無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用

余曉程 於劍青 於劍平 任 晉

（甘肅祁連山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心，甘肅 張掖 734000）

0 引言

森林資源作為人類生存不可或缺的一項(xiàng)重要資源，不僅能為人類日常生產(chǎn)生活提供必需的各種林副產(chǎn)品及木材，又能為人類提供適宜的生存環(huán)境。因此，切實(shí)保護(hù)好森林資源至關(guān)重要。而火災(zāi)作為嚴(yán)重影響森林資源的一種常見災(zāi)害，輕則燒毀一定的森林植被，重則威脅人類及動(dòng)物的生命安全。由此可見，做好森林防火工作意義重大。

以往，林業(yè)部門往往會(huì)派遣專業(yè)工作人員進(jìn)行實(shí)地巡邏檢察，這一方式不僅浪費(fèi)了大量的人力、物力，而且難以準(zhǔn)確觀測(cè)著火點(diǎn)，且危險(xiǎn)性較高。盡管我國(guó)已經(jīng)成立了航空護(hù)林中心，也已經(jīng)開展空中護(hù)林防火工作，然而，大多數(shù)工作人員駕駛飛機(jī)拍攝的圖像往往無(wú)法滿足高分辨率、高精度的要求，同時(shí)極易受到天氣影響。就小林區(qū)而言，不僅極易造成資源浪費(fèi)，還無(wú)法與定點(diǎn)觀測(cè)需求相適應(yīng)。而無(wú)人機(jī)在森林防火應(yīng)用中表現(xiàn)出實(shí)時(shí)巡查能力強(qiáng)、操縱方便、機(jī)動(dòng)靈活、功能多樣化和影像實(shí)時(shí)傳輸?shù)榷喾N優(yōu)勢(shì)，特別是在天氣狀況不佳與地形復(fù)雜的林區(qū)，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加突出?；诖?，筆者重點(diǎn)探討無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用，對(duì)于提升森林防火效果，確保森林資源的安全性，促進(jìn)人與自然和諧共處等具有重要意義。

1 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組成及類型

1.1 組成

通常，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛行器、地面控制系統(tǒng)、發(fā)射與回收系統(tǒng)、機(jī)上有效載荷及地面維護(hù)系統(tǒng)等多個(gè)組成部分。其中，飛行器作為該系統(tǒng)的核心組成部分，由機(jī)體、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)等四大部分組成。大多數(shù)人所謂的無(wú)人機(jī)多指無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的飛行器。

1.2 類型

按照外觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，可以將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)劃分為旋翼無(wú)人機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)2種。按照功能用途進(jìn)行劃分，可以將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)劃分為宣傳無(wú)人機(jī)、通信無(wú)人機(jī)、航拍無(wú)人機(jī)、運(yùn)輸無(wú)人機(jī)與熱紅外偵察無(wú)人機(jī)等多種類型。按照動(dòng)力驅(qū)動(dòng)進(jìn)行劃分，可以將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)劃分為燃料驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)與電力驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)2種類型。

無(wú)人機(jī)的類型不同，其性能與功能也存在一定的差異。其中，有效載荷對(duì)無(wú)人機(jī)功能的多樣性起到一定的決定作用。將各種不同的儀器設(shè)備搭載在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，能使無(wú)人機(jī)具備不同的功能用途，并據(jù)此完成相應(yīng)的工作任務(wù)。

2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火中的優(yōu)勢(shì)

2.1 有助于控制火情

森林火災(zāi)發(fā)生后，通?；饎?shì)較大，直接撲滅火源的難度較大，且無(wú)法準(zhǔn)確判斷火災(zāi)走勢(shì)。此時(shí)，可應(yīng)用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，由于無(wú)人機(jī)位于高空，防火人員可以直觀判斷火情。另外，使用無(wú)人機(jī)對(duì)森林進(jìn)行定期巡查和有效監(jiān)測(cè)，可大大提升巡查效率和監(jiān)測(cè)效果，并可憑借其機(jī)型小、控制靈活等優(yōu)勢(shì)，到達(dá)巡查車和巡查人員無(wú)法深入的區(qū)域，進(jìn)一步擴(kuò)大巡查工作的覆蓋面，有效滿足森林防火的全面性要求。

2.2 減少人員傷亡

使用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)最顯著的優(yōu)勢(shì)是能夠明顯降低人員在防火工作中的直接參與度，使森林防火工作中的人員傷亡率得到最大限度的降低。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)也不斷更新升級(jí)?，F(xiàn)有的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)既能有效監(jiān)測(cè)森林火情，又能參與滅火工作，進(jìn)而最大限度地降低人工巡檢或滅火工作的危險(xiǎn)性。由于森林火災(zāi)具有較高的危險(xiǎn)性，一旦火勢(shì)擴(kuò)大，工作人員必須及時(shí)撤出火場(chǎng)，以防止出現(xiàn)人員傷亡。一旦工作人員未能及時(shí)撤出，必將威脅其生命安全。工作人員無(wú)法及時(shí)撤出的主要原因在于未能有效監(jiān)測(cè)火情，而使用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)能顯著提升工作人員對(duì)火情的預(yù)判能力，不僅有助于滅火工作的開展，而且能顯著降低滅火工作的危險(xiǎn)性。

2.3 有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用能夠提高森林資源的安全性，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)、健康發(fā)展帶來(lái)顯著的效益。例如，使用多軸飛行器能減少支出與成本，降低火災(zāi)發(fā)生率，提高森林資源的安全性。

3 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火工作中的應(yīng)用主要包括護(hù)林巡查、火情監(jiān)測(cè)偵察及輔助撲救、災(zāi)后余火監(jiān)測(cè)、火災(zāi)調(diào)查及災(zāi)情評(píng)估4方面。

3.1 護(hù)林巡查

無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性和靈活性較強(qiáng)，可以獲取大范圍的森林資源狀況。與載人機(jī)相比，無(wú)人機(jī)具有安全性高、成本低、易于維護(hù)及操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。與地面巡查相比，無(wú)人機(jī)能到達(dá)人、車等無(wú)法到達(dá)的區(qū)域。無(wú)人機(jī)攜帶紅外熱成像儀、全球定位系統(tǒng)、高清透霧攝像儀及高清數(shù)字圖像處理與傳輸設(shè)備等，組成對(duì)火情的監(jiān)控系統(tǒng)，能按照預(yù)定的航線對(duì)林區(qū)進(jìn)行空中巡查，并將獲取的影像數(shù)據(jù)等信息傳輸至地面指揮中心。對(duì)監(jiān)控基站附近的林區(qū)進(jìn)行視頻監(jiān)控圖像采集時(shí)，無(wú)人機(jī)能垂直120°、水平360°進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)能自動(dòng)確定火情發(fā)生位置，以實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別火情。此外，針對(duì)可疑火點(diǎn)與重點(diǎn)區(qū)域，可使用遙控指令對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行軌跡進(jìn)行改變，并重點(diǎn)做好相應(yīng)區(qū)域的巡查工作。

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，能顯著提升護(hù)林巡查的工作效率，既有利于準(zhǔn)確了解火情，又能為撲救爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。

3.2 火情監(jiān)測(cè)偵察及輔助撲救

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)偵察中的應(yīng)用效果也較為顯著。一旦森林發(fā)生火災(zāi)，火場(chǎng)附近的環(huán)境將會(huì)急劇惡化。林木在燃燒過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生大量的濃煙，同時(shí)火場(chǎng)上空的能見度顯著降低，風(fēng)向也復(fù)雜多變。使用協(xié)帶高清攝像設(shè)備的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，在火場(chǎng)惡劣的條件下依然能高效完成空中火情監(jiān)測(cè)偵察等任務(wù)，并在此過(guò)程中直觀反映森林火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)第一時(shí)間將獲取的信息傳遞到地面滅火指揮中心，以確保及時(shí)制訂科學(xué)、合理的林火撲救方案。與其他類型的林火監(jiān)測(cè)方式相比，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)的安全性更高。

另外，無(wú)人機(jī)搭載滅火彈在森林滅火工作中的輔助效果也較為突出。針對(duì)一定范圍的森林初發(fā)火及小火，使用無(wú)人機(jī)能及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行定點(diǎn)投放，既能使火源強(qiáng)度得到明顯降低，又能為滅火人員爭(zhēng)取更多的滅火時(shí)間。特別是一些地勢(shì)較為陡峭的地區(qū)，車輛與人員難以進(jìn)入，滅火工作難度大大增加。在這一情況下，可使用無(wú)人機(jī)搭載滅火彈處理，其撲救效果較為明顯，既能提升滅火人員滅火的安全系數(shù)，又能顯著降低滅火的綜合成本。另外，使用無(wú)人機(jī)開展夜間投彈滅火工作，更有利于鎖定撲救目標(biāo)，顯著提升滅火精度。此外，地面撲救工作人員到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，有利于及時(shí)撲滅投彈滅火之后的暗火、明火，進(jìn)而顯著提升林火撲救的有效性。

3.3 災(zāi)后余火監(jiān)測(cè)

撲滅森林火災(zāi)之后，其余火依然靠消防人員現(xiàn)場(chǎng)留守進(jìn)行清理，同時(shí)需嚴(yán)格做好巡查監(jiān)測(cè)工作。然而，如果火災(zāi)范圍較大，森林火災(zāi)形勢(shì)復(fù)雜，則余火清理難度往往較大。余火通常為陰燃，僅僅會(huì)產(chǎn)生少量的青煙或無(wú)煙，其隱蔽性較強(qiáng)。若僅憑人工巡邏清理，則大多只有等余火擴(kuò)散之后才能發(fā)現(xiàn)。受到熱輻射等因素的影響，火場(chǎng)周圍較為干燥，稍有不慎，極易導(dǎo)致火情再次蔓延。撲滅林火之后，用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱成像儀，能在空中準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)火場(chǎng)的余火，并與全球定位系統(tǒng)相結(jié)合，直觀反映火場(chǎng)的熱值分布，進(jìn)而得出火場(chǎng)的易燃區(qū)域。這不僅能為清理余火提供準(zhǔn)確的參考，顯著提升余火清理效率，而且能顯著降低余火清理的難度，明顯增強(qiáng)火場(chǎng)余火清理的安全性。

3.4 火災(zāi)調(diào)查及災(zāi)情評(píng)估

森林一旦起火，必須盡早開展火災(zāi)調(diào)查與災(zāi)情評(píng)估工作，特別是要盡早調(diào)查起火點(diǎn)及其產(chǎn)生的原因。然而，當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，火場(chǎng)非常危險(xiǎn)，且難以接近，若使用常規(guī)手段接近火場(chǎng)開展調(diào)查工作，極易威脅工作人員的人身安全。在火災(zāi)發(fā)生之后，及時(shí)使用無(wú)人機(jī)及時(shí)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行調(diào)查，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)火場(chǎng)及其周邊環(huán)境，不僅能明顯縮小起火點(diǎn)的調(diào)查范圍，而且有可能會(huì)捕捉到縱火人員的活動(dòng)軌跡。由此可見，使用無(wú)人機(jī)調(diào)查森林火災(zāi)，具有時(shí)效性與靈活性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)是其他常規(guī)手段無(wú)法比擬的。

就災(zāi)情評(píng)估而言，用無(wú)人機(jī)搭載圖像識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等多種新型測(cè)量技術(shù)，可以準(zhǔn)確測(cè)算火場(chǎng)面積、受災(zāi)林木種類等，使評(píng)估準(zhǔn)確性顯著提升。

4 強(qiáng)化無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火中應(yīng)用的建議

4.1 強(qiáng)化無(wú)人機(jī)作業(yè)隊(duì)伍建設(shè)

為強(qiáng)化無(wú)人機(jī)的使用，應(yīng)構(gòu)建專業(yè)的團(tuán)隊(duì)，以確保無(wú)人機(jī)在防火、滅火中的功能與作用得到充分發(fā)揮。首先，當(dāng)?shù)卣块T應(yīng)支持相關(guān)部門開展無(wú)人機(jī)專業(yè)人員引進(jìn)、培訓(xùn)、制度建設(shè)等一系列工作，以提高森林防火、災(zāi)情監(jiān)測(cè)等工作效率與質(zhì)量。其次，確保無(wú)人機(jī)作業(yè)團(tuán)隊(duì)的整體素質(zhì)。一般預(yù)防森林火災(zāi)需要全天候保持應(yīng)急狀態(tài)，為提升團(tuán)隊(duì)工作效率與質(zhì)量，可以實(shí)施倒班制。同時(shí)，針對(duì)工作人員定期進(jìn)行考核，既能提升工作人員的危機(jī)意識(shí)，又能顯著提升其素質(zhì)與綜合能力。

4.2 強(qiáng)化技術(shù)研發(fā)工作

4.2.1 硬件系統(tǒng)研發(fā)。一旦發(fā)生森林火災(zāi)，火勢(shì)往往會(huì)快速蔓延，同時(shí)溫度顯著升高，高溫炙烤空氣，會(huì)使空氣密度下降，進(jìn)而導(dǎo)致熱氣快速上升。而塑料為無(wú)人機(jī)的主要材料，受到高溫作用的影響，塑料極易發(fā)生變形，同時(shí)其內(nèi)部的電子元件也會(huì)受到一定程度的影響，進(jìn)而影響無(wú)人機(jī)運(yùn)行的可靠性。因此，研發(fā)人員必須強(qiáng)化該系統(tǒng)的硬件研發(fā)工作。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的硬件主要包括機(jī)身、監(jiān)控探頭、信號(hào)收發(fā)裝置及螺旋槳等，積極改進(jìn)無(wú)人機(jī)的硬件設(shè)備，在其中使用新型材料，確保無(wú)人機(jī)能耐受高溫。

4.2.2 軟件系統(tǒng)研發(fā)。軟件系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的重要組成部分。使用無(wú)人機(jī)檢查森林火情時(shí)，往往需要計(jì)算大量數(shù)據(jù)，還要及時(shí)向地面接收組傳送信息。一旦軟件系統(tǒng)出現(xiàn)問題，不僅無(wú)法及時(shí)向地面?zhèn)魉托畔?，其自身也極易失控，進(jìn)而無(wú)法保障巡檢工作的正常開展。因此，必須安排專業(yè)的研發(fā)工作人員與實(shí)際防火需求相結(jié)合，積極研發(fā)無(wú)人機(jī)的軟件系統(tǒng)。研發(fā)好軟件系統(tǒng)后，要反復(fù)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，并第一時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，既能增強(qiáng)無(wú)人機(jī)軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能為高效開展森林防火工作提供有力保障。

4.3 構(gòu)建健全的管理系統(tǒng)

優(yōu)秀的人才與先進(jìn)的設(shè)備均是高效開展森林防火工作的有力保障。然而，一旦缺少健全的管理制度，將導(dǎo)致所有要素均無(wú)法有效融合，同時(shí)會(huì)擾亂防火工作的正常開展，并導(dǎo)致無(wú)人機(jī)應(yīng)用效果不佳。因此，為提高無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火工作中的應(yīng)用效果，相關(guān)單位必須結(jié)合實(shí)際防火需求構(gòu)建完善的管理制度，并嚴(yán)格據(jù)此開展無(wú)人機(jī)應(yīng)用工作，以顯著提升無(wú)人機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效果。