无人机在森林防火领域的应用及发展

梁 宁，袁新利，刘晓东

（河北小五台山国家级自然保护区管理局，河北 张家口075700）

森林是以乔木为主体的生物群落，是由集中的乔木与其他动物、植物、微生物和土壤之间的相互依赖性以及与环境相互作用形成的整个生态系统。它物种丰富、结构复杂、功能多样，被称为“地球之肺”。森林与其所处的非生物环境有机地结合在一起，形成一个完整的生态结构。森林是地球上最大的陆地生态系统，也是全球生物圈的重要组成部分。它是地球上的基因库、碳库、水库和能量库，是人类生存和发展的重要资源来源和可依赖的环境。

自地球上的森林出现以来，森林火灾就伴随发生。世界上每年森森火灾超过20万次，烧毁森林面积占世界森林总面积的1‰以上。在我国，火灾严重的时候每年平均发生1万多起森林火灾，烧毁森林几十万至上百万公顷，约占全国森林面积的5‰～8‰。

亚马逊雨林森林火灾不仅烧毁和烧伤树木，而且直接减少了森林面积，严重破坏了森林结构和森林环境，导致森林生态系统失衡，森林生物量下降，生产力减弱，益兽益鸟减少，甚至造成人类和动物的伤亡。实际上，近年来，野火在各个大洲肆无忌惮地燃烧着。2019年6月份，美国加州大火，烧毁林地890 hm2；2019年7月份，寒冷北极圈内的野火竟然超过100处。

1 森林防火监测方法介绍

传统的森林防火方法包括4种：地面巡逻、塔观测、卫星遥感和飞机巡逻。地面巡逻，依靠地面人工巡逻来探测森林火灾，耗时耗力，效率低下；塔俯瞰，依靠森林保护工作人员在塔上观察，以探测森林火灾，观察范围有限，劳动力密集；卫星遥感依赖于地球卫星的遥感图像来检测和分析森林地区的森林火灾，这种方法成本高，并且由于卫星遥感图像尺度相对宏观，不可能及时发现和准确定位森林火灾点，容易错过报告，延误扑灭火灾的时机；飞机巡逻，雇用直升机或专业飞行员驾驶的小型飞机进行飞行侦察，费用高，不适合日常高频飞行、侦察。

随着无人机技术的创新和普及，其精准、直观、全面的火场分析数据的特点，使无人机进行森林防火巡查已经成为趋势。因此，通过无人机任务规划功能，采用无人机抵近侦查及折线型和往返型的侦查方式对森林进行巡检。因无人机载荷侦查覆盖面积较大、侦查图像质量高及航程时间较长等特点，在对森林巡检过程中可以降低巡检任务的人工消耗和成本，有效提高森林巡防效率。无人机技术产生以来，世界各国纷纷将无人机技术应用于森林火灾的监控和救灾工作当中，并且收获了理想的效果[1]。

2 无人机概念和技术优势

2.1 无人机的概念

在许多人看来，无人机是一种新兴事物，然而无人机的发展已经经历了漫长的历史。无人机是无人驾驶飞机的简称（Unmanned Aerial Vehicles），是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置的不载人飞机，包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机。从某种角度来看，无人机可以在无人驾驶的条件下完成复杂空中飞行任务和各种负载任务，可以被看作是“空中机器人”。

2.2 无人机的优势

森林火灾很多时候都猝不及防，它具有人为性和多样性的特点。在消防救灾中，结合无人机回传的实时图像和红外热成像信息，通过空中对复杂地形和复杂结构建筑进行火灾隐患巡查、现场救助指挥、火情侦测及防控成为森林消防新的选择。

调查火灾现场的受灾情况是一件非常危险的行动,在将地面救灾人员派往现场之前，对火势的评估至关重要。快速部署无人机巡查，并将火灾现场的空中状况传送到地面指挥单位，为指挥单位提供第一手救灾数据。

2019年3月底，北京密云、平谷地区突发森林火灾，来自北京零度智控的ZT-3v复合翼无人机接到指令后迅速响应，飞抵火灾现场上空侦察火情。据此次全程参与密云救灾的零度智控董事长杨建军介绍，在救灾过程中，参与抢险的ZT-3v复合翼无人机为政府和决策机构提供了大火初期、中期和末期的可见光、红外视频实时监控，协助地面指挥工作部署安排。在山火救援工作中，ZT-3v无人机先搭载三轴30倍光电吊舱迅速起飞至火场上空，利用高空视角优势，第一时间将火势蔓延情况的视频实时传送到指挥人员手中，协助指挥人员拟定最佳救援方案。这次无人机参与山火救灾成为一个典型案例。

在森林防火行业，机种主要有固定翼和多旋翼两种。由于固定翼无人机转弯半径大，起飞和着陆要求高，飞行高度高，而多旋翼无人机具有飞行灵活、现场适应性强、低空飞行、多重飞行模式，可实现路径规划自动飞行等优点。同时，火灾发生时会产生强烈垂直气流运动，形成火场风，严重威胁无人机飞行安全。因此，无人机参与火灾抢险要尽量选用动力强劲、结构坚固的无人机装备。多旋翼是最佳选择。

在灾后救援中，无人机可搭载红外吊舱继续执行任务，深夜彻查复燃点，在火场一线上空持续巡查，防止重点区域死灰复燃。无人机确保了救援工作的安全,以航拍的形式，避免了可能发生塌方的危险区域,为合理分配救援力量，确定救灾重点区域、选择安全救援路线以及灾后重建选址等提供了有价值的参考。

无人机防火监测能做到“快速、完整、精细”。无人机按照既定的路线自主飞行，无须通信车跟随，凸显物联网时代的智能化和信息化特点，且机动性更强，成本相对较低，能够全天时、全天候、无死角地监测林区，自动识别可疑人、车目标，对重点目标盘旋、跟踪，转角、变焦实施持续监视。通过载荷系统使无人机具备在极端环境(烟、尘、雾)中，提供极佳的远距离目标探测和识别能力，实时地监测可燃物状态，智能分析火灾隐患，现时回传数据报告可疑地区位置，为消防指挥部有效灭火提供数据支持。

3 无人机在森林防火中的应用

相比载人飞行器，无人机本身风险较小，使用成本较低,它们广泛用于民用领域。在森林防火应用领域，主要有全天候火情监测，火场态势实时监控，远距离中继通信，辅助应急救援等应用形式。

3.1 全天候火灾监测

固定翼无人机具有快速飞行和长飞行距离特点。通过装载高分辨率可见光、红外摄像机和其他侦察设备，固定翼无人机可以根据预定航迹进行森林区域空中巡查。一旦发现火情，则采用红外和可见光两种相机同时双向进行比对、识别，并在发现火情后，将比对、识别结果回传至地面站。通过定位的方法进行三维展示，以达到实时检测，且实现所见即所得，即根据无人机拍摄的火情直接定位到火情发生的具体位置，并在三维地球上直观展示位置结果，同时估算火场面积并通过拼接算法形成大面积火场态势。这样可以做到及时发现火情,并进行火情预警、报告火情信息，便于及时展开行动，将财产损失和人员伤亡降到最低。对于可疑区域，地面控制人员通过遥控无人机的飞行状态和改变飞行轨迹，对目标区域进行详细侦查[2]。

3.2 火灾情况的实时监控

多旋翼无人侦察机配备彩色CCD任务负载或红外探测器，可在距地面500 m高度对地面火场进行悬停观察，特别是当车辆和人员无法到达预定的侦察位置时，及时利用无人机快速飞抵火灾现场，实时获取火情信息，为扑火队伍规划最佳行进路线提供依据[3]。

无人机机体可配备风向、风速仪等设备，收集火场区域、火灾燃烧程度、火场风向和风速等信息，以便辅助指挥员确定过火范围、发展趋势和蔓延方向。旋翼无人机主要用于近距离火灾探测，采集和传输的稳定性良好。现下市面上的无人机多半只有25至30分钟的续航力，韩国公司Meta-Vista成功研发出打破先前无人机飞行时间世界纪录的机体，达到了12小时7分5秒的飞行时间，比以往记录增加近3倍，显示燃料电池的使用对提高续航力的重要性。

3.3 远程中继通信

森林地理环境复杂，山高林密，信号容易堵塞。利用具有中继通信设备的无人机飞行平台，可以保证通信链路畅通，并且可以快速建立覆盖任务区域的指挥系统和通信系统。

建立起来的信息平台不仅可以满足各级指挥员的火场信息需求，也可实现现场单兵携带Pad共享林火动态信息的功能。由于目前无人机搭载功能有限，用于无人机机载的轻小型远距离图传、数传、语音中继设备技术还不完善，还需进一步研发和集成[4]。其中，无人机的数据资源处理能力对森林防火监测和火灾扑救都有重要影响，如果数据资源处理能力偏低，会严重影响灭火效率。无人机的数据资源处理要做到对所有数据进行有效处理，因此要促进其终端设备性能的更新升级，并对机载有效性进行分析，结合无人机配件特征，处理森林防火业务。在引擎固定条件下，对传输数据应用技术加以完善，提高无人机的数据处理能力和传输效率[5]。

随着5G商用时代来临，无人机全新的应用场景正在出现。2019年3月31日，中国联通在上海崇明岛完成了面向商用的5G工业无人机中低空、超视距、高速飞行试验。中国联通研究院高级专家周晓龙介绍说：“这次试验重点验证了5G的中低空覆盖、高速移动性、基站切换、边缘计算协同等性能，是首次以正式商用为目标的5G工业无人机应用案例。”5G技术给无人机行业发展带来的变化主要体现在5G的高带宽和低时延两大技术特点上，可满足5G无人机实时操控和4K/8K视频实时回传，还能支持VR/AR技术，给用户带来超高清的体验。

3.4 辅助应急救援

通过在无人机上集成航拍测绘模块,可对火灾现场的地形进行应急测绘，为灭火和救援提供强有力的支持。同时，可在无人机上集成语音、扩音模块传达指令，在复杂的火灾环境中实现空中呼叫和指令传输，及时通知消防员撤离危险区域并提供疏散路径。无人机可用于协助抛绳或携带关键设备（救生绳、呼吸器等），为消防员提供救生通道。随着近两年无人机技术的进步，无人机已从过去“只是空中侦察火情”升级为在火灾抢险中能拼能打的“单兵”。目前，国内已经有3种物流无人机可以载重1.5 t以上，可以用于空中洒水或者灭火剂，提升了森林航空消防直接灭火的能力。

3.5 其他使用形式

目前，无人机在森林防火灭火中运用最多的仍为火场侦查和情报搜集，但也有一些新的尝试，如运用无人机喷洒化学灭火剂形成阻火带灭火、在指挥人员的操控下发射灭火弹辅助灭火、携带增雨焰条进行人工增雨等。根据目前的技术水平和应用手段，无人机与卫星遥感、载人飞机巡护、地面瞭望塔和人工巡逻防护等监测方法有效结合，形成空地一体化综合监测网络仍是主要的发展趋势[6]。

法国巴黎圣母院不幸遭到大火洗礼，矗立850年的尖塔被烈火吞噬，玫瑰花窗及2/3屋顶烧毁，全球民众感到十分惋惜。在历经10多个小时的扑救后，大火被熄灭。行动中，借两台DJI无人机之力取得现场的热成像数据，更有效率地协助救援任务。据当地传媒报道，消防人员在扑灭圣母院大火时使用了2台DJI商用无人机，包括Mavic Pro（更像是Mavic 2行业双光版）及Matrice M210，两机均具备热成像传感器。它们协助救援人员在空中追踪大火的蔓延趋势及追寻火源。法国Libération报道，无人机捕捉的热成像影像有助消防决定最有效地向哪个位置灌水，而且待在空中有利位置可指导救火。直升机的灵活性和成本都被无人机比下去。

4 无人机遥感技术

无人机遥感（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing)，即利用先进的无人驾驶飞行器技术、遥感传感器技术、遥测遥控技术、通信技术、GPS差分定位技术和遥感应用技术，能够实现自动化、智能化、专用化快速获取自然环境、森林火灾灾区等空间遥感信息，并可实时探测地面烟雾扩散分布情况，有效实施消防预警和现场侦测，为迅速、准确预防和处置灾情提供精确指导。

5 无人机烟雾识别系统

无人机遥感图像的烟雾识别系统是一种明显优于传统森林防火方法的新型技术手段。无论在视线可见或是夜间、暴雨、高温、台风、泥石流等恶劣环境下，或是山岳、峡谷、沟壑等极端地理环境中，甚至是易燃易爆、塌陷、有毒等严重事故灾害现场，高清相机、红外成像都可以交替结合烟雾识别模块第一时间发现火情，将森林火灾扼杀在萌芽状态，有效地规避传统森林防火救援方式中存在的短板[7]。一般而言，巡视监测的对象有火焰和烟雾两个基本目标，因为在林火早期并不容易监测到大量的火焰，烟雾却是森林火灾早期最显著的视觉现象。“先有烟，后有火”，所以监测烟雾能最早发现林火的可能性，更具有研究价值。近年来随着无人机技术的发展和成熟，通过无人机遥感图像进行自动烟雾识别成为森林防火的新型技术手段，其优点在于费用低、效率高，自动识别林火前期的烟雾特征并进行预警处理[8]。

6 无人机在国内外运用现状

6.1 国外运用情况

2019年6月，土耳其政府在伊兹密尔郑重举行了试飞活动，由科达无人机担当本次试飞活动的主角。通过科达无人机挂载的热成像云台摄像机，可以在数百平方公里的大范围内迅速定位起火点，判断火灾蔓延趋势，并将现场数据同步回传，为指挥中心科学调派资源，实现应急救援快速响应提供精准的图像视频依据。

6.2 国内运用情况

工业无人机快速发展，在农林等应用领域已成为重要的巡检巡逻工具，但无人机的作业运用都是通过飞手操控来完成，在炎炎夏日飞手的长时间作业也是非常辛苦。另外，现如今专业的飞手人员招聘越来越难。因此，针对这样的情况，上海复亚智能科技有限公司研发了全自动飞行系统，从而减少人员的投入，并且实现了无人机全自动自主作业的能力。复亚的方法是借助AI算法，让无人机在飞行过程中，能够实时调整云台姿态及拍摄参数，获得精准清晰的拍摄画面，并实现实时视频回传，协助开展火情判断[9]。

7 无人机在森林防灭火运用中存在的问题

虽然无人机市场逐渐兴起，产品应用得到认可，但是目前行业的发展还远未成熟。具体来说，许多消防无人机并非真正的专业产品，而是简单地改装或直接使用消费无人机。换句话说，消防无人机行业还没有一个相应的标准来对产品进行界定，缺乏规范性约束，导致产品品质参差不齐。由于消费级无人机本身立足于航拍性能，一些消防无人机的侦查、巡查功能没有什么问题，但是在更专业的检测、灭火等环节，消防无人机还需要强化模块配置能力，继续完善相关产业链。

8 讨论与结论

可以预见，无人机在许多领域都将发挥着不可替代的作用。但值得注意的是，随着科学技术的不断发展和进步，森林防火技术越来越先进，无人机要在森林防火工作中充分发挥重要作用，就需要对无人机系统进行不断优化和创新。就无人机系统本身而言，其未来发展方向应该是自身的不断优化。首先，解决无人机发动机的动力技术问题，太阳能发动机能有效利用能源，满足长期避难无人机的需求，前景广阔。其次，提高无人机的承载能力，加载更多设备，从而提高智能搜索能力。再次，增强相关数据链传输的安全性和可靠性，提高数据加密和抗干扰能力。然后，专注于软件问题，宽带和大数据量的传输是无人机的发展趋势和必然要求。目前，无人机主要使用K u/K a频段、C/X频段和L频段进行通信。最后还有，加快开发新型非金属复合材料的步伐，减轻无人机的重量，增加灵活性。在产业推广和行业管理方面，有必要解决无人机使用成本高，服务和管理系统不完善的问题，为中国新兴无人机产业的发展创造有利条件[10]。