無人機在森林防火領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展

梁 寧，袁新利，劉曉東

（河北小五臺山國家級自然保護區(qū)管理局，河北 張家口075700）

森林是以喬木為主體的生物群落，是由集中的喬木與其他動物、植物、微生物和土壤之間的相互依賴性以及與環(huán)境相互作用形成的整個生態(tài)系統(tǒng)。它物種豐富、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣，被稱為“地球之肺”。森林與其所處的非生物環(huán)境有機地結(jié)合在一起，形成一個完整的生態(tài)結(jié)構(gòu)。森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，也是全球生物圈的重要組成部分。它是地球上的基因庫、碳庫、水庫和能量庫，是人類生存和發(fā)展的重要資源來源和可依賴的環(huán)境。

自地球上的森林出現(xiàn)以來，森林火災(zāi)就伴隨發(fā)生。世界上每年森森火災(zāi)超過20萬次，燒毀森林面積占世界森林總面積的1‰以上。在我國，火災(zāi)嚴(yán)重的時候每年平均發(fā)生1萬多起森林火災(zāi)，燒毀森林幾十萬至上百萬公頃，約占全國森林面積的5‰～8‰。

亞馬遜雨林森林火災(zāi)不僅燒毀和燒傷樹木，而且直接減少了森林面積，嚴(yán)重破壞了森林結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)失衡，森林生物量下降，生產(chǎn)力減弱，益獸益鳥減少，甚至造成人類和動物的傷亡。實際上，近年來，野火在各個大洲肆無忌憚地燃燒著。2019年6月份，美國加州大火，燒毀林地890 hm2；2019年7月份，寒冷北極圈內(nèi)的野火竟然超過100處。

1 森林防火監(jiān)測方法介紹

傳統(tǒng)的森林防火方法包括4種：地面巡邏、塔觀測、衛(wèi)星遙感和飛機巡邏。地面巡邏，依靠地面人工巡邏來探測森林火災(zāi)，耗時耗力，效率低下；塔俯瞰，依靠森林保護工作人員在塔上觀察，以探測森林火災(zāi)，觀察范圍有限，勞動力密集；衛(wèi)星遙感依賴于地球衛(wèi)星的遙感圖像來檢測和分析森林地區(qū)的森林火災(zāi)，這種方法成本高，并且由于衛(wèi)星遙感圖像尺度相對宏觀，不可能及時發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確定位森林火災(zāi)點，容易錯過報告，延誤撲滅火災(zāi)的時機；飛機巡邏，雇用直升機或?qū)I(yè)飛行員駕駛的小型飛機進行飛行偵察，費用高，不適合日常高頻飛行、偵察。

隨著無人機技術(shù)的創(chuàng)新和普及，其精準(zhǔn)、直觀、全面的火場分析數(shù)據(jù)的特點，使無人機進行森林防火巡查已經(jīng)成為趨勢。因此，通過無人機任務(wù)規(guī)劃功能，采用無人機抵近偵查及折線型和往返型的偵查方式對森林進行巡檢。因無人機載荷偵查覆蓋面積較大、偵查圖像質(zhì)量高及航程時間較長等特點，在對森林巡檢過程中可以降低巡檢任務(wù)的人工消耗和成本，有效提高森林巡防效率。無人機技術(shù)產(chǎn)生以來，世界各國紛紛將無人機技術(shù)應(yīng)用于森林火災(zāi)的監(jiān)控和救災(zāi)工作當(dāng)中，并且收獲了理想的效果[1]。

2 無人機概念和技術(shù)優(yōu)勢

2.1 無人機的概念

在許多人看來，無人機是一種新興事物，然而無人機的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了漫長的歷史。無人機是無人駕駛飛機的簡稱（Unmanned Aerial Vehicles），是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置的不載人飛機，包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。從某種角度來看，無人機可以在無人駕駛的條件下完成復(fù)雜空中飛行任務(wù)和各種負(fù)載任務(wù)，可以被看作是“空中機器人”。

2.2 無人機的優(yōu)勢

森林火災(zāi)很多時候都猝不及防，它具有人為性和多樣性的特點。在消防救災(zāi)中，結(jié)合無人機回傳的實時圖像和紅外熱成像信息，通過空中對復(fù)雜地形和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑進行火災(zāi)隱患巡查、現(xiàn)場救助指揮、火情偵測及防控成為森林消防新的選擇。

調(diào)查火災(zāi)現(xiàn)場的受災(zāi)情況是一件非常危險的行動,在將地面救災(zāi)人員派往現(xiàn)場之前，對火勢的評估至關(guān)重要?？焖俨渴馃o人機巡查，并將火災(zāi)現(xiàn)場的空中狀況傳送到地面指揮單位，為指揮單位提供第一手救災(zāi)數(shù)據(jù)。

2019年3月底，北京密云、平谷地區(qū)突發(fā)森林火災(zāi)，來自北京零度智控的ZT-3v復(fù)合翼無人機接到指令后迅速響應(yīng)，飛抵火災(zāi)現(xiàn)場上空偵察火情。據(jù)此次全程參與密云救災(zāi)的零度智控董事長楊建軍介紹，在救災(zāi)過程中，參與搶險的ZT-3v復(fù)合翼無人機為政府和決策機構(gòu)提供了大火初期、中期和末期的可見光、紅外視頻實時監(jiān)控，協(xié)助地面指揮工作部署安排。在山火救援工作中，ZT-3v無人機先搭載三軸30倍光電吊艙迅速起飛至火場上空，利用高空視角優(yōu)勢，第一時間將火勢蔓延情況的視頻實時傳送到指揮人員手中，協(xié)助指揮人員擬定最佳救援方案。這次無人機參與山火救災(zāi)成為一個典型案例。

在森林防火行業(yè)，機種主要有固定翼和多旋翼兩種。由于固定翼無人機轉(zhuǎn)彎半徑大，起飛和著陸要求高，飛行高度高，而多旋翼無人機具有飛行靈活、現(xiàn)場適應(yīng)性強、低空飛行、多重飛行模式，可實現(xiàn)路徑規(guī)劃自動飛行等優(yōu)點。同時，火災(zāi)發(fā)生時會產(chǎn)生強烈垂直氣流運動，形成火場風(fēng)，嚴(yán)重威脅無人機飛行安全。因此，無人機參與火災(zāi)搶險要盡量選用動力強勁、結(jié)構(gòu)堅固的無人機裝備。多旋翼是最佳選擇。

在災(zāi)后救援中，無人機可搭載紅外吊艙繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，深夜徹查復(fù)燃點，在火場一線上空持續(xù)巡查，防止重點區(qū)域死灰復(fù)燃。無人機確保了救援工作的安全,以航拍的形式，避免了可能發(fā)生塌方的危險區(qū)域,為合理分配救援力量，確定救災(zāi)重點區(qū)域、選擇安全救援路線以及災(zāi)后重建選址等提供了有價值的參考。

無人機防火監(jiān)測能做到“快速、完整、精細(xì)”。無人機按照既定的路線自主飛行，無須通信車跟隨，凸顯物聯(lián)網(wǎng)時代的智能化和信息化特點，且機動性更強，成本相對較低，能夠全天時、全天候、無死角地監(jiān)測林區(qū)，自動識別可疑人、車目標(biāo)，對重點目標(biāo)盤旋、跟蹤，轉(zhuǎn)角、變焦實施持續(xù)監(jiān)視。通過載荷系統(tǒng)使無人機具備在極端環(huán)境(煙、塵、霧)中，提供極佳的遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測和識別能力，實時地監(jiān)測可燃物狀態(tài)，智能分析火災(zāi)隱患，現(xiàn)時回傳數(shù)據(jù)報告可疑地區(qū)位置，為消防指揮部有效滅火提供數(shù)據(jù)支持。

3 無人機在森林防火中的應(yīng)用

相比載人飛行器，無人機本身風(fēng)險較小，使用成本較低,它們廣泛用于民用領(lǐng)域。在森林防火應(yīng)用領(lǐng)域，主要有全天候火情監(jiān)測，火場態(tài)勢實時監(jiān)控，遠(yuǎn)距離中繼通信，輔助應(yīng)急救援等應(yīng)用形式。

3.1 全天候火災(zāi)監(jiān)測

固定翼無人機具有快速飛行和長飛行距離特點。通過裝載高分辨率可見光、紅外攝像機和其他偵察設(shè)備，固定翼無人機可以根據(jù)預(yù)定航跡進行森林區(qū)域空中巡查。一旦發(fā)現(xiàn)火情，則采用紅外和可見光兩種相機同時雙向進行比對、識別，并在發(fā)現(xiàn)火情后，將比對、識別結(jié)果回傳至地面站。通過定位的方法進行三維展示，以達到實時檢測，且實現(xiàn)所見即所得，即根據(jù)無人機拍攝的火情直接定位到火情發(fā)生的具體位置，并在三維地球上直觀展示位置結(jié)果，同時估算火場面積并通過拼接算法形成大面積火場態(tài)勢。這樣可以做到及時發(fā)現(xiàn)火情,并進行火情預(yù)警、報告火情信息，便于及時展開行動，將財產(chǎn)損失和人員傷亡降到最低。對于可疑區(qū)域，地面控制人員通過遙控?zé)o人機的飛行狀態(tài)和改變飛行軌跡，對目標(biāo)區(qū)域進行詳細(xì)偵查[2]。

3.2 火災(zāi)情況的實時監(jiān)控

多旋翼無人偵察機配備彩色CCD任務(wù)負(fù)載或紅外探測器，可在距地面500 m高度對地面火場進行懸停觀察，特別是當(dāng)車輛和人員無法到達預(yù)定的偵察位置時，及時利用無人機快速飛抵火災(zāi)現(xiàn)場，實時獲取火情信息，為撲火隊伍規(guī)劃最佳行進路線提供依據(jù)[3]。

無人機機體可配備風(fēng)向、風(fēng)速儀等設(shè)備，收集火場區(qū)域、火災(zāi)燃燒程度、火場風(fēng)向和風(fēng)速等信息，以便輔助指揮員確定過火范圍、發(fā)展趨勢和蔓延方向。旋翼無人機主要用于近距離火災(zāi)探測，采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性良好?，F(xiàn)下市面上的無人機多半只有25至30分鐘的續(xù)航力，韓國公司Meta-Vista成功研發(fā)出打破先前無人機飛行時間世界紀(jì)錄的機體，達到了12小時7分5秒的飛行時間，比以往記錄增加近3倍，顯示燃料電池的使用對提高續(xù)航力的重要性。

3.3 遠(yuǎn)程中繼通信

森林地理環(huán)境復(fù)雜，山高林密，信號容易堵塞。利用具有中繼通信設(shè)備的無人機飛行平臺，可以保證通信鏈路暢通，并且可以快速建立覆蓋任務(wù)區(qū)域的指揮系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。

建立起來的信息平臺不僅可以滿足各級指揮員的火場信息需求，也可實現(xiàn)現(xiàn)場單兵攜帶Pad共享林火動態(tài)信息的功能。由于目前無人機搭載功能有限，用于無人機機載的輕小型遠(yuǎn)距離圖傳、數(shù)傳、語音中繼設(shè)備技術(shù)還不完善，還需進一步研發(fā)和集成[4]。其中，無人機的數(shù)據(jù)資源處理能力對森林防火監(jiān)測和火災(zāi)撲救都有重要影響，如果數(shù)據(jù)資源處理能力偏低，會嚴(yán)重影響滅火效率。無人機的數(shù)據(jù)資源處理要做到對所有數(shù)據(jù)進行有效處理，因此要促進其終端設(shè)備性能的更新升級，并對機載有效性進行分析，結(jié)合無人機配件特征，處理森林防火業(yè)務(wù)。在引擎固定條件下，對傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)加以完善，提高無人機的數(shù)據(jù)處理能力和傳輸效率[5]。

隨著5G商用時代來臨，無人機全新的應(yīng)用場景正在出現(xiàn)。2019年3月31日，中國聯(lián)通在上海崇明島完成了面向商用的5G工業(yè)無人機中低空、超視距、高速飛行試驗。中國聯(lián)通研究院高級專家周曉龍介紹說：“這次試驗重點驗證了5G的中低空覆蓋、高速移動性、基站切換、邊緣計算協(xié)同等性能，是首次以正式商用為目標(biāo)的5G工業(yè)無人機應(yīng)用案例?！?G技術(shù)給無人機行業(yè)發(fā)展帶來的變化主要體現(xiàn)在5G的高帶寬和低時延兩大技術(shù)特點上，可滿足5G無人機實時操控和4K/8K視頻實時回傳，還能支持VR/AR技術(shù)，給用戶帶來超高清的體驗。

3.4 輔助應(yīng)急救援

通過在無人機上集成航拍測繪模塊,可對火災(zāi)現(xiàn)場的地形進行應(yīng)急測繪，為滅火和救援提供強有力的支持。同時，可在無人機上集成語音、擴音模塊傳達指令，在復(fù)雜的火災(zāi)環(huán)境中實現(xiàn)空中呼叫和指令傳輸，及時通知消防員撤離危險區(qū)域并提供疏散路徑。無人機可用于協(xié)助拋繩或攜帶關(guān)鍵設(shè)備（救生繩、呼吸器等），為消防員提供救生通道。隨著近兩年無人機技術(shù)的進步，無人機已從過去“只是空中偵察火情”升級為在火災(zāi)搶險中能拼能打的“單兵”。目前，國內(nèi)已經(jīng)有3種物流無人機可以載重1.5 t以上，可以用于空中灑水或者滅火劑，提升了森林航空消防直接滅火的能力。

3.5 其他使用形式

目前，無人機在森林防火滅火中運用最多的仍為火場偵查和情報搜集，但也有一些新的嘗試，如運用無人機噴灑化學(xué)滅火劑形成阻火帶滅火、在指揮人員的操控下發(fā)射滅火彈輔助滅火、攜帶增雨焰條進行人工增雨等。根據(jù)目前的技術(shù)水平和應(yīng)用手段，無人機與衛(wèi)星遙感、載人飛機巡護、地面瞭望塔和人工巡邏防護等監(jiān)測方法有效結(jié)合，形成空地一體化綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)仍是主要的發(fā)展趨勢[6]。

法國巴黎圣母院不幸遭到大火洗禮，矗立850年的尖塔被烈火吞噬，玫瑰花窗及2/3屋頂燒毀，全球民眾感到十分惋惜。在歷經(jīng)10多個小時的撲救后，大火被熄滅。行動中，借兩臺DJI無人機之力取得現(xiàn)場的熱成像數(shù)據(jù)，更有效率地協(xié)助救援任務(wù)。據(jù)當(dāng)?shù)貍髅綀蟮溃廊藛T在撲滅圣母院大火時使用了2臺DJI商用無人機，包括Mavic Pro（更像是Mavic 2行業(yè)雙光版）及Matrice M210，兩機均具備熱成像傳感器。它們協(xié)助救援人員在空中追蹤大火的蔓延趨勢及追尋火源。法國Libération報道，無人機捕捉的熱成像影像有助消防決定最有效地向哪個位置灌水，而且待在空中有利位置可指導(dǎo)救火。直升機的靈活性和成本都被無人機比下去。

4 無人機遙感技術(shù)

無人機遙感（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing)，即利用先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應(yīng)用技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、智能化、專用化快速獲取自然環(huán)境、森林火災(zāi)災(zāi)區(qū)等空間遙感信息，并可實時探測地面煙霧擴散分布情況，有效實施消防預(yù)警和現(xiàn)場偵測，為迅速、準(zhǔn)確預(yù)防和處置災(zāi)情提供精確指導(dǎo)。

5 無人機煙霧識別系統(tǒng)

無人機遙感圖像的煙霧識別系統(tǒng)是一種明顯優(yōu)于傳統(tǒng)森林防火方法的新型技術(shù)手段。無論在視線可見或是夜間、暴雨、高溫、臺風(fēng)、泥石流等惡劣環(huán)境下，或是山岳、峽谷、溝壑等極端地理環(huán)境中，甚至是易燃易爆、塌陷、有毒等嚴(yán)重事故災(zāi)害現(xiàn)場，高清相機、紅外成像都可以交替結(jié)合煙霧識別模塊第一時間發(fā)現(xiàn)火情，將森林火災(zāi)扼殺在萌芽狀態(tài)，有效地規(guī)避傳統(tǒng)森林防火救援方式中存在的短板[7]。一般而言，巡視監(jiān)測的對象有火焰和煙霧兩個基本目標(biāo)，因為在林火早期并不容易監(jiān)測到大量的火焰，煙霧卻是森林火災(zāi)早期最顯著的視覺現(xiàn)象。“先有煙，后有火”，所以監(jiān)測煙霧能最早發(fā)現(xiàn)林火的可能性，更具有研究價值。近年來隨著無人機技術(shù)的發(fā)展和成熟，通過無人機遙感圖像進行自動煙霧識別成為森林防火的新型技術(shù)手段，其優(yōu)點在于費用低、效率高，自動識別林火前期的煙霧特征并進行預(yù)警處理[8]。

6 無人機在國內(nèi)外運用現(xiàn)狀

6.1 國外運用情況

2019年6月，土耳其政府在伊茲密爾鄭重舉行了試飛活動，由科達無人機擔(dān)當(dāng)本次試飛活動的主角。通過科達無人機掛載的熱成像云臺攝像機，可以在數(shù)百平方公里的大范圍內(nèi)迅速定位起火點，判斷火災(zāi)蔓延趨勢，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步回傳，為指揮中心科學(xué)調(diào)派資源，實現(xiàn)應(yīng)急救援快速響應(yīng)提供精準(zhǔn)的圖像視頻依據(jù)。

6.2 國內(nèi)運用情況

工業(yè)無人機快速發(fā)展，在農(nóng)林等應(yīng)用領(lǐng)域已成為重要的巡檢巡邏工具，但無人機的作業(yè)運用都是通過飛手操控來完成，在炎炎夏日飛手的長時間作業(yè)也是非常辛苦。另外，現(xiàn)如今專業(yè)的飛手人員招聘越來越難。因此，針對這樣的情況，上海復(fù)亞智能科技有限公司研發(fā)了全自動飛行系統(tǒng)，從而減少人員的投入，并且實現(xiàn)了無人機全自動自主作業(yè)的能力。復(fù)亞的方法是借助AI算法，讓無人機在飛行過程中，能夠?qū)崟r調(diào)整云臺姿態(tài)及拍攝參數(shù)，獲得精準(zhǔn)清晰的拍攝畫面，并實現(xiàn)實時視頻回傳，協(xié)助開展火情判斷[9]。

7 無人機在森林防滅火運用中存在的問題

雖然無人機市場逐漸興起，產(chǎn)品應(yīng)用得到認(rèn)可，但是目前行業(yè)的發(fā)展還遠(yuǎn)未成熟。具體來說，許多消防無人機并非真正的專業(yè)產(chǎn)品，而是簡單地改裝或直接使用消費無人機。換句話說，消防無人機行業(yè)還沒有一個相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來對產(chǎn)品進行界定，缺乏規(guī)范性約束，導(dǎo)致產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊。由于消費級無人機本身立足于航拍性能，一些消防無人機的偵查、巡查功能沒有什么問題，但是在更專業(yè)的檢測、滅火等環(huán)節(jié)，消防無人機還需要強化模塊配置能力，繼續(xù)完善相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。

8 討論與結(jié)論

可以預(yù)見，無人機在許多領(lǐng)域都將發(fā)揮著不可替代的作用。但值得注意的是，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，森林防火技術(shù)越來越先進，無人機要在森林防火工作中充分發(fā)揮重要作用，就需要對無人機系統(tǒng)進行不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。就無人機系統(tǒng)本身而言，其未來發(fā)展方向應(yīng)該是自身的不斷優(yōu)化。首先，解決無人機發(fā)動機的動力技術(shù)問題，太陽能發(fā)動機能有效利用能源，滿足長期避難無人機的需求，前景廣闊。其次，提高無人機的承載能力，加載更多設(shè)備，從而提高智能搜索能力。再次，增強相關(guān)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)陌踩院涂煽啃?，提高?shù)據(jù)加密和抗干擾能力。然后，專注于軟件問題，寬帶和大數(shù)據(jù)量的傳輸是無人機的發(fā)展趨勢和必然要求。目前，無人機主要使用K u/K a頻段、C/X頻段和L頻段進行通信。最后還有，加快開發(fā)新型非金屬復(fù)合材料的步伐，減輕無人機的重量，增加靈活性。在產(chǎn)業(yè)推廣和行業(yè)管理方面，有必要解決無人機使用成本高，服務(wù)和管理系統(tǒng)不完善的問題，為中國新興無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件[10]。