无人机系统在森林防火中的应用探析

赵佳

（黑龙江省减灾中心，哈尔滨150001）

森林火灾是森林自然灾害中破坏性、危害性极大的灾害之一。其突发性强、扑救难度大，一旦蔓延开来，会对森林资源及林区生态系统造成极大破坏，危及林区人民的生命财产安全。无人机是一种可远程操控的无人驾驶飞行器，在军事领域的发展应用已经相对比较成熟，近年来逐渐在气象、农业、林业等民用领域得到广泛的应用。无人机系统具有造价低廉、操作简便、机动灵活、使用安全等特点，相对于其他森林防火技术而言具有独特的应用优势，能广泛适应森林防火的各项工作任务需求，如森林防火日常巡护、森林可燃物调查、野外火源监控、森林火灾火情侦察与辅助扑救、灾后余火监测及火情调查评估等[1-2]。本文基于当前我国森林防火技术发展现状，就无人机系统在森林防火中的应用进行一些探讨。

1 森林防火监控技术发展简况

目前，我国已经形成了空、天、地多种技术相结合的森林火灾防控体系，在森林防火中应用的主要技术包括卫星遥感监测、航空巡护、瞭望台监测、地面传感/视频网络监测以及人工巡护等。

在森林防火技术中，航空护林技术可以说有效性最高，机动灵活，巡护范围广，识别火情准确，能够全方位快速侦查林区火情、火势。但传统航空巡护采用有人驾驶直升机与固定翼飞机，存在留空时间短、起飞及飞行受气象条件制约、使用成本高、具有潜在的人员伤亡风险等问题。虽然航空护林的优越性得到国内外的普遍认可，但由于其造价成本高、专业性强、维护成本高昂，使得其应用一直受到限制。我国目前所设置的航空护林站主要集中在少数大型林区，数量有限且设施老旧。随着森林防火需求的进一步提高，传统航空护林技术在森林防火实时动态监测方面多有不足。卫星遥感监测技术监测范围广，能够在较大范围内快速发现林区温度异常区域，在火灾发生后可以准确计算、判断林火燃烧方向、燃烧区域和面积大小，但也存在时效性不高、空间分辨率较低、识别能力有限等不足。瞭望台监测技术具有覆盖范围广、能及时发现初发火、技术应用简单等优点，但火点定位的精度不高，易存在视野盲区，在恶劣天气条件下监测效果波动较大。地面传感/视频网络监测技术是近年来随着传感器技术、视频通讯技术及网络技术的发展而兴起的一种新型森林防火技术，能够实时采集林区的各种防火要素，数据传输速度快、准确性高，但一次性投入大，需要在林区配置数量足够的传感器或视频监测模块，且设备折旧快，后期维护成本比较高；此外，一旦发生火情，监测终端处于火场环境，损坏率高，后续火情监测乏力。人工巡护是森林防火最原始、最基础的一种技术，是通过林区巡护工作人员实地作业来获取目标信息的一种方式，其人力投入成本高，有效覆盖范围小，尤其是复杂的林区环境，难以进行有效监测。

无人机是一种机上无人驾驶，可远程操控并回收重复使用的航空飞行器。无人机可以在无人操控的状态下，通过预先设定的程序进行自主飞行，也可以在地面控制人员的操控下完成半自动控制飞行。无人机造价成本低，性价比高，机动灵活，携载不同的仪器设备可以完成不同飞行任务，尤其是在一些不适合人类进入的危险环境下，无人机具有无可比拟的优势[3-4]。无人机最初的应用主要在军事领域，常用于战场侦察与辅助作战，近年来在民用领域得到了广泛的关注，应用领域逐步拓展。作为一种新型的航空平台，无人机应用于森林防火，可以有效解决传统航空护林的短板，其机动灵活、携带方便，起飞、降落要求不高，前期投入与后期维护成本远低于传统航空护林飞机，不但可以解决传统航空巡护无法夜航、能见度降低无法飞行等问题，更为重要的是解决了地面巡护时的覆盖面不足问题，尤其是对一些陡峭的大山林区，便于携带的多旋翼无人机可以有效扩大地面巡护的半径，对于早期林火的发现意义重大。此外，采用无人机系统还可以提高地方防火部门的自主性，增强地方防火部门森林消防管理的有效性。

2 无人机系统的组成结构及类型

无人机系统主要由地面控制系统、飞行器、机上有效载荷、发射与回收系统，以及地面维护系统等组成。飞行器是无人机系统的核心，主要由机体、飞行控制系统、动力系统以及数据传输系统等组成，通常所说的无人机，主要指的是无人机系统中的飞行器。

无人机从功能、用途、外观等方面可以分为多种类型。从外观结构上，可分为固定翼无人机和旋翼无人机；从动力驱动方式上，可分为电力驱动无人机和燃料驱动无人机；从功能用途上，可分为航拍无人机、通信无人机、宣传无人机、热红外侦察无人机及运输无人机等。无人机的类型决定着其性能和功能；有效载荷则决定着无人机功能的多样性。在无人机平台上搭载不同的设备仪器，可以实现无人机不同的功能用途，完成特定的工作任务。

3 无人机系统在森林防火中的优势

无人机系统应用于森林防火，属于航空护林的一部分，是航空护林的新兴力量和有力补充。与传统的航空护林相比较，无人机系统在小范围巡护方面更具优势，可以有效解决传统航空护林存在的一些缺陷及不足。传统的航空护林采用驾驶员驾驶飞机进行林区巡护监测，具有巡航速度快、覆盖范围广等优势；但传统航空巡护留空时间短，大范围巡护的时效性差，对林火实时动态监测不足，且驾驶飞机过程中受气候因素影响较大，飞行隐患多，一旦发生事故，损失与影响也比较大。我国目前用于航空护林的飞机总量不足，在森林防火期的巡护任务较重，护林压力大，无人机系统的应用在一定程度可以弥补我国航空护林力量的不足，提升航空护林的总体水平。

无人机应用于森林防火，最大的优势是能够较好地完成小范围林区的低空巡护任务，且受气象条件影响要小于有人驾驶飞机，具有全天候、超低空巡航观测的优势。无人机系统相较于传统直升机或固定翼飞机，造价低廉，性价比高，一次性投入及后期维护的成本较低，而且不需要专用的起落场地，环境适应性较强。目前森林防火领域应用的无人机一般由地方防火部门或林业部门管控，使林区防火巡护更具针对性与目的性，进行小范围的林火空中巡护监测更加便利。尤其是地面人工巡护队伍，利用多旋翼无人机，可以有效扩大巡护半径，解决了以往人工巡护存在的一些死角区域的监测问题。此外，无人机系统在应对一些火灾范围较小的一般性火灾及初起火扑救方面，响应速度快，机动灵活，优势十分明显。总的来说，无人机系统应用于森林防火，是现代森林防火监测与林火扑救的有力补充，应用前景十分广阔。

4 无人机系统在森林防火中的主要应用

4.1 林火监测预警

我国目前的森林火灾监测，主要是基于多技术应用的综合监测，形成空、天、地立体化监测体系。就卫星监测、航空监测、瞭望台监测及地面巡护等单项监测方式来说，均不同程度地存在一些缺陷与不足。无人机机动灵活、巡护范围广、性价比高，可以覆盖林火监测的大部分盲区，其作为一种新兴的林火监测方式，可成为当前林火监测体系的有效补充，改善现阶段林火监测的一些困境。

应用无人机系统，以无人机为平台，装载红外热成像仪、高清透雾摄像机等专用仪器设备，结合图像识别技术、GPS 全球定位系统等组成相对较为完备的森林火情监测预警系统。无人机可以按照预定的航线对林区进行空中巡查，也可以针对重点区域以及可疑火点通过地面人工操作下达指令改变飞行轨迹进行重点详查，并及时将巡查所获取的高清影像通过数据传输系统传送给地面指挥中心。同时，机载系统还能自动定位火情位置，实现火情的智能识别并发出预警。无人机系统应用于森林火灾监测，能够提高地面人工巡查护林的工作效率，便于了解火情的准确性，为林火扑救争取宝贵时间，实现林火的打早、打了。目前，深圳、珠海的护林队伍已将多旋翼无人机作为必需工作装备，并多次在巡山护林和野外火源管理中应用。无人机系统在森林防火中正发挥着重要作用。

4.2 灾情监测侦察与辅助扑救

无人机在森林火灾发生后的灾情监测侦察中具有良好的应用效果。林火发生后，火场周围环境会变得较为恶劣。受林木燃烧产生的浓烟影响，火场上空的能见度极低，风向也变化不定。配备高清摄像设备的无人机，能够在火场恶劣环境下较好地执行空中火情监测侦察任务，直观反映林火发生、发展态势，及时将实时影像传递至地面灭火指挥中心，有利于林火扑救方案的制定。与其他火情监测手段相比，无人机监测具有更高的安全性。

无人机搭载灭火弹在森林火灾扑救中也具有较好的辅助效果。对于一定范围内的森林小火及初发火，利用无人机可以快速高效实施定点投放，降低火源强度，为地面扑救人员争取宝贵的灭火时间。尤其是在一些地势陡峭，人员、车辆进入不便的林区着火点或是夜间着火不便扑救的情况下，无人机搭载灭火弹实施快速机动扑救效果尤为显著，不仅能够最大限度提高消防人员林火扑救的安全系数，而且降低了林火扑救的综合成本。此外，利用无人机进行夜间投弹灭火，更容易锁定扑救目标，提高灭火精度，将林火扑灭在初发状态。在地面扑救人员到达现场后，也更容易发现投弹灭火后的余火、暗火，提高林火扑救的有效性。

4.3 灾后余火监测

森林火灾扑灭后，对于余火目前主要还是依靠消防人员进行现场留守清理，巡查监测。但对于受灾面积大、林情复杂的火场，余火清理的难度较大。余火一般为阴燃，只有少量青烟或是无烟，具有较强隐蔽性，依靠人工巡逻清理，往往只有在余火扩大到一定范围才能发现，加上火场周边可燃物受热辐射影响变得十分干燥，稍有不慎，就可能火情再起，快速蔓延。无人机搭载红外热成像仪，在林火扑灭后从空中对火场进行余火监测，结合GPS 定位，可以直观显示火场的热值分布，标示出火场的易燃区域，为地面消防人员的余火清理指明方向，从而有效提高余火清理的效率，降低余火清理难度，也能够有效避免消防人员受余火复燃的威胁，增强火场余火清理的安全性。

4.4 火灾调查与灾情评估

在林火发生后，火灾调查与灾情评估一般是介入越早越好，尤其是对于起火点与起火原因的调查，时效性很关键。但森林火灾发生时，火场环境危险性很高，接近性很差，使用常规手段进入火场进行调查，对于调查人员的人身安全十分不利。利用无人机进行火灾调查，可以在灾情发生后的第一时间介入，对火场及其周边环境进行监测，大大缩小起火点的调查范围，甚至能直接捕捉到涉案人员的活动场景。因此，利用无人机进行森林火灾调查，其效果是其他传统常规手段所无法比拟的，时效性、安全性、灵活性优势明显。

在灾情评估中，以无人机搭载新型测量技术如GPS 测量面积、倾斜摄影、图像识别技术等，能够有效实现火场面积测算、受灾林木种类及林木蓄积量测算的精细化，提高评估的准确性，同时大大减轻灾情评估的工作量，使得灾情评估的工作效率更为高效。

5 结语

无人机系统在森林防火中的应用，还有一些关键问题亟待解决。

（1）无人机的燃料及续航问题。采用燃料驱动的无人机，相对来说续航能力更高，但采用燃料驱动无形中相当于携带了一个火源，应用的风险系数将大为提高。目前民用无人机的稳定性不是很好，进入环境恶劣的火场，一旦摔机可能会形成新的起火点。从无人机的发展趋势来说，电力驱动的无人机将会是发展的主流，目前的应用也更为广泛。但电力驱动的无人机电池续航时间短是制约其在森林防火中应用的瓶颈问题，如何解决这一问题，提升电力驱动无人机的电池续航能力将是未来无人机领域重点解决的关键问题。采用太阳能驱动无人机或是解决这一问题的方向。

（2）无人机的飞行控制精度有待进一步提高。相较于旋翼无人机，固定翼无人机的飞行控制更具难度，需要经过专业培训的人员来驾驭，这也是无人机坠机率较高的一大原因。进一步改进无人机的飞行控制系统，提高控制精度，降低操作难度，提升其智能化水平，是无人机未来需要重点解决的问题。

（3）无人机的有效载荷是决定其应用功能的关键指标。无人机本身只是一个搭载平台，其主要应用功能是靠搭载的各类仪器设备来实现的。因此，如何提高无人机的有效载荷，增强其功能的多样性也是未来无人机发展所要解决的一大关键问题，对其应用领域的拓展十分重要。采用性能更好、质量更轻的建造材料是解决这一问题的关键，这有待于材料科学的进一步发展。

此外，增强无人机的抗风性能，提高其稳定性；在森林防火方面还要考虑到无人机的耐高温性、耐摔性等，都是无人机在森林防火领域应用所要解决的一些关键问题。