无人机在林火防控中的应用

刘玉洁，吕振义，刘亚京，吕文红

（1山东科技大学 交通学院，山东 青岛 266590；2深圳市科卫泰实业发展有限公司，广东 深圳 518126）

1 引言

森林火灾具有“速度快，突发性强，破坏性大”的特点，是世界八大自然灾害之一。一旦发生火情，火灾将迅速向四周蔓延，救灾处置难度大，是森林的最大威胁[1]。

2014-2018年，我国发生森林火灾14 374起，受害森林面积达 79 085.59 hm2，伤亡 259 人[2，3]，损失惨重。随着全球气候暖干化的发展,中国气候出现持续高温、干旱的频率增加,林火数量和过火面积有逐年上升的趋势[3]。因此，森林防火形势十分严峻，提高森林火灾防控水平成为我国林业建设工作的重中之重。

无人机具有便于携带和布防、展开迅速、造价低廉、使用成本低的优势，能够从空中实时监控森林火灾的具体情况，及时发现人工难以觉察到的小区域着火点，避免火灾的进一步扩大，因此，近年来在林火防控中得到广泛应用。

1998年，吕厚谊[4]预计无人机未来在森林防火、气象观测、大地测量等民用领域会有用武之地。2004年，陈军[5]提出现有消防技术手段单一，无法完全应对高层建筑火灾、交通火灾、大型输油管道火灾、核电站险情救援以及森林火灾的问题，需要更为有效的灭火手段，消防民用无人机技术已经成熟，是目前最可行和有效的方案。2007年，于洋[6]提出传统直升机受气候影响较大，飞行隐患大，无法保证驾驶员的安全，而无人机采用远程操控或自主巡航，不存在人员伤亡的危险，能够独立在森林上空进行火情侦察工作。2009年，杨斌等[7]提出根据森林火灾烟的光谱特性，在颜色特征识别的基础上，建立分析识别模型，使用线性噪声清除方法，满足实时性的要求，解决无人机遥感在森林火灾监测中的自动识别问题。2012年，马瑞生等[8]提出实时视频传输和无人机技术结合起来，形成无人机林火监控平台。2015年，张增等[9]使用无人机遥感的高分辨率图像进行森林火灾的检测，首先使用RGB颜色空间确定可疑的火灾区域，排除大部分的无火图像，再利用HSV颜色空间进行图像分割，最后在灰度共生和火灾边缘识别的基础上进行火灾区域的多维特征提取，并利用支持向量机完成火灾识别过程。2017年，张庆杰等[10]根据林火与森林在颜色、亮度上存在显著差异，利用视觉显著性算法确定林火的疑似区域，之后基于协方差矩阵提取疑似区域的时空分块图像的颜色、纹理和帧间差分特征，最后利用支持向量机进行训练和分类，按照一定的判据进行林火监测。同年，黄子健[11]通过分析航空抖动的原因，结合电子稳定原理，提出了基于光流法的电子稳像算法，提高图像传输质量；与此同时，研究了森林火灾红外图像的特点，选取圆形度、面积、变化率和纹理特征作为火焰特征，设计了基于支持向量机的红外图像火灾识别。

在林火监测技术发展的过程中，应用无人机定位技术和图像处理技术提高林火检测准确性的研究也在不断发展。

2014年何诚等[12]提出利用GPS和微波测距对森林着火点进行精准定位的方法，解决了旋翼无人机在飞行过程中实时精准定位森林着火点的难题。郭伟等[13]认为森林环境复杂，传统火灾监控方法不能满足现代林火监控的要求，从而在无人机和动态特征分析的基础上，提出视频图像火灾监控算法；同年，赵伟等[14]提出在无人机图像采集和改进后的BP神经网络同支持向量机分类器结合基础上的图像识别方法，以此来提升火灾图像收集的准确度。2016年，赵飞[15]提出利用GPS和搭载摄像机的双无人机定位方法，通过模拟火灾燃烧试验，以无人机及飞控系统为主要手段获取无人机实际飞行参数、无人机航空摄影林火数据,以地面PTK GPS高精度定位系统和全站仪+PDA（笔记本电脑）进行火点精准定位,对双无人机定位精度进行检验，能够准确、快速地定位着火点。2019年，单会见[16]提出改进无人机烟火识别算法，在颜色指数的基础上改进算法，根据无人机在飞行过程中实时传回的视频图像，结合林火定位算法，精确定位森林火灾的发生情况。同年，陈燕红[17]提出采用局部二值模型特征提取与支持向量机分类结合的方法进行烟雾检测，对林火进行初步判断，建立CNN-9及CNN-17模型，实现了基于CNN的烟雾及火焰检测，并对图像进行预处理，提高了林火监测的准确率，还以Squeeze Net为骨干网络对优化的模型进行火焰区域分割。

这些研究表明，无人机应用到森林火灾的过程中，逐渐与各种先进的图像识别技术结合，并不断提高无人机在林火防控中的图像传输精度和准确度，以满足现代森林防火对无人机提出的更高要求。

2 无人机在林火防控中的应用

20世纪60年代起，直升机逐步应用于护林和林火防控。目前主要开展空中巡护、吊桶洒水作业、索降灭火等工作。由于森林大火多发生在山区，海拔高、气候条件复杂，直升机受气候影响大，飞行隐患多，在这种恶劣环境下飞行，会危害直升机上救援人员的人身安全。无人机具有机动灵活、便于携带和布防、展开迅速、造价低廉、使用成本低的优势，它能够克服恶劣天气状况，协助消防员执行火灾扑救工作，不需要将操作人员置于危险之中。因此，近年来无人机开始被逐渐地应用到林火防控领域，并得以迅速发展。

2.1 无人机性能简介

民用无人机种类多样，有旋翼、固定翼、混合翼等，其中，旋翼无人机又可以分为多旋翼与单旋翼。多旋翼无人机因其机动灵活、操作简单、安全性高、成本较低等优点得到广泛应用。由于工作环境不同，无人机又分为工业级无人机和消费型无人机。表1以多旋翼无人机为例，对工业级与消费型无人机进行性能对比。

由表1可以看出，消费型无人机的续航时间理论上仅有30 min，在高海拔地区的实际续航时间更短，并且它的抗风性能差，难以适应高原地区的工作环境。工业级无人机续航时间长、飞行距离远、载重量大、抗风能力强、适合各种恶劣天气和地形，能够在高海拔、地形条件复杂的林区执行日常巡逻工作，也能在森林火灾发生时完成火情侦察的任务。因此，一般在防控森林火灾中所使用的无人机通常都是工业级无人机。

表1 多旋翼无人机性能比较

2.2 无人机林火防控案例

2011年3月31日，广东省仁化县红山镇长珠坑，利用小型旋翼无人飞行器监测炼山林火，所拍摄的实时影像数据能够直观地反映林火发生、发展过程中的火烈度、蔓延方向和过火面积，结合对山地环境、地表可燃物和气象因子的调查数据，为灾后评估提供有力技术支撑[18]。

2014年4月26日，立陶宛风景区发生大火之后利用eBee无人机进行灾后数据的收集，相关专业人员根据无人机收集的数据，绘出火灾区域准确的正射影像图，计算出准确的受灾植被总面积和损失[19]。

2016年3月2日，甘肃省迭部县达拉林场发生森林火灾。KWT-Z6M折叠式六旋翼无人机拍摄并实时传输火点周围地形及环境，同时将着火点的经纬度发给直升机，协助直升机进行水箱空投灭火[20]。

2018年11月8日，美国加州北部多地发生山火，运用EcoDrone UAS-4热成像无人机绘制大火肆虐的区域。消防员根据传回的图片，制定应对策略，为扑灭火工作提供了有力的技术支持[21]。

2019年3月30日，北京市密云区东绍渠镇高各庄村村南发生山火。消防员采用ZT-3V复合翼无人机协助火灾侦察工作，在无人机上搭载红外视频在高空进行实时监控，将实时视频传送至指挥中心，协助地面指挥人员制订最佳救援方案。在大火扑灭之后，无人机挂载红外吊舱继续工作，彻查复燃点。无人机对灭火工作全程进行有效追踪[22]。

2019年4月8日，四川凉山州木里火灾复燃，消防人员利用ZC-3V复合翼无人机搭载30倍变焦的三轴稳定双光光电吊舱进行复燃火灾的监控工作，实时传回清晰画面，帮助消防人员及时准确地把握现场情况[23]。

2019年4月16日，陕西商洛森林大火，科卫泰KWT-X6L-15大型六旋翼无人机在火场上空进行火情侦查，搭载30倍变集云台，将火场位置、轮廓、蔓延方向以及灭火人员所在区域等图像信息清晰地传送给指挥员，为火灾的高效扑救提供了有力支撑[24]。

通过上述案例可以看出，无人机在林火防控中发挥的作用主要是火情侦察、灾后勘察和灾情评估。

2.3 无人机在林火防控中的优势

1）火情侦察，科学决策。森林火灾多发生在山区。由于山中地形复杂，通信不便且气候条件多变，如果消防人员在着火情况不明的条件下贸然进入现场，很可能会有意外情况发生，危及消防员自身安全。因此，可以先利用无人机搭载摄像设备在高空进行实时火情侦察，将拍摄图像及时传送给指挥人员，制订出科学有效的救援方案，再由消防员进入现场，能够大幅度减少救援人员的伤亡。

2）余火监控，提早发现复燃点。明火扑灭之后需要对余火进行清理，防止余火复燃，重新形成森林大火。当着火面积很大时，再加上林区条件复杂，可燃物多，人工进行余火监控比较困难。并且余火十分隐蔽，通常只有青烟或者无烟，只有当余火逐渐燃烧，渐渐变成明火的时候，才能够被人注意到。这个时候可能已经重新形成森林大火，造成二次灾害。无人机可以搭载红外监控和传感器等设备在高空进行余火监测，温度或光感数据经过分析处理与火场地形图叠加，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）灾后调查，精确评估。森林火灾发生过后，需要对实际的受灾区域进行实地勘察和损失评估。受到地形条件的约束，人工勘察结果往往并不精确。利用无人机空中拍摄的照片,结合地理信息系统和GPS全球定位系统,可确定火场的轮廓、面积、林木受损情况,为灾后评估提供技术支持[25]。同时，无人机能够辅助确定着火原因，提高灾后事故调查效率。

2.4 无人机在林火防控中的局限

1）无人机环境监测能力有待提高。目前，无人机没有准确测量风速、风向和预警的功能，也不能对当前极端气候发出实时警报。山区是森林火灾的多发区，且地形复杂、环境多变，在森林火灾的救援过程中，很有可能会因为环境的变化，出现一些突发情况。在林火的扑救工作中，无人机的作用主要局限在森林上空进行火情监控，不具备监测林火周围环境变化（如风力、风向等）的能力。在四川凉山州木里火灾救援过程中，就是由于无法预测的山中风向突变，导致“爆燃”发生，带来无法挽回的损失和人员伤亡。

2）载重能力小。无人机在高原地区难以搭载足够的灭火弹、水箱等灭火器具，以实现无人化的林火处置。高原地区发生森林火灾时，一般需要依靠消防员背负消防器具到达火灾现场，对消防员的体力消耗较大，耗费救援时间，增加了救援难度。

3）续航时间较短。目前应用最广泛的多旋翼无人机主要是靠锂电池供电，而锂电池无法做到100%均衡充电和放电，功率大的电池的充电时间又比较长。这些是限制无人机续航时间的主要因素。进行通信中继的无人机更需要长时间的续航能力。在高原地区，氧气稀薄，无人机的效率会大幅度下降，在4000 m海拔的高原上最多能够飞行50 min。

固定翼无人机在高空盘飞，抗风能力有限又会影响到载人飞机的作业。小型系留式无人机虽然可以连续滞空24 h，但是目前其工作高度最多达300 m，无法担任高海拔地区的林火防控工作。

4）抗干扰能力有待提高。无人机在进行火灾救援工作时，容易受到现场其他救火设备的电磁干扰而发生坠机事故或者不能够正常使用，影响救援，增加火灾扑救损失。无人机依靠控制器（遥控器）进行数据传输、通信，本身具有一定的抗电磁干扰的能力，但是超过抗电磁干扰的限值，就会导致无人机控制失灵。

3 林火防控中无人机发展趋势

未来的无人机林火防控中，应结合无人机技术的发展，在火灾环境信息监测、无人机与消防员协同作战以及无人机与载人直升机协同作战等方面不断积累经验，发挥无人机在林火防控全过程的优势。

1）提高环境监测能力。无人机执行林火侦查任务过程中，检测环境（风力、风向、温度等）变化情况，并能够将风速变化情况实时传递给地面工作人员，预估森林火灾的演变趋势，提前发现异常情况，辅助救援人员科学决策，减少人员伤亡和财产损失。

2）提高无人机的续航性能，尤其是在高原地区恶劣的工作环境中，为进行中继通信的无人机提供长时间的续航能力，以确保无人机能够更好地执行林火防控任务。

3）具备灭火器具和灭火弹投送功能，与消防员协同工作。在高原地区，由于空气稀薄，扑火队员爬山非常吃力，再携带灭火器具，会更加困难。采用无人机进行器具投送，可以有效降低消防员的劳动强度。对于确定无人的小型火点可以直接用无人机投放灭火弹。

4）与载人直升机协同工作，取长补短，共同发挥作用。直升机负载能力强，续航里程长，但在森林火灾发生时，空中的能见度会降低，载人直升机无法确定火灾的具体情况。无人机能够搭载摄像设备和影像传输设备进行火情侦察和传输，可以弥补载人直升机的缺陷。因此，多机种相互协同，取长补短，将大幅度提高林火扑救效率，降低人员伤亡。