無(wú)人機(jī)在森林防火領(lǐng)域的應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展

魏愛(ài)萍，趙福龍

（1.山西省森林草原防火技術(shù)服務(wù)中心，山西 太原 030000；2.太原市東西山林區(qū)管護(hù)中心，山西 太原 030000）

隨著我國(guó)森林面積的不斷擴(kuò)大，受氣候和社會(huì)發(fā)展等因素的影響，森林防火形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻。通過(guò)引進(jìn)無(wú)人機(jī)技術(shù)，提高了防火工作實(shí)效，有利于降低火災(zāi)發(fā)生概率、加快火災(zāi)巡視及處理效率等。

1 無(wú)人機(jī)技術(shù)概述

1.1 無(wú)人機(jī)概念

無(wú)人機(jī)是指無(wú)人駕駛飛機(jī)，是基于無(wú)線電遙控設(shè)備以及自身搭載的程序控制裝置等，可實(shí)現(xiàn)不載人飛行。相比于載人飛機(jī)，具有體積小、質(zhì)量輕、起飛條件限制小、成本低、能耗低等優(yōu)勢(shì)，能夠在無(wú)人駕駛的條件下，完成各種復(fù)雜的空中飛行任務(wù)以及負(fù)載任務(wù)等?，F(xiàn)階段比較常用的無(wú)人機(jī)類型有無(wú)人直升機(jī)、多旋翼無(wú)人機(jī)、固定翼無(wú)人機(jī)等[1]。

1.2 在森林防火領(lǐng)域應(yīng)用的無(wú)人機(jī)技術(shù)

在森林防火領(lǐng)域內(nèi)中主要應(yīng)用的無(wú)人機(jī)技術(shù)有遙感技術(shù)以及煙霧識(shí)別系統(tǒng)。其中無(wú)人機(jī)要遙感技術(shù)是利用目前比較先進(jìn)的無(wú)人駕駛飛行器技術(shù)、遙測(cè)遙控以及傳感器技術(shù)、通信、定位技術(shù)等，在森林范圍內(nèi)法開(kāi)展自動(dòng)化、智能化和專用化的信息采集，準(zhǔn)確獲取該區(qū)域的自然環(huán)境、森林火情等空間遙感信息，能夠?yàn)橄李A(yù)警、現(xiàn)場(chǎng)偵測(cè)、災(zāi)情處置等提供精確的指導(dǎo)和決策依據(jù)。

而無(wú)人機(jī)煙霧識(shí)別系統(tǒng)是基于遙感圖像，對(duì)火焰和煙霧進(jìn)行監(jiān)測(cè)的新型技術(shù)手段。尤其是在夜間、暴雨、高溫、臺(tái)風(fēng)以及泥石流、極端地理環(huán)境下，采用傳統(tǒng)的森林防火監(jiān)控方式具有較大的難度，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患。而利用無(wú)人機(jī)搭載高清攝像機(jī)、紅外成像設(shè)備，并結(jié)合煙霧識(shí)別模塊，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)情況，指導(dǎo)消防人員采取針對(duì)性處理措施，避免火情發(fā)展[3]。

2 無(wú)人機(jī)在森林防火領(lǐng)域內(nèi)的具體應(yīng)用

2.1 日常巡視

對(duì)于無(wú)人機(jī)在森林防火領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在日常巡視方面，其是利用GPS 技術(shù)、遙感技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)等，將無(wú)人機(jī)在林區(qū)內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，以便于在較短的時(shí)間內(nèi)掌握林區(qū)實(shí)際情況。通過(guò)機(jī)載控制系統(tǒng)和地面系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，將所采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)焦ぷ髌脚_(tái)中，通過(guò)處理分析后，能夠比較全面、準(zhǔn)確、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，為防火工作的開(kāi)展提供方向，進(jìn)而提升林區(qū)的安全性。在應(yīng)用過(guò)程中，與傳統(tǒng)的人工定期巡視相比較，無(wú)人機(jī)技術(shù)能夠減輕巡視巡查人員的工作量，并針對(duì)地形復(fù)雜、險(xiǎn)峻的區(qū)域進(jìn)行有效巡視和監(jiān)測(cè)，提高防火效率和質(zhì)量。通常情況下，對(duì)特定林區(qū)內(nèi)只需安排2 名工作人員，就可完成對(duì)整個(gè)林區(qū)的日常防火巡視工作，極大地提高了防火工作的實(shí)效性[4]。

2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控火情

首先，采用具有飛行速度快、飛行距離長(zhǎng)的固定翼無(wú)人機(jī)，搭載高分辨率可見(jiàn)光和紅外攝像機(jī)，能夠按照預(yù)先設(shè)定的飛行航線對(duì)森林區(qū)域進(jìn)行空中巡查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后，即可利用其搭載設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，再傳輸?shù)降孛婵刂普?。工作人員可通過(guò)地面系統(tǒng)顯示的三維圖像，及時(shí)了解火災(zāi)發(fā)展情況，為消防人員開(kāi)展滅火作業(yè)提供指導(dǎo)。同時(shí)基于無(wú)人機(jī)拍攝的火災(zāi)影像，可精準(zhǔn)定位火場(chǎng)位置、估算火場(chǎng)面積，并預(yù)測(cè)火情發(fā)展形勢(shì)，有利于第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火災(zāi)、發(fā)出預(yù)警、全天報(bào)告火情信息，盡可能降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在實(shí)踐過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑區(qū)域，可通過(guò)遙感控制改變無(wú)人機(jī)的飛行軌跡及狀態(tài)，對(duì)目標(biāo)區(qū)域開(kāi)展詳細(xì)的偵查監(jiān)控。

其次，對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的火情，可利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載紅外探測(cè)器，在地面火場(chǎng)高度500 m左右進(jìn)行懸停監(jiān)控，在較短的時(shí)間內(nèi)獲取火情信息，為現(xiàn)場(chǎng)指揮部提供決策依據(jù)，完善滅火方案的制定和實(shí)施。根據(jù)火場(chǎng)情況，為消防隊(duì)伍規(guī)劃最合理的行進(jìn)路線，準(zhǔn)確、快速達(dá)到火災(zāi)位置。另外，在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中搭載風(fēng)向、風(fēng)速儀等監(jiān)測(cè)設(shè)備，比較全面地采集火災(zāi)燃燒程度、預(yù)測(cè)火情發(fā)展方向，有利于為消防人員提供過(guò)火范圍、蔓延趨勢(shì)等關(guān)鍵信息。無(wú)人機(jī)在森林火災(zāi)的處置方面具有良好的應(yīng)用效果，通過(guò)其采集和傳輸穩(wěn)定的特性，可近距離監(jiān)控火情，在火災(zāi)撲滅行動(dòng)中發(fā)揮較為重要的作用[5]。

2.3 遠(yuǎn)程指揮和通信

當(dāng)前在部分林區(qū)內(nèi)，存在地理環(huán)境復(fù)雜的情況，比如在山西某些地區(qū)的森林林區(qū)，其山高林密，極容易出現(xiàn)信號(hào)堵塞等問(wèn)題，不利于森林防火工作的有效開(kāi)展。而應(yīng)用具備中繼通訊設(shè)備的無(wú)人機(jī)，則可充分保障通訊線路的暢通性，可快速建立覆蓋轄區(qū)的通信系統(tǒng)和指揮系統(tǒng)，在一定程度上可順暢獲取火情信息，為指揮員下達(dá)科學(xué)的消防指令具有重要價(jià)值。能夠保障在特殊環(huán)境下，有效監(jiān)控火情，并與指揮平臺(tái)相對(duì)接，更好地協(xié)調(diào)消防滅火作業(yè)。不過(guò)在目前應(yīng)用中，無(wú)人機(jī)的負(fù)載能力有限，對(duì)輕小型遠(yuǎn)距離圖像傳輸以及數(shù)據(jù)傳輸、語(yǔ)音中繼設(shè)備等尚未形成完善的技術(shù)體系，其集成效果有待進(jìn)一步提升。但在5G技術(shù)不斷發(fā)展的形式下，無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程指揮和通信有較大的發(fā)展前景，在不久的將來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人機(jī)實(shí)施操作以及高清數(shù)據(jù)回傳，強(qiáng)化數(shù)據(jù)資源處理能力，為森林防火監(jiān)測(cè)以及火災(zāi)撲救奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2.4 輔助應(yīng)急救援

在森林防火領(lǐng)域，應(yīng)用無(wú)人機(jī)可輔助應(yīng)急救援工作的開(kāi)展。即是在無(wú)人機(jī)上集成航拍測(cè)繪模塊，對(duì)發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域進(jìn)行地形應(yīng)急測(cè)繪，有利于為火災(zāi)撲救和應(yīng)急救援提供技術(shù)支持。同時(shí)，還可在無(wú)人機(jī)上搭載語(yǔ)音、擴(kuò)音等功能模塊，用于傳達(dá)指令、預(yù)警災(zāi)害信息等，能夠在相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)空中呼叫及傳達(dá)指揮命令，當(dāng)火災(zāi)出現(xiàn)失控時(shí)，可及時(shí)通知消防人員撤離危險(xiǎn)區(qū)域，為其提供緊急疏散路徑。另外，應(yīng)用無(wú)人機(jī)也協(xié)助拋繩、攜帶呼吸器等關(guān)鍵設(shè)備，為消防人員提供救生通道。除此之外，在應(yīng)急救援工作中，無(wú)人機(jī)能夠提高森林航空消防直接滅火能力，比如在空中進(jìn)行灑水、滅火劑等。結(jié)合實(shí)踐也可利用無(wú)人機(jī)發(fā)射滅火彈、増雨焰條，進(jìn)行人工增雨，有效控制火情發(fā)展。

3 無(wú)人機(jī)在森林防火領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

在無(wú)人機(jī)的運(yùn)用過(guò)程中存在一定的缺陷，比如無(wú)人機(jī)升降穩(wěn)定性不足、抗風(fēng)性能有待加強(qiáng)、續(xù)航時(shí)間較短、精度存在限制等問(wèn)題。相關(guān)技術(shù)人員需要以此為切入點(diǎn)，探究森林防火專用化無(wú)人機(jī)的發(fā)展路徑，提高森林防火安全性。

3.1 高效化

無(wú)人機(jī)在森林防火中的運(yùn)用將會(huì)側(cè)重高效化發(fā)展，即是提升獲取數(shù)據(jù)信息的能力，完善相應(yīng)的采集功能，架起無(wú)人機(jī)的巡視巡查效率，精確識(shí)別和定位火災(zāi)隱患區(qū)域，及時(shí)采取有效的處置措施，避免引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)，造成森林資源損失。

3.2 精確化

在未來(lái)將會(huì)注重建設(shè)無(wú)人機(jī)指揮系統(tǒng)，提高對(duì)火情的快速分析和判斷能力，盡可能地減少無(wú)價(jià)值信息的傳輸，保障無(wú)人機(jī)采集到的數(shù)據(jù)資源具有較高的利用率。

3.3 統(tǒng)一化

無(wú)人機(jī)在森林防火中的應(yīng)用需進(jìn)一步加強(qiáng)其集成性和統(tǒng)一化，實(shí)現(xiàn)監(jiān)督與管理功能模塊一體化，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的全面整合，充分發(fā)揮其在日常巡視、火情監(jiān)控以及應(yīng)急救援、指揮通訊等方面的作用，強(qiáng)化工作效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，無(wú)人機(jī)在我國(guó)森林防火領(lǐng)域內(nèi)具有較好的應(yīng)用成效，有效地解決了工作人員數(shù)量不足、工作壓力大等問(wèn)題，更好地適應(yīng)了森林規(guī)模擴(kuò)大、防火工作能力提升的發(fā)展現(xiàn)狀。通過(guò)在日常巡視、實(shí)時(shí)監(jiān)控火情、遠(yuǎn)程指揮和通信、輔助應(yīng)急救援等方面運(yùn)用無(wú)人機(jī)，能夠發(fā)揮關(guān)鍵性作用，提高防火工作能力。