高原重載無人機在青藏高原森林草原防火中的應用

劉維棟 宋傳曉 孫鳳文

（青海省森林草原防火預警監(jiān)測和物資儲備中心,青海 西寧 810008）

青海作為青藏高原重要核心區(qū)域，是“中華水塔”“三江之源”，最大的價值在生態(tài)、最大的責任在生態(tài)、最大的潛力也在生態(tài)，生態(tài)地位特殊而重要。獨特的山水林田湖草沙冰自然資源是青海推進綠色發(fā)展,全面建成小康社會的基礎和條件。進入新時代，青海把保護生態(tài)作為“國之大者”“省之大要”，全面貫徹“把青藏高原打造成為全國乃至國際生態(tài)文明高地”重大要求，全力打造生態(tài)文明思想實踐新高地和生態(tài)安全屏障的新高地，全方位推動青藏高原生態(tài)系統(tǒng)保護和修復工作，尤其是在森林草原防滅火方面，利用高原重載無人機[1]，實現(xiàn)對國土空間全時全域立體監(jiān)控監(jiān)管，有效提升了青藏高原森林草原防火現(xiàn)代化管理水平。

1 高原重載無人機概況及優(yōu)勢

1.1 高原重載無人機概況

2020年，為突破無人機在高海拔地區(qū)續(xù)航短、載重低、故障多等瓶頸，青海省林草局聯(lián)合無人機科研公司開展科技攻關，圍繞高海拔、長續(xù)航、大重載無人機[2]在青藏高原森林草原防火、防災減災救災等方面進行深度開發(fā)研究，研發(fā)出“青海省‘567’（海拔5 000 m、續(xù)航6 h、載重70 kg）無人機技術體系”，由高原重油監(jiān)測無人機、高原重載消防無人機、高原單兵便攜式偵察無人機3 款機型組成，取得高原重載無人機相關操作系統(tǒng)軟件著作權10 項,實用新型專利5 項。3 款高原重載無人機在青海省森林草原防滅火工作中發(fā)揮了積極作用。

1.1.1 高原重油監(jiān)測無人機 高原重油監(jiān)測無人機是一種活動半徑在700～1 000 km范圍內(nèi)的監(jiān)測預警無人機。最高作業(yè)海拔5 000 m以上，搭載三光吊艙、北斗通訊，通過熱成像，光感儀，激光雷達[3]覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域。采用重油[4]引擎作為動力來源，有效航時大于10 h。通過巡航點設置進行無人飛行，對大面積林區(qū)、草原進行全天候監(jiān)測。能做到第一時間發(fā)現(xiàn)火情，并通過實時通訊將數(shù)據(jù)傳輸至智慧消防系統(tǒng)，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)化、可視化。主要用于日常巡邏監(jiān)測或重要時期常態(tài)化監(jiān)測。其主要有三個特點：一是重油熱效率高，油耗低，成本低，比汽油發(fā)動機降低30%～50%；二是重油長時間儲存不易揮發(fā)、不易變質(zhì)、不易燃燒，露天燃燒溫度在260～315 ℃，燃點高，不會因追擊或其他意外墜機發(fā)生爆炸事故，使用安全；三是重油能保證無人機發(fā)動機在低溫、低壓等高空環(huán)境下穩(wěn)定運行，降低機械故障率。

1.1.2 高原重載消防無人機 高原重載消防無人機[5]最高作業(yè)海拔5 000 m以上，載重70 kg，航時30 min。通過模塊化掛載方式可實現(xiàn)掛載9 顆滅火彈或救援物資進行精準投放。同時，利用10 架組成的無人機機群作業(yè)方式能顯著提高森林草原火災滅火成功率與滅火面積，并可對重點部位火點進行密集投彈做到集中力量攻堅打擊。單架次滅火面積100 m2，10 架次機群滅火面積1 200 m2。搭載的滅火彈可通過高度設定在火源上方爆破使干粉充分擴散增加滅火效率。

1.1.3 高原單兵便攜式偵察無人機 高原單兵偵察無人機[6]靈活輕便，部署迅速。最高作業(yè)海拔5 000 以上，航時120 min以上，具有長航時和單人可背負優(yōu)點?？勺鳛榛鹎楝F(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測無人機為現(xiàn)場指揮員提供高空第一視野?；蛟谥赜脱埠綑C監(jiān)測報告火點位置后，單兵偵察無人機迅速抵達火點位置，通過高成像分辨鏡頭為指揮室提供實時畫面，為后續(xù)作業(yè)提供關鍵數(shù)據(jù)。并可掛載喊話器、照明設備等用于應急輔助。

1.2 高原重載無人機優(yōu)勢

青海因受高海拔、高寒、干旱、大風等氣候條件影響，自然生態(tài)表現(xiàn)出脆弱、敏感和不穩(wěn)定性，若發(fā)生森林草原火災，生態(tài)系統(tǒng)很難修復。歷年來，青海農(nóng)事用火、民俗用火、生產(chǎn)用火頻繁。因地廣人稀，加之衛(wèi)星監(jiān)測、視頻監(jiān)控、人工巡護存在短板，對火情早發(fā)現(xiàn)、早報告、早處置的能力不足[7]，發(fā)生森林草原火災的機率較高。2021年通過應用高原重載無人機開展森林草原防滅火工作，火情火災多發(fā)勢頭得到有效遏制，高原重載無人機發(fā)揮了重大作用，呈現(xiàn)出多項優(yōu)勢。

1.2.1 操作簡單，實用高效 1）實用高效。高原重油監(jiān)測無人機航時長、速度快、距離遠、載荷大，起降方式不受場地和空域限制，在山區(qū)、丘陵、叢林等復雜地形順利作業(yè)。因森林草原防火重點區(qū)域主要分布在城市周邊新造林地、退耕還林地和國有林場，監(jiān)測巡護面積大，高原重油監(jiān)測無人機連續(xù)飛行監(jiān)測時長可達到6～10 h，監(jiān)測面積每小時達到4 667 hm2以上。2）智能化程度高[8-9]。雙GPS，雙磁羅盤冗余設計，保障飛行任務；具有ECU飛行電腦功能，實時監(jiān)測飛行高度、速度、油壓、油溫等，精確控制發(fā)動機霧化噴油及火花塞工作及其他控制作業(yè)。搭載工業(yè)級或專業(yè)級垂直起降固定翼飛控與捷聯(lián)慣導系統(tǒng)及專業(yè)的航拍航測、巡檢地面站軟件，保證無人機全程自主飛行，無需操作人員干預，完成自主起飛、高空云中飛行狀態(tài)轉換、自主巡航、自主降落等功能。并支持100 個航點的自動航線規(guī)劃。

1.2.2 成本降低，效率提高 高原重載無人機多用于對元旦、春節(jié)、清明等重要時段、對國家公園、國有林場、旅游景點、城市面山、墳塋公墓、廟宇道觀、燒香祭祀等重要區(qū)域的重點巡護[10]。在高海拔、低溫大風氣象條件下，利用無人機機動靈活的特點，通過搭載的攝像頭，可高空俯瞰林區(qū)，可視距離遠，監(jiān)測面積大，大大緩解了巡護人員不足的壓力。當火災發(fā)生時，對火場大小、火勢、發(fā)展趨勢、撲火隊伍行進路線、緊急避險區(qū)域和緊急避險撤離路線等進行全面?zhèn)刹?。即最大限度縮短偵查時間，又可以有效避免偵查人員傷亡。

2 高原重載無人機在青海森林草原防滅火中的應用

2022年，青海省緊緊圍繞三江源、祁連山、青海湖、柴達木、湟水谷地“五大生態(tài)板塊”，按照“固移結合、防救統(tǒng)一”原則，在點、線、面上科學搭配高原重油監(jiān)測無人機、高原重載消防無人機、高原單兵便攜式偵察無人機，3 種機型密切配合、無縫銜接，解決了地面視頻監(jiān)控范圍有限、無法跟蹤火情，人工巡護周期長、效率低，人工撲救難、安全性低[11]的工作難點、盲點、堵點，實現(xiàn)了高原森林草原防滅火無人機從無到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到精、從精到強的有效轉變，填補了青藏高原森林草原防滅火高載重無人機空白，為森林草原資源巡護和防滅火提供了重要技術、裝備保障，為高原高寒高海拔地區(qū)無人機防滅火應用提供了有益借鑒。

2.1 違規(guī)用火巡護監(jiān)測

根據(jù)全省森林草原火災風險普查風險評估、防治區(qū)劃和林草資源分布，將森林草原火災風險區(qū)域劃分為35 個巡護網(wǎng)格，在防火期采用8 架高原重油固定翼無人機搭載三光吊艙（熱成像+30 倍光學變焦+激光測距），按照前期設定的飛行航線[12]，定期完成巡護監(jiān)測任務，及時發(fā)現(xiàn)巡護區(qū)域內(nèi)違法焚燒垃圾、秸稈等違規(guī)用火和火情火險，進行火情的智能識別及預警[13]，實時傳輸影像信息，為指揮中心決策部署提供依據(jù)，2023年，在春季和秋季農(nóng)事高峰期，采用8 架高原重油無人機巡護監(jiān)測80 余架次，及時處置林農(nóng)結合地帶違規(guī)焚燒秸稈、雜草等違規(guī)用火12 次。

2.2 林草火情動態(tài)監(jiān)控

利用高原重油無人機巡護發(fā)現(xiàn)森林草原火情后，圖傳到指揮中心，指揮中心立即調(diào)度無人機操作人員，迅速使用高原單兵便攜式偵察無人機，圍繞火場定點盤旋偵查，實時獲取火點位置、火場蔓延范圍、風力風向氣象信息、火情火勢信息、人員分布信息、空中氣體監(jiān)測數(shù)據(jù)，將視頻信息、數(shù)據(jù)監(jiān)測信息等通過中繼站、5 G網(wǎng)絡等傳輸手段傳回到生態(tài)管護員移動端和各級森林草原防火指揮部門終端[14]。通過數(shù)據(jù)分析、影像識別，直觀判斷著火位置、火情發(fā)展蔓延趨勢，為指揮部門提供可靠準備的決策部署依據(jù)，確定最優(yōu)的滅火位置，迅速調(diào)配撲救力量進入重點區(qū)域展開撲救。夜間，搭載照明系統(tǒng)、喊話系統(tǒng)，為撲救人員安全撤離提供最佳路線，保障撲救人員人身安全。

2.3 違法行為警示教育

在每年的春節(jié)、清明等重要時間節(jié)點，利用高原單兵偵察無人機搭載語音傳輸和擴音模塊，對城市面山、墳塋集中區(qū)進行重點巡護，在巡航過程中，對發(fā)現(xiàn)的違規(guī)民俗用火、農(nóng)事用火、生產(chǎn)用火行為，及時錄像取證，喊話制止[15]，并在空中進行防火宣傳教育，做到防患于未然。

2.4 前期撲救余火處置

通過高原單兵偵察無人機確定起火點以后，以5架高原重載消防無人機為編隊，搭載70 kg9 彈頭滅火彈到達火場，通過雷達精準定位，距離樹冠2 m的高度處爆破，增大滅火面積。森林草原火災撲滅以后，利用高原單兵偵察無人機對余火復燃進行監(jiān)測預警。通過搭載紅外熱成像儀，對火場范圍內(nèi)進行巡航監(jiān)測，根據(jù)回傳的火場熱力值，分析判斷可能復燃的位置，及時調(diào)度撲救人員對余火進行清理，減少余火復燃，提升森林草原滅火效率。

2.5 火災災損勘查評估

森林草原火災撲救工作結束后，災損調(diào)查與評估組利用高原重油監(jiān)測無人機和高原單兵偵察無人機高低、遠近配合，對森林草原受災區(qū)域進行航片拍攝，將拍攝數(shù)據(jù)進行模型建模處理，對比分析火災前后災區(qū)的正射影像圖，依據(jù)森林草原資源庫數(shù)據(jù)，測量森林草原受災面積、測算受災植被損失量，快速、高效地完成災情勘查和定損等工作，提高了評估效率和準確性，更加精準有效的制定生態(tài)恢復方案和開展恢復狀況核查等工作。2022年，在果洛州達日縣、海西州天峻縣草原地下火科技攻關項目中，利用高原重油監(jiān)測無人機和高原單兵偵察無人機傾斜攝影建模，建成了攜帶GIS信息[13]的三維實景模型，這有助于草原地下火發(fā)生、蔓延的研究。

3 結語

高原重載無人機在青海的推廣使用，有效提升了無人機在青藏高原森林草原防滅火中的應用水平，提高了對森林草原火災的事前預防能力、事中撲救能力、事后定損能力，為有效保護林草資源安全和人民群眾生命財產(chǎn)提供了有力保障。然而，高原重載無人機在森林草原防火應用中，還有一些專業(yè)飛行人員培訓難、設備維護難、運維資金保障難等問題亟待解決。比如無人機購買保險因沒有相關標準和依據(jù)，購買保險不科學、不合理；基層專業(yè)飛行人員培訓拿證后，因工作變動，飛手隊伍不穩(wěn)定。總之，高原重載無人機技術的推廣使用，有利于提升森林草原防火的監(jiān)測預警能力，具有在青藏高原良好的應用推廣空間和發(fā)展?jié)摿Α?/p>