无人机在森林消防领域的应用概述

李建有，张水锋，张思玉

（南京森林警察学院森林消防学院，江苏 南京 210023）

1 无人机的结构组成与分类

无人机主要由结构支撑模块、动力模块、飞行控制模块和功能任务模块构成。无人机的参数是对无人机性能不同角度的量化，是无人机性能的一种间接体现。各个模块对无人机的性能及用途起决定性的影响，同时也决定着无人机的分类。例如：在结构支撑模块方面，无人机在林业应用中按外观主要分为固定翼和旋翼无人机[1]；在动力模块方面，无人机按驱动方式分为电力驱动无人机和燃料驱动无人机等。虽然从某一单一模块来比较，无人机之间具有很大的差异，但是无人机的分类并不只局限于对单一模块的考虑。决定无人机性能和功能的因子很多，例如载重、飞行速度、飞行高度和抗风能力等。

对无人机进行分类的意义在于方便我们根据不同的性能需求来选择无人机，以提高无人机与其任务范围的契合度。例如，摄影航拍需要的无人机一般稳定性高、好控制，在执行单一航拍任务时对载重要求不高。市面上大部分航拍无人机以轻旋翼无人机为主，载重较小一般小于3 kg，具有稳定，定位精度高，操控灵活等优点。在农业植保方面，无人机的载重及航时较为人们所关注，植保无人机的主要诉求是大载重、长航时，因此采用以燃料为驱动方式的无人机较多，该类无人机在载重、航时方面能力突出。当然无人机所执行的任务不可能都是单一的，尤其是在森林消防领域。按照无人机功能的不同可将无人机分为航拍无人机、热红外监测无人机、宣传无人机、通信无人机和运输无人机等。根据森林防火不同的任务需求，研发设计和选择与森林防火领域需求契合度高的无人机，对无人机在森林消防领域的运用开发和前景研究中具有深远意义。

2 无人机与航空护林

无人机巡护是航空护林的一部分。作为航空护林的新兴力量，无人机与传统航空护林相比在小范围巡护方面有着相当大的优势，能有效弥补或解决航空护林存在的部分缺陷及问题。

传统航空护林一般主要靠有人驾驶飞机巡护监测，主要适用于大范围巡护，具有巡航速度快，覆盖范围广等优势[2]。但有人驾驶飞机受气候影响较大，飞行隐患多，发生事故的损失与影响大。就目前而言，我国森林航空消防正处于起步阶段，我国用于航空护林的飞机总量不足，航空护林站密度偏低但航次使用频率高，特别是在森林防火期航空护林的压力较大。要想解决这些问题需要长时间的准备和巨大的投入，进展较为缓慢。

无人机造价低，起降要求低，具有全天候、超低空观测的巡航优势，机动灵活。无人机不需要专用的起落场地，降落方式可采用垂直降落、滑行降落、伞降等方式。与传统航空护林相比，无人机主要适用在小范围区域进行低空巡护。森林防火领域使用的无人机一般主要由地方防火部门或林业部门管控，这使得一线防火部门具有空中巡护自主权，无人机巡护也相对更具有针对性，在空中进行小范围林火监测更加便利，目的性更加明确。在应对火灾范围较小、造成损失不大、不适宜动用有人驾驶飞机的一般火灾及初起火，无人机的优势是最明显的。

3 无人机在森林消防中的主要应用

无人机在森林消防领域应用广泛，涉及森林防火的各个方面。在森林火灾预警监测、火灾发生时的扑救辅助、余火监测、灾后损失评估等方面都可以发挥重要作用。提高森林消防的科技化和信息化水平，对更加便捷高效的扑灭森林火灾无人机具有积极的推动作用。

3.1 灾前林火预防与监测

在我国森林火灾监测主要有地面巡护、瞭望台监测、远程监测、航空监测、卫星监测5个层次。地面巡护投入人力大，巡护范围窄，巡护盲区多；瞭望台监测条件较为简陋和艰苦，我国大面积林区瞭望塔数量不足，密度小；远程监控该系统的应用水平及火情瞭望的覆盖率不高，大部分林区都难以覆盖，设备折旧快，后期维护投入大；航空监测资金投入多，受天气因素影响大；卫星监测时效性不高，空间分辨率较低，识别能力有限等。无人机快捷灵活，机动性能好，巡护范围广，资金投入时效性高。采用无人机监测不仅可以覆盖大部分盲区，除此以外还可以提高地方防火部门的自主性。无人机监测作为新的林火监测方式，可以有效减轻现阶段林火监测所存在困难。

以无人机为平台，结合图像识别技术、传感器技术、可见光及红外等通道与地面巡护协作，建立天上看，地下巡的立体监测模式。对林区进行林火监测，对林内人员进行监督，还能够进行森林防火宣传。贵州天柱县成立的“无人机飞行中队”,向全县人民空中广播森林防火公告和开展护林巡查。浙江省宁波市有关部门研发的无人机微波高空喊话系统，使无人机能够实现在获取图像资料的同时，对森林消防巡查过程中发现的远距离违章用火行为进行及时劝阻，方便在运营商信号覆盖欠佳的地区对巡山护林人员进行语音指引。

在高山峡谷森林地区，小气候直接影响着该地区的气象因子及植被等，尤其是对林火的影响不容小觑[3]。由于小气候显著的各个区域气象因子，植被，火险等级不一致，不同时刻，不同空间林火行为变化莫测。运用无人机获取各个局部区域的火险因子数据并进行火险等级分析对比，对火险等级较高区域进行重点监测和防治。当发生火灾时，可运用无人机对火行为进行实时监测，为火灾预防、扑救排兵布阵提供参考和依据，使防火更具有目的性和针对性。采用无人机遥感技术，结合计算机图形处理对地形进行分析并实现可视化[4]。有利于防火部门直观了解林区地形状况，方便森林防火规划，扑火预案的制定，在火灾扑救过程中寻找有利时机扑灭森林火灾。

3.2 灾中扑救辅助

在火灾发生时，无人机能辅助扑救。无人机可对火场进行跟踪航拍，传回火灾图像资料，有助于指挥者全面了解火场动态状况，对指挥者掌握火情，制定扑火方案起到辅助作用。无人机在距离火场较近的上空，可以对火灾区域气象变化进行监测，对火场态势、火势蔓延的判断及扑火力量的部署提供依据和方向。在广西百色右江区龙川镇那合村六陋屯突发的森林火灾中，火灾发生地点地处深山，火点观测不到，无法对火势进行判别。右江区林业局工作人员运用无人机对火情进行侦察，仅用十分钟，便完成了火场的火势、地形、范围等侦察任务，对扑火方案的审定起到很好的辅助作用。在高山地区，由于交通不便扑火队员在短时间内难以到达，或在陡崖、悬崖等地形复杂、扑火队员进行作业时危险因素多的地带，运用无人机悬停精度高、机动灵活等特点，对灭火弹进行改进，设计适合无人机空投的灭火弹及弹射装置进行无人机载弹灭火，对目标点实施精确打击。南安森林防火装备的无人机可以飞2 km远精准投放10 kg灭火弹，进行载弹灭火。

在原始林区，通讯基站往往覆盖不到，通信指挥车又难以到达，对讲机“脱网”距离有限，卫星通信又难以构建起火场指挥通信网，为火场指挥通信带来极大的不便。以无人机为搭载平台，搭载微型基站可以临时构建起火场通信指挥网，使火场无线电通讯畅通，也可配合搭载广播等通信设备，实现指挥部与灭火作战单位之间的信息互换，便于指令的传达。在九寨沟地震后，中国移动在九寨沟灾区使用无人机高空基站，解决了震后灾区的通信问题。这种无人机高空基站是利用无人机悬停在空中100 m，可以保障周边方圆50 km以内的手机都能有4G信号。

在交通不便的高山或偏远地区，可以采用无人机输送药品、食物等急需的物资，以缩短物资输送时间，解燃眉之急。美国无人机创业公司开发的Zipline无人机，启动全球商用无人机服务，按需为边远地区的医疗人员配送疫苗、药物和血液，现已为卢旺达全国21处输血设施点配送血液。在我国西南林区，高山林立，大多数情况下物资输送只能靠人力进行，应急物资的时效性较差，无人机技术的运用将大大缩短轻量急需物资的运输时间，提高运输效率。

在陌生地域，采用无人机对水源、地形等进行侦察，协助扑火方案及战术的制定。在夜间，采用无人机搭载红外设备对地形进行预先侦察。在山地等复杂地形条件下采用无人机进行导航[5]，可以有效避免扑火队员因对地形的不熟悉和夜间视距短造成人员伤亡。

3.3 灾后余火监测

现阶段对于余火还没有较好的管理办法，明火扑灭后主要依靠扑火队伍留守火场，对余火进行监测巡守。在余火清理过程中，情况错综复杂，尤其是在受灾面积较大，林情复杂，森林可燃物载量大的火场中，余火清理特别困难。余火一般以阴燃为主，较为隐蔽，常常只有少量青烟甚至无烟。由于热辐射作用，火场及周边可燃物含水率下降，可燃物变得干燥；一旦复燃，火灾迅速蔓延，火势大。许多大火灾就是由于余火死灰复燃造成的，火灾危害大。

目前余火清理的主要靠防火队员或群众进行巡逻清理。采用这种方式，一方面投入的人力多，另一方面人力巡守具有被动性。只有余火扩大到一定范围，或者发烟量变大产生明火才能被发现。在很多时候，当明火被发现时已经重新引起了森林火灾。采用无人机搭载红外监测或传感器系统等，根据火的特点，从空中对火场进行监测，温度或光感数据经过分析处理与火场地形图叠加，就能够直观地看出火场热值分布，标出较容易复燃区域，使扑火队员对余火清理具有方向性，有效提高余火清理效率，降低余火复燃率，减轻余火清理难度。

3.4 灾后调查与评估

林火调查与评估包括起火点和起火原因的调查非常讲究时效性。在发生火灾时，介入得越早对起火点、起火原因的调查就越有利。当火灾发生时，火场环境是极其危险的，若此时调查人员直接近火场，安全隐患较多。采用无人机可以在第一时间内直接对火场及周边情况进行监测，从而大大缩小起火点调查范围，甚至有时候可以用无人机直接捕捉到涉案人员活动画面，为森林火灾案件的侦破提供便利。

火灾扑灭后要对受灾情况及损失进行评估，火场面积测算与受灾林木种类及林木蓄积测算是评估中的重要组成部分。过火区域形状较为复杂，而且受坡度地形等因素的影响，要想较为准确地测算火场面积难度较大。现在，无人机搭载GPS测算面积，已经在实际中运用；倾斜摄影等新技术逐渐发展，已有部分公司开发出相关的产品。将无人机作为搭载平台以新型测量技术为依托，有利于实现火场面积测算的便捷化和精细化。

火灾发生后，植被受到毁灭性打击，特别是在火强度大、火烈度强的严重受灾区，植被基本被烧光。这些区域内林木种类和林木蓄积的确定尤为困难。运用无人机遥感技术对林木蓄积量进行测算[6]或运用无人机遥感系统结合图像识别技术[7]对林木种类进行识别，可以对火场植被信息进行实时采集。火灾结束后，对采集数据进行分析处理，在很大程度上可以大大减轻火灾调查评估的工作量。随着科技的发展，在林木种类和林木蓄积识别的精准度方面会有很大的提高，使火灾评估更贴近实际值。

4 无人机在森林消防领域应用前景

总而言之，无人机是森林消防的有力助手，无人机在森林消防领域拥有广阔应用前景。现阶段在我国多个省份无人机已经开始被运用到森林防火领域，很多地区都组建了无人机大队、无人机中队等。无人机在森林防火领域中发挥的作用也日渐多样化。

无人机作为一个空中搭载平台，搭载设备的技术更新，不断完善着无人机的功能，在森林消防的各个过程中发挥巨大作用。在监测扑救方面，无人机充当着指挥者的“眼睛”，通过搭载仪器设备，及时掌握火场状况，辅助指挥决策，特别是在应对地下火和余火监测方面有着巨大的发展前景和研究价值。在相关技术发展中，无人机并不是独立使用的。无人机作为搭载平台，随之配套辅助的还有各个软硬件系统。开发构建基于无人机搭载平台的系统，把无人机更好的融于森林消防的各个方面，为森林防火工作提供便利。

随着人工智能技术飞速发展，人工智能技术已经渗透到我们生活的方方面面[8]。将人工智能技术运用于森林消防领域是今后的发展趋势。近几年3D打印技术迅猛发展，日渐成熟，将3D打印和人工智能技术运用到无人机领域将会大大降低无人机的造价，提高无人机的性能和执行任务的能力[9]，使无人机在森林消防方面贡献巨大力量。

5 当前无人机在森林防火领域待解决问题

在当前，无人机存在着许多亟待解决的技术难题。在续航方面，航时较短，能源和动力问题是制约无人机发展的瓶颈。一般以燃料为动力续航时间相对较长，但是存在的危险性也较大。若使用燃料无人机，无形中携带了一个火源。就目前科技而言，民用无人机的稳定性不是很好。在火场中，可能在烟气中飞翔时，由于供氧不足容易引起发动机熄火，坠机率较高。一旦坠机易形成火源，引发森林火灾。今后，无人机动力提供主要为电能。现在以电力为动力的无人机是运用最为广泛的无人机，但是其续航时间太短是其致命的短板。如何解决无人机电池续航能力也是现在无人机领域研究重点和难点。

在无人机材料和设计方面，采用什么样的材料能够减轻飞机质量，提高载重，增强飞机的抗风能力，在防火方面还需考虑无人机的耐温能力，如何增强无人机的耐摔性能，提高无人机稳定性等问题也有待解决。

在飞行控制方面，飞行控制精度还有待提高，无人机的坠机率较高，尤其是固定翼无人机，操作技术要求较高，飞行控制难度较大。改善飞行控制系统，减小飞行操作难度，实现无人机人工智能也是需要解决的问题和研究放方向。

无人机是一个搭载平台，无人机具备的功能主要由无人机搭载的设备及系统来实现。无人机在森林消防领域的发展速度除自身外，与各新型技术有着很大的联系。在发展无人机的同时也要对无人机的功能进行探索，将新科技融入森林消防无人机领域来，实现无人机在森林防火领域的飞速发展。

[1]王振师,周宇飞,李小川,等.无人机在森林防火中的应用分析[J].林业与环境科学,2016,(01):31-35.

[2]魏振宇.对我国航空护林发展问题的思考[J].黑龙江科学,2014,(10):56.

[3]钱柯君,方逵.森林小气候研究在森林防火中的应用前景[J].农村经济与科技,2015,(11):57-58.

[4]杨秀峰.基于无人机遥感数据的三维地形快速重建技术研究[D].郑州：河南理工大学,2014.

[5]王磊.复杂地形环境下的无人机导航问题研究[D].哈尔滨工业大学,2013.

[6]付凯婷.无人机遥感技术估算桉树蓄积量的研究[D].南宁：广西大学,2015.

[7]唐晏.基于无人机采集图像的植被识别方法研究[D].成都：成都理工大学,2014.

[8]杨焱.人工智能技术的发展趋势研究[J].信息与电脑(理论版),2012,(08):151-152.

[9]吴怀宇.3D打印三维智能数字化创造[3D Printing Three-Dimensional Creation Via Intelligent Digitization][M].北京：电子工业出版社,2015（第2版）.