林火防控中多旋翼无人机的应用分析

杨 兰 孟凡烨

(国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086)

根据全国绿化委员会办公室发布的《2019年中国国土绿化状况公报》显示，2019年我国共完成造林706.7万公顷、森林抚育773.3万公顷，种草改良草原314.7万公顷。截至目前，全国森林覆盖率达22.96%，森林面积达2.2亿公顷。但树木的生长发育周期短则两至三年，长则可达数十年，在森林大火袭击后短时间以内难以复原。如果森林火灾在一定区域内多次发生，森林中的动物、植物资源将受到毁灭性的打击，森林的荒芜化成为必然趋势，森林中的生态平衡将遭到巨大破坏。为此，森林火灾的防控是森林保护工作的重要组成部分之一。

2019年，全国共发生森林火灾2345起，其中重大火灾8起、特大火灾1起，受害森林面积达135.05km2，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[1]。2019年，受厄尔尼诺现象影响，全球森林火灾多发高发。我国部分地区也遭遇了50年不遇的极度干旱，高温大风干雷暴等极端天气明显增多，森林火灾形势十分严峻。因此，森林防火形势十分严峻，如何提高森林火灾防控水平成为我国林业建设工作亟待解决的问题[2]。

1 国内外林火防控技术现状

1.1 护林员巡检与观测塔

依靠人工与观测塔是国内外比较常见的森林火灾防控手段。在一些国家和地区，仍需要依靠护林员与观测塔等手段对森林火灾进行防控。护林员可借助摩托车、越野车等工具进入森林进行巡检。但是，护林员在巡检过程中受到林木严重阻碍和遮挡，影响视线，只能看到一定区域内的情况，并且护林员巡视花费时间较多，工作量大，但是效率低下，难以实现信息实时传输，森林中作业难度较大，护林员也很难到达一些危险的区域。如果遇到突然发生的森林大火还可能造成护林员的伤亡。而观测塔只能观测一定的范围，存在观测死角，且对后期的维护要求较高。观测塔如图1所示。

图1 观测塔

1.2 卫星遥感

森林火灾中利用卫星遥感防控技术主要是通过卫星图中发生火情的位置与周围的区别来识别火灾。国外卫星遥感技术在森林火灾防控方面起步较早，美国NASA可识别全球范围的森林火灾或识别指定区域内的森林火灾，还可监控森林火灾面积以及温室气体排放量。近年来，通过极轨卫星遥感技术获取数据是我国目前针对森林火灾防控的卫主要手段，虽然卫星用于森林火灾防控监控范围广、对于突发的森林火灾识别率高，但由于空间分辨率较低、受天气及云层的影响较大、无法全天候防控、防控实时性差等缺陷制约了卫星遥感技术在森林火灾防控方面的发展[3]。

1.3 飞机防控

应用飞机进行森林火灾防控是较为有效的森林火灾防控手段，可分为两种方式，一种是传统的飞行员驾驶飞机巡检防控，另一种是无人飞机巡检防控。传统飞机巡检主要依靠人工观测森林火灾情况，优点是火灾发生时可装载灭火材料直接喷洒灭火。我国现在多采用直升机用于森林火灾防控，机型主要为M-26、K32等。但是，森林火灾防控面积较大，人工驾驶的成本难以控制，发生意外时，飞行员的人身安全将受到威胁。在我国森林火灾防控的现实情况下，相比人工驾驶，无人机更具优势，其已受到社会各界的广泛关注。部分省市地区充分发挥小型无人飞机机动灵活、操作简单等特点，将无人机作为森林火灾防控的主要发展目标，己经取得了良好的防控成效，并将无人机与计算机视觉识别技术结合，使森林火灾防控得到了迅速发展，判别火灾的准确率也得到大幅的提高。K32型直升机如图2所示。

图2 K32型直升机

2 森林火灾中应用无人机存在的优势

2.1 火情侦察

森林火灾多发生在地貌复杂的森林山区，山区较为复杂的地貌使得通讯信号难以发出，如果在森林火灾情况难以查明的条件下贸然派遣人员进入火场，会增加防控工作人员的危险性。因此，可以通过多旋翼无人机搭载摄像设备在高空进行实时森林火灾情况侦察，并将拍摄图像结合计算机视频识别技术，分析森林火灾现场情况，制订救援方案，再由防控工作人员进入现场，将出现人员伤亡的几率降至最低[4]。

2.2 余火监控

在森林火灾中，当明火被扑灭之后，防控人员还需要对清理余火，防止复燃造成不必要的损失。当发生森林火灾的面积比较大的时候，由于林区的复杂地貌，堆积的可燃物较多，采用人工排查的方式进行余火监控耗时耗力。通常情况下余火只有少量青烟甚至无烟，难以通过肉眼进行辨别，而当余火逐渐燃烧，渐渐变成明火的时候，可能已经重新形成二次森林火灾[5]。多旋翼无人机可以通过红外传感器等设备识别余火，温度数据经过处理与森林火灾发生位置地形图叠加，标出可能存在余火的位置，使得余火清理变得高效、便捷。

2.3 灾后调查

发生森林火灾后，需要对森林火灾的发生区域进行评估。由于地貌条件一般比较复杂，人工评估结果普遍精确度较低。利用多旋翼无人机则可以在空中进行拍摄,辅以GPS定位系统和计算机视频识别技术,可对森林火灾发生区域的轮廓、面积、森林受损情况进行计算,为灾后评估提供技术支持，并且还能够分析森林火灾原因，加快森林火灾调查进度。

3 森林火灾中多旋翼无人机的主要应用分析

3.1 关于森林火灾情况的调查

森林火灾损失大，但由于着火点隐蔽性高，夜间林火难以发现，因此早发现、早扑灭在森林火灾防控工作中就具有重要意义。多旋翼无人机的“快、全、细”特点，发挥出了其智能化和信息化的优势。在装配前视红外仪、高分辨率相机、摄像机等设备的同时还配有图像传输装置，可在森林区域执行长时间防控任务。发生森林火灾时，多旋翼无人机可进入森林火灾现场作业，利用装配的设备和影像传输装置完成侦查和火灾探测，将森林火灾信息发送给防控工作人员，指明森林火灾发生的位置信息以及火灾情况，有助于森林火灾防控并及时扑灭林火，提高灭火效率，降低森林资源损失与人员伤亡，减少经济损失，维护生态系统平衡[6]。

3.2 森林火灾预防

多旋翼无人机除了用于森林火灾发生时的防控工作，还可用于监测森林中的可燃物堆积情况和气象资料，监测林区的可疑火源等。这些信息将大大提高森林火灾险预测预报模型的准确性。

3.3 森林火灾动态监测

以多旋翼无人机为平台，结合可装配的各种模块，实现对森林火灾的动态监测。根据实际情况，多旋翼无人机上可装配有摄像机、实时传输系统和GPS等装置，将实时拍摄的森林火灾图像经实时传输系统传送给计算机处理系统，并将拍摄时的位置信息和多旋翼无人机的角度等信息一同传输。接收到多旋翼无人机传输信息的地面工作站则对图像及位置信息进行分析，找到森林火灾的位置并能够了解初步情况。在实时传输系统保持通讯良好的状态下，多旋翼无人机与地面工作站可以进行实时通讯，当地面工作站防控人员可向多旋翼无人机发出不同方案的飞行命令时，则可以动态监测森林火灾发展情况。

4 森林火灾中应用多旋翼无人机的局限性

虽然多旋翼无人机在森林火灾防控工作中展现出了广阔的前景，国内外研究者们也做了大量研究，多旋翼无人机在森林火灾防控方面的实用性得到了极大的提高，但平稳性、抗震性、载荷能力、续航时间、多传感器融合技术、获取的图像质量等方面的问题仍然制约了多旋翼无人机的发展。风力对多旋翼无人机在飞行作业时影响较大，大风天气时多旋翼无人机稳定性较差。在进行森林火灾现场监控时，由于气流紊乱等原因，多旋翼无人机的有效性及飞行安全性均是目前亟需解决的问题。

5 多旋翼无人机林火防控未来的发展趋势

未来的多旋翼无人机林火防控中，应结合多旋翼无人机技术的发展，在森林火灾动态监测、多旋翼无人机与地面人员配合以及多旋翼无人机与载人直升机协同作战等方面不断积累经验，发挥无人机在森林火灾防控的巨大优势。

多旋翼无人机的续航能力需要大幅提高，尤其是在森林区域的复杂地貌条件下，保证多旋翼无人机的续航能力，使得多旋翼无人机能够在指定区域执行林火防控任务。

为无人机装配灭火器具，并加装灭火弹投送功能，与地面人员配合。森林火灾发生时，人员行进困难，再携带灭火器具，严重影响了灭火进度。而采用多旋翼无人机进行投送，可以减少地面人员的体力消耗，而对于无人的森林火灾则可以直接投放灭火弹。