無人機(jī)在森林防火中的應(yīng)用

舒暢

（承德市灤平國有林場(chǎng)總場(chǎng)，河北 承德 068250）

前言：

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(dòng)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(gè)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(jī)地結(jié)合在一起，形成一個(gè)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(shí)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‰。

森林火災(zāi)是森林自然災(zāi)害中破壞性、危害性極大的災(zāi)害之一，其突發(fā)性強(qiáng)、撲救難度大，一旦蔓延開來，會(huì)對(duì)森林資源及林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)造成極大破壞，危及林區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。無人機(jī)是一種可遠(yuǎn)程操控的無人駕駛飛行器，在軍事領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)比較成熟，近年來逐漸在氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等民用領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)系統(tǒng)具有造價(jià)低廉、操作簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)靈活、使用安全等特點(diǎn)，相對(duì)于其他森林防火技術(shù)有其獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠廣泛適應(yīng)森林防火的各項(xiàng)工作任務(wù)需求，如森林防火日常巡護(hù)、森林可燃物調(diào)查、野外火源監(jiān)控、森林火災(zāi)火情偵察與輔助撲救、災(zāi)后余火監(jiān)測(cè)及火情調(diào)查評(píng)估等。文章基于當(dāng)前我國森林防火技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，就無人機(jī)系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用進(jìn)行一些探討，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供一些參考與借鑒。

一、無人機(jī)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及類型

無人機(jī)系統(tǒng)主要由地面控制系統(tǒng)、飛行器、機(jī)上有效載荷、發(fā)射及回收系統(tǒng)以及地面維護(hù)系統(tǒng)等組成。飛行器是無人機(jī)系統(tǒng)的核心，主要由機(jī)體、飛行控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成，我們通常所說的無人機(jī)，主要指的是無人機(jī)系統(tǒng)中的飛行器。

無人機(jī)從功能、用途、外觀等方面可以分為多種類型。從外觀結(jié)構(gòu)來說，無人機(jī)可分為固定翼無人機(jī)和旋翼無人機(jī)；從動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式來說，可以分為電力驅(qū)動(dòng)無人機(jī)和燃料驅(qū)動(dòng)無人機(jī)；而從功能用途來說，無人機(jī)可以分為航拍無人機(jī)、通信無人機(jī)、宣傳無人機(jī)以及熱紅外偵察無人機(jī)以及運(yùn)輸無人機(jī)等。無人機(jī)的類型決定著其性能和功能，而有效載荷則決定著無人機(jī)功能的多樣性。在無人機(jī)平臺(tái)上搭載不同的設(shè)備儀器，可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)不同的功能用途，完成特定的工作任務(wù)。

二、無人機(jī)在森林防火中的優(yōu)勢(shì)

（一）作業(yè)成本降低

無人機(jī)消除安全隱患，依靠幾架無人機(jī)就能完成幾組工作人員的工作量，大大節(jié)省作業(yè)成本。

（二）提高防火效率

在森林防火工作中，無人機(jī)能準(zhǔn)確火點(diǎn)、熱點(diǎn)坐標(biāo)，明確火情的范圍、輪廓、面積等，檢測(cè)火災(zāi)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。地面控制站據(jù)此，能制定詳細(xì)的撲滅計(jì)劃，避免盲目滅火而降低作業(yè)效率。

（三）保障人員安全

火災(zāi)猛如虎，保障好抗災(zāi)一線消防戰(zhàn)士的生命安全，時(shí)刻牽動(dòng)著我們每個(gè)人的心。無人機(jī)在森林防火中的應(yīng)用，能準(zhǔn)確判斷肉眼無法判斷的暗火，能為地面消防部門第一時(shí)間播報(bào)火災(zāi)態(tài)勢(shì)，并根據(jù)火情的變化及時(shí)調(diào)離消防員撤離危險(xiǎn)區(qū)域。最關(guān)鍵的時(shí)，能優(yōu)化撤離路線，切實(shí)保障消防員的人身安全。

（四）救援更及時(shí)

火災(zāi)疫情爆發(fā)時(shí)，務(wù)必要在最短時(shí)間尋找生命源，獲取被圍困人員的具體位置，幫助被圍困人員脫險(xiǎn)。無人機(jī)攜帶生命探測(cè)儀，匹配GPS定位系統(tǒng)，能在短時(shí)間內(nèi)明確被圍困人員的位置，第一時(shí)間投放救生繩、呼吸罩、急救藥品等，有利于救援工作的快速開展。

三、無人機(jī)技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

（一）日常巡視

無人機(jī)在自然保護(hù)區(qū)森林日常巡護(hù)中并非單獨(dú)應(yīng)用，常與RS、GPS、GIS、無線通訊技術(shù)等有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位無人機(jī)在自然保護(hù)區(qū)中的位置，并在最短用時(shí)內(nèi)監(jiān)測(cè)自然保護(hù)區(qū)林區(qū)的各種情況，同時(shí)在通信技術(shù)支持下將采集的數(shù)據(jù)和信息傳輸至保護(hù)區(qū)工作人員使用的控制設(shè)備，相關(guān)人員對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，進(jìn)而可發(fā)現(xiàn)自然保護(hù)區(qū)中潛在的安全隱患，及時(shí)采取措施將其清除，將自然保護(hù)區(qū)森林火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)降至最低水平，全面確保自然保護(hù)區(qū)安全。與傳統(tǒng)人工定期巡查方式相比，應(yīng)用無人機(jī)不僅減少了工作人員巡護(hù)的工作量，還提升了巡護(hù)效率。

（二）循環(huán)監(jiān)測(cè)

利用無人機(jī)不受地形限制，可遠(yuǎn)程操控和長(zhǎng)續(xù)航的優(yōu)勢(shì)，特別是在高溫環(huán)境下，應(yīng)用無人機(jī)不間斷地對(duì)保護(hù)區(qū)森林實(shí)施循環(huán)監(jiān)測(cè)，有利于第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火情并及時(shí)采取有效處理措施，由此達(dá)到預(yù)防森林火災(zāi)的目的。若發(fā)現(xiàn)火情，無人機(jī)可第一時(shí)間將火災(zāi)的具體位置準(zhǔn)確地發(fā)送給工作人員，并持續(xù)發(fā)出警報(bào)，有利于及時(shí)開展撲救，同時(shí)提醒起火點(diǎn)周圍在場(chǎng)人員撤離，保障其生命安全。

（三）火災(zāi)撲救

森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)其周圍環(huán)境非常惡劣，植被燃燒后形成大量濃煙，降低了火場(chǎng)上方能見度，同時(shí)改變風(fēng)向，加大了森林火災(zāi)撲救難度。而應(yīng)用無人機(jī)，利用其高清攝像設(shè)備，在環(huán)境惡劣的森林火場(chǎng)中依然可以開展火情偵察工作，并將火災(zāi)發(fā)生的區(qū)域、所在位置等信息在第一時(shí)間準(zhǔn)確傳達(dá)給地面指揮中心，后者可根據(jù)無人機(jī)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)影像針對(duì)性地制定撲救方案，提升火災(zāi)撲救效率。另外，針對(duì)小范圍森林火災(zāi)或者初發(fā)火，可為無人機(jī)搭載滅火彈，通過定點(diǎn)投放，有助于降低火源強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)輔助滅火，為地面搶險(xiǎn)人員開展撲救工作爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。特別是針對(duì)地勢(shì)陡峭、交通不便的區(qū)域，或者在夜晚發(fā)生的撲救難度高的火災(zāi)，這一輔助滅火方式具有較好效果，還能充分保障搶險(xiǎn)人員生命安全，減少森林火災(zāi)撲救的成本投入。

（四）火災(zāi)調(diào)查與評(píng)估

自然保護(hù)區(qū)發(fā)生森林火災(zāi)后，通常火災(zāi)調(diào)查與災(zāi)情信息摸底開展得越早越好，特別是調(diào)查起火位置和起火原因，時(shí)效性至關(guān)重要。由于火場(chǎng)環(huán)境具有較高危險(xiǎn)性，難以接近，如果安排人員到達(dá)火場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)開展調(diào)查，會(huì)威脅其生命安全，而應(yīng)用無人機(jī)開展火災(zāi)調(diào)查與評(píng)估，可在火災(zāi)發(fā)生后第一時(shí)間介入，及時(shí)監(jiān)測(cè)火場(chǎng)以及周圍環(huán)境狀況，縮小起火點(diǎn)的調(diào)查范圍，還能獲得涉案人員的活動(dòng)場(chǎng)景。因此，在森林火災(zāi)調(diào)查過程中應(yīng)用無人機(jī)，具有安全性高、時(shí)效性強(qiáng)、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。在災(zāi)情評(píng)估中，借助無人機(jī)搭載傾斜攝影、GPS測(cè)量、圖像識(shí)別等功能設(shè)備，可測(cè)算森林火災(zāi)的面積、遭受火災(zāi)植被的種類及林木蓄積等，以獲得準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果，同時(shí)降低災(zāi)情評(píng)估工作量，提高災(zāi)情評(píng)估效率。

（五）遠(yuǎn)程中繼通信

森林地理環(huán)境復(fù)雜，山高林密，信號(hào)容易堵塞。利用具有中繼通信設(shè)備的無人機(jī)飛行平臺(tái)，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(tái)不僅可以滿足各級(jí)指揮員的火場(chǎng)信息需求，也可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)單兵攜帶Pad 共享林火動(dòng)態(tài)信息的功能。由于目前無人機(jī)搭載功能有限，用于無人機(jī)機(jī)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(jìn)一步研發(fā)和集成。其中，無人機(jī)的數(shù)據(jù)資源處理能力對(duì)森林防火監(jiān)測(cè)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(huì)嚴(yán)重影響滅火效率。無人機(jī)的數(shù)據(jù)資源處理要做到對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，因此要促進(jìn)其終端設(shè)備性能的更新升級(jí)，并對(duì)機(jī)載有效性進(jìn)行分析，結(jié)合無人機(jī)配件特征，處理森林防火業(yè)務(wù)。在引擎固定條件下，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)加以完善，提高無人機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力和傳輸效率。

隨著5G 商用時(shí)代來臨，無人機(jī)全新的應(yīng)用場(chǎng)景正在出現(xiàn)。面向商用的5G 工業(yè)無人機(jī)中低空、超視距、高速飛行驗(yàn)證了5G的中低空覆蓋、高速移動(dòng)性、基站切換、邊緣計(jì)算協(xié)同等性能。5G 技術(shù)給無人機(jī)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(shí)延兩大技術(shù)特點(diǎn)上，可滿足5G 無人機(jī)實(shí)時(shí)操控和4K/8K 視頻實(shí)時(shí)回傳，還能支持VR/AR 技術(shù)，給用戶帶來超高清的體驗(yàn)。

（六）輔助應(yīng)急救援

通過在無人機(jī)上集成航拍測(cè)繪模塊,可對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的地形進(jìn)行應(yīng)急測(cè)繪，為滅火和救援提供強(qiáng)有力的支持。同時(shí)，可在無人機(jī)上集成語音、擴(kuò)音模塊傳達(dá)指令，在復(fù)雜的火災(zāi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)空中呼叫和指令傳輸，及時(shí)通知消防員撤離危險(xiǎn)區(qū)域并提供疏散路徑。無人機(jī)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(jī)技術(shù)的進(jìn)步，無人機(jī)已從過去“只是空中偵察火情”升級(jí)為在火災(zāi)搶險(xiǎn)中能拼能打的“單兵”。目前，國內(nèi)已經(jīng)有3 種物流無人機(jī)可以載重1.5t 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。

四、無人機(jī)系統(tǒng)在森林防火應(yīng)用中的一些關(guān)鍵問題

首先，無人機(jī)的續(xù)航問題是其只能應(yīng)用在小范圍航空巡護(hù)的主要原因

采用燃料驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)，相對(duì)來說續(xù)航能力更高，但采用燃料驅(qū)動(dòng)無形中相當(dāng)于攜帶了一個(gè)火源，應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)將大為提高。目前民用無人機(jī)的穩(wěn)定性不是很好，進(jìn)入環(huán)境惡劣的火場(chǎng)，一旦摔機(jī)可能會(huì)形成新的起火點(diǎn)。從無人機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)來說，電力驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)將會(huì)是發(fā)展的主流，目前的應(yīng)用也更為廣泛。但目前電力驅(qū)動(dòng)無人機(jī)電池續(xù)航時(shí)間短是制約其在森林防火中應(yīng)用的瓶頸問題，如何解決這一問題，提升電力驅(qū)動(dòng)無人機(jī)的電池續(xù)航能力將是未來無人機(jī)領(lǐng)域重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問題，采用太陽能驅(qū)動(dòng)無人機(jī)或是解決這一問題的方向。

其次，無人機(jī)的飛行控制精度有待進(jìn)一步提高

相較于旋翼無人機(jī)，固定翼無人機(jī)的飛行控制更具難度，需要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的人員來駕馭，這也是無人機(jī)墜機(jī)率較高的一大原因。進(jìn)一步改進(jìn)無人機(jī)的飛行控制系統(tǒng)，提高控制精度，降低操作難度，并進(jìn)一步提升其智能化水平，也是無人機(jī)未來需要重點(diǎn)解決的問題。

第三，無人機(jī)的有效載荷是決定其應(yīng)用功能的關(guān)鍵指標(biāo)

無人機(jī)本身只是一個(gè)搭載平臺(tái)，其主要應(yīng)用功能是靠搭載的各類儀器設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的。因此，如何提高無人機(jī)的有效載荷，增強(qiáng)其功能的多樣性也是未來無人機(jī)發(fā)展所要解決的一大關(guān)鍵問題，對(duì)其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展十分重要。采用性能更好、質(zhì)量更輕的建造材料是解決這一問題的關(guān)鍵，這有待于材料科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

此外，增強(qiáng)無人機(jī)的抗風(fēng)性能，提高其穩(wěn)定性；在森林防火方面還要考慮到無人機(jī)的耐高溫性、耐摔性等，都是無人機(jī)在森林防火領(lǐng)域應(yīng)用所要解決的一些關(guān)鍵問題。

結(jié)束語：

目前，越來越多的先進(jìn)技術(shù)及設(shè)備被廣泛應(yīng)用在森林防火工作中。無人機(jī)是其中比較重要的一種，發(fā)揮著十分重要的作用。與傳統(tǒng)人機(jī)相比，無人機(jī)在低空工作中有更大的優(yōu)勢(shì)，可在火場(chǎng)附近隨時(shí)升空實(shí)施監(jiān)測(cè)，有助于地面指揮人員全面了解火場(chǎng)形勢(shì)。因此，森林防火工作人員應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)及把握無人機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展情況，使森林防火工作取得更加令人滿意的效果，提高森林資源的安全性。