無人機在森林火災(zāi)滅火救援中的應(yīng)用

薛 劍

北京市海淀區(qū)消防救援支隊，北京 100089

我國森林資源豐富，但是森林火災(zāi)多發(fā)。2022年，全國共發(fā)生森林火災(zāi)709 起，受災(zāi)森林面積約為0.5 萬公頃。林區(qū)通常地形復(fù)雜、道路崎嶇，山高林密、植被層厚，對現(xiàn)場通信、圖像傳輸要求極高，滅火救援難度極大。隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，其在總體設(shè)計、飛行控制、傳感器技術(shù)、圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域具備一定技術(shù)基礎(chǔ)，越來越多地被應(yīng)用于消防救援領(lǐng)域。在森林火災(zāi)救援現(xiàn)場，無人機承擔(dān)著航拍偵察、測繪制圖、照明、載重運輸?shù)榷嘀厝蝿?wù)，能夠第一時間快速描繪災(zāi)情，并在遠(yuǎn)距離輔助戰(zhàn)斗決策方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，在多起森林火災(zāi)滅火救援工作中，無人機均取得了良好的實戰(zhàn)效果。

一、無人機在森林火災(zāi)滅火救援中的優(yōu)勢

森林火災(zāi)受自然氣象因素、林地環(huán)境、社會環(huán)境的影響較大，具有突發(fā)性、隨機性、危害大、難控制、難撲救等特點［1］。無人機輕便靈活、功能強大，在提升滅火效率、確保人員安全、快速實施救援方面發(fā)揮著重要作用。

（一）提升滅火救援工作效率

森林火災(zāi)大多發(fā)生在偏遠(yuǎn)林區(qū)，公路干線少，交通不便。多數(shù)林區(qū)無路可行，救援人員負(fù)重徒步行進(jìn)，體能消耗大［2］。而且森林火點一般距公路較遠(yuǎn)，為了到達(dá)救援現(xiàn)場，救援人員往往需要翻山越嶺，花費大量時間［3］。無人機能夠克服地形的不利因素，具有攜帶便捷、啟動時間短、出動速度快等優(yōu)點，能夠在第一時間快速飛往災(zāi)害現(xiàn)場上方，準(zhǔn)確確定起火位置，判斷災(zāi)情發(fā)展態(tài)勢，全面掌握現(xiàn)場情況。通過無人機和4G 單兵回傳系統(tǒng)對接，現(xiàn)場指揮部和后方指揮中心可實時觀看回傳圖像，有效彌補地面觀察視角狹窄的不足，能夠第一時間快速描繪災(zāi)情，從全局的視野為指揮決策提供依據(jù)，從而及時設(shè)計處置方案，并能夠根據(jù)現(xiàn)場情況的變化及時調(diào)整處置方案，提高工作效率。

（二）保障救援人員安全

森林地區(qū)植被多，發(fā)生火災(zāi)后，受氣候因素影響，火勢蔓延方向及范圍存在不可控性。加之森林地區(qū)地形復(fù)雜，人員、裝備到場受限，滅火救援指揮調(diào)度困難等多方面因素，導(dǎo)致森林火災(zāi)一旦發(fā)生，撲救難度很大。在救援人員前往一線救援時，很有可能出現(xiàn)通信信號差、失聯(lián)等情況，無法保障現(xiàn)場指揮部對救援人員的指揮與調(diào)度，以及一線救援人員的生命安全。無人機能夠在不同的環(huán)境和氣候條件下開展作業(yè)，可獲取詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息，因而能夠最大程度克服人力偵察的不足，保障救援人員人身安全。

（三）助力搜救被困人員

森林火災(zāi)發(fā)生后，因覆蓋面積廣闊、持續(xù)燃燒在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量濃煙，導(dǎo)致火災(zāi)區(qū)域能見度大大降低，為搜救被困人員制造了巨大障礙。短時間內(nèi)準(zhǔn)確搜集被困人員位置，協(xié)助被困人員逃生是森林火災(zāi)救援中亟待解決的問題。通過無人機搭載生命探測搜救系統(tǒng)，配合GPS 定位系統(tǒng)，適用于極端復(fù)雜的森林地形及惡劣環(huán)境的探尋，可以在不需要救援人員進(jìn)入現(xiàn)場的情況下實施探測救援。它穿透力強、靈敏度高，可同時探測三個以上的幸存者目標(biāo)，還可以通過無人機及時投放救援繩、呼吸面罩、水和藥品等，提高救援效率和被困者生還概率。

二、無人機在森林火災(zāi)滅火救援中的應(yīng)用

（一）無人機在森林火災(zāi)撲救過程中的應(yīng)用

1. 態(tài)勢偵察

災(zāi)情偵察包括可見光偵察和紅外熱成像偵察。無人機通過搭載常規(guī)可見光傳感器和高性能影像處理器，能拍攝不低于2 K 的超清影像，主要用于滅火救援現(xiàn)場白天災(zāi)情偵察。紅外熱成像（或夜視）偵察是無人機通過快速、準(zhǔn)確獲取目標(biāo)物體的表面溫度，拍攝不低于30 萬像素的紅外圖像，主要用于滅火救援現(xiàn)場夜間偵察、探測高溫物體或搜救被困人員。

在森林火災(zāi)滅火救援過程中，全勤指揮部可借助無人機偵察著火點的位置及火災(zāi)蔓延方向，提前排查風(fēng)險隱患。通過無人機搭載的視頻載荷或者紅外載荷為現(xiàn)場指揮部指揮決策提供視角清晰的影像資料。根據(jù)態(tài)勢偵察情況，指揮員可全面掌握當(dāng)前燃燒區(qū)域和可能蔓延區(qū)域的建筑物、易燃易爆物品及人員情況，及時轉(zhuǎn)移疏散受火勢威脅的易燃易爆物品和人民群眾。

2. 全景制圖

在森林火災(zāi)現(xiàn)場作業(yè)中，由于面積較大或火場上空有煙遮擋，采集正射影像存在難度，因此適宜在第一時間采集現(xiàn)場全景圖。通過無人機采集現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)，并使用專用軟件合成處理，可制作災(zāi)情全景圖像，用于滅火救援現(xiàn)場的全景瀏覽。根據(jù)全景圖的標(biāo)注，指戰(zhàn)員可直觀地概覽全局。另外，無人機也可通過自帶的全景功能或搭載的全景相機拍攝現(xiàn)場360°的影像，通過衛(wèi)星鏈路、4G單兵指揮鏈路或者風(fēng)箏線平臺，將前方偵察到的實際情況實時回傳，便于各級救援單位全面掌握實際情況，為輔助決策提供依據(jù)。

3. 火點偵察

森林火災(zāi)具有突發(fā)性，并且極易受到現(xiàn)場因素的影響而發(fā)展變化，煙氣的影響也在無形中加劇了監(jiān)控的難度?；瘘c偵察是無人機在森林火災(zāi)滅火救援中的重要工作，通過對森林火災(zāi)進(jìn)行全時段檢測，可以為指揮部制定決策提供重要信息，使一線救援人員明確滅火任務(wù)，避免誤入危險區(qū)。

無人機通過攜帶紅外熱成像儀、高清透霧攝像機等輔助設(shè)備設(shè)施，在火場上空500 m 附近開展懸停監(jiān)控，聯(lián)合圖像識別技術(shù)、GPS 全球定位技術(shù)等構(gòu)成森林火情實時偵察體系。無人機可以按照設(shè)計路線對涉及區(qū)域進(jìn)行空中巡護(hù)，同時能將巡護(hù)所采集的清晰圖像傳輸給指導(dǎo)部門［4］。另外，無人機系統(tǒng)內(nèi)搭載風(fēng)向、風(fēng)速儀等檢測設(shè)備，能為指揮部火場定位和火勢分析提供過火范圍、蔓延趨勢等關(guān)鍵信息，為滅火救援指揮工作提供參考［5］。

4. 火線標(biāo)注

森林火災(zāi)波及面廣，變化快。關(guān)鍵階段指揮人員需要掌握全局態(tài)勢，而火線的位置、長度、蔓延速度等信息對于指揮決策至關(guān)重要。常規(guī)技術(shù)手段難以將火線位置直接映射在指揮地圖上。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，有兩種方案可以滿足火線標(biāo)注任務(wù)的需要。

一是借助無人機地理視頻技術(shù)，使用無人機拍攝帶有地理位置的視頻，利用GIS 軟件即可從視頻中快速采集火線、火點、現(xiàn)場人員裝備等位置信息，還可以直接測量長度、面積、高度等信息。該方案的優(yōu)勢為無人機采集設(shè)備型號不受過多限制，常用的便攜式偵察無人機、小型測繪無人機等均可使用［5］。主要操作方法為將基于無人機飛行偵察的視頻導(dǎo)入GIS 平臺，進(jìn)行自主比對，視頻中的實景與二維地圖中的標(biāo)注互為投射，從而基于視頻標(biāo)注出火線，也可以在地圖底圖上得以呈現(xiàn)。

二是利用無人機激光打點的功能，通過以點連線的方式，將火線的位置投射在地圖底圖上。該方案的優(yōu)點是實時性較高，可對發(fā)展比較迅速的森林火災(zāi)火線進(jìn)行標(biāo)注。

5. 精準(zhǔn)定位救援力量，輔助調(diào)度指揮

森林火災(zāi)容易迅速蔓延，燃燒規(guī)模也相對較大，因而精確定位救援力量對于現(xiàn)場決策具有重要作用?；馂?zāi)現(xiàn)場地面指戰(zhàn)員的視線因受到遮擋而無法有效觀察新的火點，在遠(yuǎn)處能看到火光卻又無法掌握救援隊伍的位置和相對火點的方位［6］。

利用無人機偵察時，前線指揮部的指揮人員可指揮救援隊伍朝著無人機爆閃手電。通過無人機回傳的影像可清晰地看到救援隊伍有燈光閃爍，且沿路連成一條曲線，將火線隔斷，還可以看到救援隊伍與所有周邊火點的相對位置，甚至可以看出地形，從而對指揮決策起到輔助作用。

6. 輔助應(yīng)急通信及救援

森林火災(zāi)區(qū)域地形復(fù)雜、基礎(chǔ)設(shè)施配套不完善、網(wǎng)絡(luò)覆蓋率較低，往往公共網(wǎng)絡(luò)信號弱，甚至?xí)霈F(xiàn)信號丟失、圖傳數(shù)傳通信斷開等情況。而使用對講機進(jìn)行信息交流時，也可能由于樹木茂密、山峰高聳等因素使信號受到阻擋，導(dǎo)致一線救援人員與現(xiàn)場指揮部失聯(lián)。救援工作中各任務(wù)分隊的數(shù)據(jù)共享，也可能受到信號及傳輸手段的限制。在網(wǎng)絡(luò)通信不暢情況下，可以通過無人機在空中搭建信號中繼站，解決山體阻擋信號問題。除了通信受阻的不利因素外，針對無人機電池容量有限、飛行時間較短的實際情況，無人機搭載系留模塊可有效解決此問題。它依托綜合纜繩傳輸電能，能為無人機提供不間斷電源，保證無人機能長時間持續(xù)飛行，并可搭載照明設(shè)備等，提供長時間不間斷的空中照明。另外，無人機通過搭載拋投繩、救生物資，可用于滅火救援現(xiàn)場應(yīng)急物資投放，助力現(xiàn)場救援。

（二）無人機在森林火災(zāi)撲滅后的應(yīng)用

1. 余火及煙點偵察定位

森林火災(zāi)明火得到有效控制后，過火區(qū)域需要進(jìn)行長時間的殘火清理。一些地形復(fù)雜的位置出現(xiàn)的余火很難被發(fā)現(xiàn)并處置，此時無人機熱成像的優(yōu)勢再次體現(xiàn)。

白天作業(yè)時，無人機主要通過可見光相機大范圍尋找煙點，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況即切換熱成像模式確認(rèn)該區(qū)域的溫度信息，抵近后可以切換變焦模式觀察是否有堆積的可燃物。對于具備激光定位功能的無人機，如大疆M300RTK，可以采用激光打點定位，獲取經(jīng)緯度信息及在地圖上的相對位置，然后將信息同步給地面人員。不具備激光定位功能的小型無人機，可以直接將無人機懸停在煙點上空附近，指引地面人員前往處置。

夜間作業(yè)時，熱成像相機的區(qū)域測溫功能可以有效發(fā)揮作用。在無人機的觀察區(qū)域內(nèi)，熱成像相機可以識別溫度最高點和最低點，只要判斷溫度最高點的溫度在可控范圍內(nèi)，即可認(rèn)定該區(qū)域相對安全。過火區(qū)域冷卻后，若使用無人機區(qū)域測溫功能顯示區(qū)域內(nèi)的最高溫點是移動的隊員，那么基本可以判定環(huán)境溫度已經(jīng)低于人體溫度，暫無復(fù)燃的風(fēng)險。

2. 輔助火災(zāi)觀察

森林火災(zāi)極易發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象。面對森林火災(zāi)范圍大、現(xiàn)場情況復(fù)雜的實際，需要救援人員花費較長時間進(jìn)行觀察、探測和評估，所涉及工作內(nèi)容非常復(fù)雜且危險，救援人員上山調(diào)查難度大。通常情況下，森林火災(zāi)陰燃只有達(dá)到一定程度才可以覺察，火場內(nèi)易燃物體受熱輻射作用變得非常干燥，極易造成再次燃燒，并迅速蔓延。此時可使用無人機對可疑地點進(jìn)行初步偵察，以提高效率，節(jié)省人力。無人機搭載紅外熱成像儀，可從空中進(jìn)行余火監(jiān)測，聯(lián)合GPS 定位，能夠直觀地勘測火場的熱值分散地標(biāo)，顯示易燃區(qū)域位置，為地面作業(yè)人員的清除指引方向。在不同環(huán)境中，無人機的用法也有很大差異。過火面積在1 km2以內(nèi)時，可使用無人機直接對過火區(qū)域進(jìn)行二維正射模型的圖像采集，指揮員根據(jù)二維圖作出進(jìn)一步分析判斷。對于存在疑似高壓線路放電導(dǎo)致火災(zāi)的位置，可使用無人機飛抵線塔附近偵察，初步判斷是否有放電痕跡，同時也可使用無人機偵察周邊的燃燒情況輔助作出初步判斷，從而降低處理難度，提升現(xiàn)場作業(yè)安全指數(shù)。

三、無人機在森林火災(zāi)滅火救援應(yīng)用中需注意問題

（一）注意無人機配備類型

消防救援部門應(yīng)根據(jù)森林火災(zāi)戰(zhàn)斗特點，合理搭配使用各種無人機機型。在制定無人機裝備計劃時，應(yīng)根據(jù)森林火災(zāi)特點、轄區(qū)實際和預(yù)算等因素，綜合考慮地形地貌、周邊建筑情況、居民居住情況、氣候條件等情況，有效匹配無人機類型，形成優(yōu)勢互補、針對性強的多種機型的組合配備。森林火災(zāi)撲救時間長，需要無人機長時間滯空作業(yè)，而無人機續(xù)航時間受供電系統(tǒng)影響，飛行時間有限。實用性較強、便攜性較好的無人機續(xù)航時間普遍在1 h 以內(nèi)，目前主要以采用雙機交替作業(yè)和系留式無人機為主。雙機交替作業(yè)的模式，即一臺無人機在空中作業(yè)，另一臺無人機在地面?zhèn)淝?，空中無人機電量剩余35%～40%時，地面無人機起飛前往作業(yè)區(qū)域，抵達(dá)作業(yè)位置后，低電量無人機返航降落，更換電池準(zhǔn)備再次更替。這種作業(yè)模式不受單臺無人機的續(xù)航時間限制，可實現(xiàn)空中不間斷視頻偵察，相比系留方式作業(yè)更加靈活。系留式無人機的優(yōu)勢是不需要頻繁交替作業(yè)，節(jié)省一個飛手人力，可獲取高位的觀察視角。在滅火救援工作中，需要根據(jù)實際情況配備不同無人機機型組合形式。

（二）明確各崗位人員職責(zé)任務(wù)

森林火災(zāi)救援現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，救援工作持續(xù)時間較長，只有合理規(guī)劃無人機操作各崗位人員職責(zé)，才有利于現(xiàn)場的調(diào)度指揮和飛行效率提升。在森林火災(zāi)中，救援現(xiàn)場應(yīng)設(shè)置無人機指揮員崗位、無人機駕駛員崗位和情報編輯員崗位。無人機指揮員負(fù)責(zé)無人機組工作期間的全面工作以及無人機飛行計劃空域的申請辦理工作；根據(jù)應(yīng)急通信需求，部署無人機飛行任務(wù)，分配空域資源，密切關(guān)注無人機飛行任務(wù)執(zhí)行情況；協(xié)助指揮部研提情報需求，部署情報搜集編輯任務(wù)，負(fù)責(zé)災(zāi)害現(xiàn)場情報分析及匯報解說工作；完成上級交辦的其他飛行任務(wù)。無人機駕駛員應(yīng)協(xié)助指揮員完成無人機飛行計劃空域申請辦理工作；執(zhí)行無人機飛行任務(wù)，負(fù)責(zé)無人機起降期間的安全警戒及飛行期間的安全，制定無人機應(yīng)急避險預(yù)案；負(fù)責(zé)無人機的地勤保障工作，負(fù)責(zé)無人機故障搶修及日常維護(hù)保養(yǎng)工作。情報編輯員應(yīng)協(xié)助指揮員研提情報需求；完成制作全景圖、災(zāi)情對比圖、力量部署圖、三維建模等既定情報任務(wù)；負(fù)責(zé)小視頻匯報的編輯制作；完成對重點部位的距離、面積、體積等基礎(chǔ)測繪及圖上標(biāo)注工作；負(fù)責(zé)情報信息分析解釋、情報素材整理歸檔工作；緊急情況下履行無人機駕駛員崗位職責(zé)。

（三）及時戰(zhàn)評總結(jié)

無人機組在執(zhí)行實戰(zhàn)飛行任務(wù)后，要根據(jù)每起森林火災(zāi)的不同情況，及時召開戰(zhàn)評會，總結(jié)復(fù)盤現(xiàn)場情況，邀請全勤指揮部通信保障人員、應(yīng)急通信保障分隊人員、無人機飛手等相關(guān)人員進(jìn)行總結(jié)發(fā)言。認(rèn)真梳理接警出動、抵達(dá)現(xiàn)場、展開作業(yè)、作業(yè)完成等各階段存在的問題，盤點人員、車輛、裝備在使用過程中存在不足，提出整改措施。特別是對于不同場景下的設(shè)備使用操作，需要及時總結(jié)操作要點。如：高點作業(yè)時，無人機要想獲得全局的觀察視角及清晰的觀察效果，就需要對其飛行限高予以解禁。在強風(fēng)作業(yè)時，起飛前需要密切關(guān)注風(fēng)向變化，當(dāng)任務(wù)點距離起飛點較遠(yuǎn)，且返航為逆風(fēng)時，需要關(guān)注返航電量，避免因電量不足無法安全返航。在強風(fēng)下，應(yīng)注意山脊的風(fēng)切變及山谷的上升氣流，作業(yè)中不可距離山體太近。在強風(fēng)中起飛和降落時，周圍環(huán)境應(yīng)盡量空曠，起飛和降落要果斷；若降落時風(fēng)速太大，應(yīng)選擇草面降落，避免選擇水泥地面降落導(dǎo)致槳葉刮損。逆風(fēng)返航時，如果電量較低，則可選擇手動返航，在確保避開障礙物前提下，選擇傾斜下降的航線，飛行過程中不斷降低高度，從而節(jié)省電量。無人機執(zhí)行遠(yuǎn)距離飛行任務(wù)時，需要注意調(diào)整遙控器天線的朝向以獲得最佳信號。以大疆無人機遙控器為例，其天線主要為槳狀，此類天線平面部分信號較強，天線兩端信號較弱。

（四）注重人才培養(yǎng)

人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)者對所要培養(yǎng)人才的質(zhì)量和規(guī)格的總規(guī)定，是人才培養(yǎng)的第一要素，影響著其他要素的設(shè)計。它一般依據(jù)人才崗位需求、人才培養(yǎng)任務(wù)、相關(guān)發(fā)展趨勢等確定［7］。隨著無人機在森林火災(zāi)滅火救援中的深度應(yīng)用，無人機操作和使用維護(hù)人員的需求猛增。森林火災(zāi)發(fā)生后，無人機組跟隨通信保障分隊快速到場，需要根據(jù)現(xiàn)場情況承擔(dān)航拍偵察、建模測繪、圖像回傳等任務(wù)。在日常工作中，維護(hù)人員需要具備基本的無人機隱患排查和維修能力，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題，并能對無人機進(jìn)行經(jīng)常性維護(hù)保養(yǎng)。消防救援部門要大力加強無人機人才培養(yǎng)，積極開展消防無人機業(yè)務(wù)培訓(xùn)。一是根據(jù)無人機配備規(guī)模及職責(zé)任務(wù)，按要求比例培養(yǎng)無人機駕駛員、機長及教員。模擬森林火災(zāi)不同應(yīng)用場景，持續(xù)開展各種無人機操法的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，最大限度提升無人機操作人員的使用操作和應(yīng)變能力，滿足日常培訓(xùn)和實戰(zhàn)需求。二是加強與無人機行業(yè)優(yōu)勢企業(yè)的交流合作，建立適合自身發(fā)展的戰(zhàn)略合作模式，取長補短，相互學(xué)習(xí)和提高。三是熟練掌握森林火災(zāi)場景無人機應(yīng)用及相關(guān)操法，定期組織模擬實戰(zhàn)演練，交流學(xué)習(xí)無人機操作技戰(zhàn)術(shù)，不斷提升無人機操控水平，探討無人機多種模塊的組合運用。四是針對無人機實戰(zhàn)應(yīng)用領(lǐng)域開展專題調(diào)研，調(diào)研課題范圍包括極端天氣環(huán)境下無人機的壓力測試、任務(wù)載荷的深度應(yīng)用、不同機型實戰(zhàn)性能對比等方面。

四、結(jié)束語

在森林火災(zāi)滅火救援工作中，無人機在火情偵察、火場態(tài)勢感知、殘火監(jiān)護(hù)、災(zāi)后火調(diào)等階段都發(fā)揮著積極作用。為最大程度發(fā)揮裝備使用效能，實現(xiàn)人和裝備的最優(yōu)結(jié)合，要注意無人機配備類型和續(xù)航時間，強化不同場景下的設(shè)備使用操作，同時還應(yīng)明確各崗位人員職責(zé)任務(wù)，建立經(jīng)常性的戰(zhàn)評復(fù)盤總結(jié)制度，加大人才培養(yǎng)力度，以期在森林火災(zāi)滅火救援工作中發(fā)揮更大作用。