向。它的主要單元部件有：監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)、遙控器和無(wú)線通訊系統(tǒng)等[2]。

1.2.2 機(jī)載控制系統(tǒng)

機(jī)載飛行平臺(tái)的設(shè)計(jì)受機(jī)載控制系統(tǒng)的影響，就森林防火系統(tǒng)中的無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，其機(jī)身的載重量很輕，它不但要承載機(jī)載控制系統(tǒng)，還要承載無(wú)線通訊設(shè)備和監(jiān)測(cè)儀器等，這就要求相關(guān)的硬件要具備體積小、重量輕、能耗低等特點(diǎn)。此外，設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮抗干擾能力、系統(tǒng)升級(jí)等問(wèn)題。應(yīng)用于森林防火系統(tǒng)的無(wú)人機(jī)的機(jī)載控制系統(tǒng)，除了要有傳感器、執(zhí)行器、控制器外，還要有具有CCD攝像頭以及配件的圖像模塊來(lái)向地面發(fā)回圖像或相關(guān)的數(shù)據(jù)。

1.2.3 地面處理系統(tǒng)

地面處理系統(tǒng)的主要組成部分為數(shù)傳、圖傳電臺(tái)，遙控發(fā)射器、數(shù)據(jù)處理器和計(jì)算機(jī)。數(shù)傳、圖傳電臺(tái)的作用是接收機(jī)載電臺(tái)發(fā)出的圖像數(shù)據(jù)；遙控發(fā)射器負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)載飛行系統(tǒng)發(fā)射控制指令；計(jì)算機(jī)則是用來(lái)顯示接收到的圖像信息和飛行參數(shù)數(shù)據(jù)等方面。

2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火的應(yīng)用

得益于圖像傳輸數(shù)字化、GPS技術(shù)、遙感技術(shù)和視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)等的快速發(fā)展，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火方面的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，且無(wú)人機(jī)系統(tǒng)以其絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)的森林防火方式的不足[3]。它能夠廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)發(fā)生前的火災(zāi)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)的預(yù)測(cè)、撲救和火災(zāi)后的評(píng)估等方面的工作中，有效提高了森林防火信息獲取的速度和精確度，大大縮短森林火災(zāi)撲救的過(guò)程，節(jié)約人力資源的投入。

2.1 無(wú)人機(jī)對(duì)森林防火區(qū)域監(jiān)測(cè)巡視

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火方面的設(shè)備非常先進(jìn)，它包括了攝像機(jī)、前視紅外線儀器、高分辨率相機(jī)和圖像傳輸?shù)牡?，它能方便快捷、高效地?shí)施和完成森林防火區(qū)域的空中監(jiān)測(cè)巡視工作；并且完成高清圖像拍攝、存儲(chǔ)和圖像視頻實(shí)時(shí)傳輸，使森林防火人員對(duì)火災(zāi)迅速作出反應(yīng)，采取相應(yīng)措施。此外，前置紅外儀器能執(zhí)行夜間巡視任務(wù)。無(wú)人機(jī)運(yùn)用的手拋發(fā)射、傘降回收方法，決定了它能在許多復(fù)雜的場(chǎng)地環(huán)境輕松投入使用。

2.2 無(wú)人機(jī)可以火災(zāi)上空作業(yè)

森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，若使用載人飛機(jī)，觀測(cè)人員不但不能清楚觀察掌握火勢(shì)蔓延情況，還對(duì)飛行帶來(lái)極大的危險(xiǎn)。無(wú)人機(jī)則沒(méi)有這方面的顧慮，它利用其搭載的攝像和影像傳輸設(shè)備探測(cè)和偵查森林火災(zāi)，并利用微波信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到地面工作者，使他們能夠及時(shí)掌握火勢(shì)發(fā)展的動(dòng)向來(lái)監(jiān)測(cè)撲救森林火災(zāi)。最大限度減少森林火災(zāi)造成的損失。

2.3 無(wú)人機(jī)能夠24 h不間斷監(jiān)測(cè)火情

在火災(zāi)上空，無(wú)人機(jī)可以24 h不間斷地對(duì)火勢(shì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)火情預(yù)警迅速，報(bào)告精準(zhǔn)的起火點(diǎn)，有利于森林火災(zāi)初始階段的撲救工作[4]。無(wú)人機(jī)在巡查時(shí)，會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)好的飛行軌跡飛行，通過(guò)影像傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)把在空中作業(yè)所獲得的影像資料傳送給地面的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，再使用網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由站點(diǎn)把資料傳給防火辦公室的值班人。根據(jù)影像資料，工作人員就可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生的疑似區(qū)域，然后用遙控設(shè)備由地面向空中發(fā)出指令來(lái)改變無(wú)人機(jī)飛行軌跡或方向，執(zhí)行進(jìn)一步的探測(cè)任務(wù)，再利用無(wú)人機(jī)的無(wú)線鏈路將最新的探測(cè)結(jié)果傳輸回地面。

2.4 無(wú)人機(jī)輔助科學(xué)撲救指揮

無(wú)人機(jī)能監(jiān)測(cè)火場(chǎng)上空的火情動(dòng)態(tài)，撲救指揮部門利用無(wú)人機(jī)反饋回來(lái)的資料信息，迅速高效組織和部署撲救工作，及時(shí)通知消防人員，合理有效地制定人員撤離火場(chǎng)的路線，最大限度保障撲救人員的安全，使撲救指揮工作及時(shí)、有序、合理、科學(xué)地進(jìn)行。

3 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火中發(fā)展

當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)信息高速發(fā)展的新時(shí)代，世界各國(guó)都對(duì)無(wú)人機(jī)研究、發(fā)展和應(yīng)用也越來(lái)越重視。我國(guó)在重視無(wú)人機(jī)在軍事領(lǐng)域發(fā)展的同時(shí)，還堅(jiān)持無(wú)人機(jī)軍民結(jié)合的發(fā)展道路，帶動(dòng)民用無(wú)人機(jī)的發(fā)展，尤其是在森林防火方面，無(wú)人機(jī)以其獨(dú)具的優(yōu)勢(shì)得到一定程度的推動(dòng)和發(fā)展。但我國(guó)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火方面，還處在初始階段，沒(méi)有形成規(guī)模，其中還存在著無(wú)人機(jī)升級(jí)技術(shù)不夠完善、抗風(fēng)能力差、監(jiān)測(cè)圖像精度有待提高等方面的技術(shù)問(wèn)題。但相信隨著相關(guān)科研的投入不斷加大，研究的不斷深入，無(wú)人機(jī)不但在森林防火方面的應(yīng)用會(huì)更加廣泛，技術(shù)更加成熟；還會(huì)在我國(guó)資源保護(hù)、農(nóng)業(yè)發(fā)展、科技發(fā)明等領(lǐng)域得到很好的開發(fā)應(yīng)用，發(fā)展前景相當(dāng)樂(lè)觀。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯：趙中正）