无人机在森林防火中的应用

舒畅

（承德市滦平国有林场总场，河北 承德 068250）

前言：

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‰。

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有其独特的应用优势，能够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。文章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，以期能够为相关研究提供一些参考与借鉴。

一、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、发射及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，我们通常所说的无人机，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。从外观结构来说，无人机可分为固定翼无人机和旋翼无人机；从动力驱动方式来说，可以分为电力驱动无人机和燃料驱动无人机；而从功能用途来说，无人机可以分为航拍无人机、通信无人机、宣传无人机以及热红外侦察无人机以及运输无人机等。无人机的类型决定着其性能和功能，而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。

二、无人机在森林防火中的优势

（一）作业成本降低

无人机消除安全隐患，依靠几架无人机就能完成几组工作人员的工作量，大大节省作业成本。

（二）提高防火效率

在森林防火工作中，无人机能准确火点、热点坐标，明确火情的范围、轮廓、面积等，检测火灾的发展动态。地面控制站据此，能制定详细的扑灭计划，避免盲目灭火而降低作业效率。

（三）保障人员安全

火灾猛如虎，保障好抗灾一线消防战士的生命安全，时刻牵动着我们每个人的心。无人机在森林防火中的应用，能准确判断肉眼无法判断的暗火，能为地面消防部门第一时间播报火灾态势，并根据火情的变化及时调离消防员撤离危险区域。最关键的时，能优化撤离路线，切实保障消防员的人身安全。

（四）救援更及时

火灾疫情爆发时，务必要在最短时间寻找生命源，获取被围困人员的具体位置，帮助被围困人员脱险。无人机携带生命探测仪，匹配GPS定位系统，能在短时间内明确被围困人员的位置，第一时间投放救生绳、呼吸罩、急救药品等，有利于救援工作的快速开展。

三、无人机技术在森林防火中的应用

（一）日常巡视

无人机在自然保护区森林日常巡护中并非单独应用，常与RS、GPS、GIS、无线通讯技术等有机结合，从而实现准确定位无人机在自然保护区中的位置，并在最短用时内监测自然保护区林区的各种情况，同时在通信技术支持下将采集的数据和信息传输至保护区工作人员使用的控制设备，相关人员对这些数据进行整理分析，进而可发现自然保护区中潜在的安全隐患，及时采取措施将其清除，将自然保护区森林火灾发生的风险系数降至最低水平，全面确保自然保护区安全。与传统人工定期巡查方式相比，应用无人机不仅减少了工作人员巡护的工作量，还提升了巡护效率。

（二）循环监测

利用无人机不受地形限制，可远程操控和长续航的优势，特别是在高温环境下，应用无人机不间断地对保护区森林实施循环监测，有利于第一时间发现火情并及时采取有效处理措施，由此达到预防森林火灾的目的。若发现火情，无人机可第一时间将火灾的具体位置准确地发送给工作人员，并持续发出警报，有利于及时开展扑救，同时提醒起火点周围在场人员撤离，保障其生命安全。

（三）火灾扑救

森林火灾发生时其周围环境非常恶劣，植被燃烧后形成大量浓烟，降低了火场上方能见度，同时改变风向，加大了森林火灾扑救难度。而应用无人机，利用其高清摄像设备，在环境恶劣的森林火场中依然可以开展火情侦察工作，并将火灾发生的区域、所在位置等信息在第一时间准确传达给地面指挥中心，后者可根据无人机传输的实时影像针对性地制定扑救方案，提升火灾扑救效率。另外，针对小范围森林火灾或者初发火，可为无人机搭载灭火弹，通过定点投放，有助于降低火源强度，实现辅助灭火，为地面抢险人员开展扑救工作争取宝贵时间。特别是针对地势陡峭、交通不便的区域，或者在夜晚发生的扑救难度高的火灾，这一辅助灭火方式具有较好效果，还能充分保障抢险人员生命安全，减少森林火灾扑救的成本投入。

（四）火灾调查与评估

自然保护区发生森林火灾后，通常火灾调查与灾情信息摸底开展得越早越好，特别是调查起火位置和起火原因，时效性至关重要。由于火场环境具有较高危险性，难以接近，如果安排人员到达火场现场开展调查，会威胁其生命安全，而应用无人机开展火灾调查与评估，可在火灾发生后第一时间介入，及时监测火场以及周围环境状况，缩小起火点的调查范围，还能获得涉案人员的活动场景。因此，在森林火灾调查过程中应用无人机，具有安全性高、时效性强、使用灵活等优点。在灾情评估中，借助无人机搭载倾斜摄影、GPS测量、图像识别等功能设备，可测算森林火灾的面积、遭受火灾植被的种类及林木蓄积等，以获得准确的评估结果，同时降低灾情评估工作量，提高灾情评估效率。

（五）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。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。

随着5G 商用时代来临，无人机全新的应用场景正在出现。面向商用的5G 工业无人机中低空、超视距、高速飞行验证了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。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。

（六）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1.5t 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。

四、无人机系统在森林防火应用中的一些关键问题

首先，无人机的续航问题是其只能应用在小范围航空巡护的主要原因

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。但目前电力驱动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。

其次，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，并进一步提升其智能化水平，也是无人机未来需要重点解决的问题。

第三，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。

结束语：

目前，越来越多的先进技术及设备被广泛应用在森林防火工作中。无人机是其中比较重要的一种，发挥着十分重要的作用。与传统人机相比，无人机在低空工作中有更大的优势，可在火场附近随时升空实施监测，有助于地面指挥人员全面了解火场形势。因此，森林防火工作人员应当充分认识及把握无人机的应用现状及发展情况，使森林防火工作取得更加令人满意的效果，提高森林资源的安全性。