无人机在森林防火工作的应用初探——以雾灵山自然保护区为例

杨丽晓 王 军 左树锋

（河北雾灵山国家级自然保护区管理中心，河北 承德 067300)

随着科学技术的发展，森林防火技术手段不断更新，无人机在森林防火工作中的应用越来越广泛。无人机主要原理是通过利用无线的遥控装置和自备的程序控制装置达到操纵飞行器的目的，但是不具备载人的功能。目前市面上的无人机多种多样，包括无人固定翼飞机、无人直升机、无人飞艇、无人伞翼机、无人多旋翼飞行器、无人垂直起降飞机等[1-7]。无人多旋翼飞行器相比较其他机型在操作上、技术上、成本上具有更明显的优势。在森林防火工作巡查和监测工作中采用的主要是无人多旋翼飞行器，也称多旋翼无人机。河北雾灵山国家级自然保护区内拥有大量森林资源，利用先进科学技术手段做好森林防火工作是保护森林资源的重要工作[8-11]，本文旨在结合雾灵山森林防火工作实际情况，概括常用机型多旋翼无人机存在问题，为未来无人机能够更加优化和更好的发展提供依据，使无人机为森林防火工作提供更加便捷的工具和服务，克服森林防火工作中人工巡护和火情监测中存在的不足。

1 河北雾灵山国家级自然保护区森林防火基本情况

雾灵山为燕山山脉主峰，顶峰海拔2 118 m。总面积14 246.9 hm2，东西长24 km，南北宽17 km，森林覆盖率84.68%，林区山高路险、地势陡峭，森林防火任务十分繁重，森林防火工作主要依靠人工巡护、顶峰瞭望、视频监控、无人机巡护相结合的方式进行。

2 多旋翼无人机在雾灵山森林防火中的应用

目前，多旋翼无人机具有巡护灵活、监测范围广、侦查火情行动快速等优势，在森林防火工作中主要应用于防火巡查、火情热点监测、森林资源巡护等方面[2-4]。

2.1 巡护效率高

人工地面巡护需要耗费大量人力资源，且森林茂密地段的人员巡护成本高，人身安全较难保证。多旋翼无人机巡查可有效的缩短巡护时间，减少人员消耗。

2.2 科学研判火情

利用多旋翼无人机可有效判断火势及火场情况，准确获取火场地形、地势、风力、风速、植被等要素信息，为判定火场发展趋势和走向提供依据，为扑救森林火灾提供依据。使用多旋翼无人机有助于指挥人员预估火情，争取扑救火灾最宝贵的时间，科学高效的制定扑火方案，减少人员伤亡和森林资源损失。

2.3 购买费用低

传统森林防火工作中应用的直升机等应急救援装备费用相对较高且占地面积大，且并非所有林区防火指挥中心有条件购买和使用。部分林区和市级单位共用一架直升机，使用时需提前预留申请和调拨时间。

3 多旋翼无人机在森林防火应用中存在的问题

多旋翼无人机在森林防火工作应用中具有低成本、安全性、高效性、便携性等优点[6]，以至于现在无人机在森林防火工作中得以广泛应用。为使多旋翼无人机在今后森林防火工作应用中能更加广泛、方便，将多旋翼无人机在森林防火工作中存在问题阐述如下。

3.1 电池续航时间影响

多旋翼无人机的机型能源供给主要采用电池充电的方式，电池大都采用锂电池[7]，锂电池具有放电倍率大、充电时间长的特性，在飞行时间上受到了较大限制。

表1 列举了市售不同品牌不同型号之间的续航时间对比，由表1 可看出多旋翼无人机的续航时间大都在15～30 min之间，少数续航能力强的最大飞行时间也不超过1 h。因此，在林区面积大的地区飞行时，需要多次更换电池才能完成林区巡查。尤其当发生森林火灾时，需要长时间监测火情火势、林火走向等情况，加上来回路程上的电量耗费，多旋翼无人机不能长时间提供有效的数据进行火情监测。

表1 不同品牌型号多旋翼无人机续航时间对比Tab.1 Comparison of range time of multi rotor unmanned aerial vehicles of different brands and models

因此，在森林防火应用上的多旋翼无人机需要考虑续航时间问题。由于林区环境多是山高路险，考虑到巡查区域的面积和距离，扣除来回路程耗费时间，多旋翼无人机到达目的地巡查时长受到限制。

3.2 气候条件因素影响

多旋翼无人机在飞行过程中需要具备良好的天气条件，恶劣天气条件下，多旋翼无人机将无法安全起飞和降落，如大风天气、雨雪天气等，受气候因素影响大。

森林火灾较多发生于大风天气，由于无人机在飞行过程中需要周围环境稳定，大风天气往往无法使无人机正常起落。森林防火常用的多旋翼无人机体积较小，抗风能力弱，螺旋桨受风向和风速影响[8]，在大风天气更是无法起飞。目前，森林防火工作中应用的多旋翼无人机不具备实时监测风向和风速功能，无法及时预测飞行期间的气象条件，如飞行过程中遇大风天气和风向突变，易发生坠机等危险事件。

3.3 地形地势因素影响

多旋翼无人机在起飞和降落时对地形地势要求较高，需要在平坦开阔的地区才能够安全起飞和平稳降落。在山区或沟谷地区进行飞行时，受飞行高度限制，如周围山坡上树木茂密。多旋翼无人机避障功能不能及时感应到周围树木遮挡，在手持遥控中对周围地形不能及时清楚掌握，多旋翼无人机在后退过程中，螺旋桨很容易挂到周围山坡上茂密的树枝上，发生炸机等危险事故。

3.4 飞行技术因素影响

森林防火主要应用的多旋翼无人机是通过利用机身上的多个旋翼螺旋桨旋转向下排空气，产生升力，协调多个旋翼相互配合提供动力，进行飞行。林区复杂多变的山区路况，随着海拔的升高，空气密度逐渐降低，多旋翼无人机在飞行过程中产生的升力也会受到限制，因此无多旋翼无人机经常受到飞行技术上高度因素的限制。

3.5 通信技术条件影响

森林地处山区，地形复杂，山高林密，一般通信条件差，GPS定位系统信号差。在林区巡查过程中，若林区树木茂密，或有山体遮挡时，遥控器会提示信号较弱，即使未到达指定区域也得被迫返航。森林火灾发生时，火灾上空会形成带电气团[9]，产生电磁干扰，影响遥控器与飞行器之间的通信信号，从而不能高效判断和预估火情火势，存在安全隐患。目前，普遍的市售无人机还无法应对电磁信号干扰问题，通信信号的畅通与否直接影响无人机的使用和控制效果。

3.6 有效荷载量影响

多旋翼无人机具有搭载防灭火仪器、设备等的功能，作为搭载平台，可携带灭火弹、水桶、宣传广播、救生物资等设备，但受到各种因素的限制，多旋翼无人机的荷载量极其有限，常常无法满足森林防灭火工作的需要[11-15]。因此，增强多旋翼无人机的有效荷载量可使其在防灭火工作中发挥更大作用。

4 结语

我国地域辽阔，森林资源丰富，科学和高效森林防火技术手段显得尤为重要。深入分析多旋翼无人机在森林防火工作中的应用现状，发现存在的问题，对相关技术和应用进行改良，可使得多旋翼无人机能有效地对森林资源进行实时监控，提高森林防灭火工作效率，减少森林火灾隐患和损失。对于多旋翼无人机应用于未来森林防火工作，需考虑以下几个问题：1）提高续航时间，寻找更加便捷充电方式，保证多旋翼无人机能够长时间执行任务，为森林火灾实时监测提供更有力的保障。可创新使用太阳能电池，既能确保无人机全天候执行森林防火巡查任务，又节能环保。2）降低大风天气对多旋翼无人机飞行稳定性影响，确保即便气候条件恶劣环境下，多旋翼无人机也可为森林巡查和火情监测提供帮助。3）增加多旋翼无人机对周围障碍物的感应，强化避障功能，降低地形地势因素对多旋翼无人机飞行影响。4）提高飞行技术同时，可在多旋翼无人机上搭载灭火装置，通过视频监控确定着火点后，在人员无法到达的着火点，投放灭火或阻燃装置。此外加强实地操作演练，提高多旋翼无人机飞控师的飞行操作技术水平。5）通过遥控器与多旋翼无人机装置之间的连接，增强对电磁等信号抗干扰能力，保障GPS信号稳定。