无人机系统在甘肃省洮河自然保护区森林防火中的应用现状及对策

吕林俊

（甘肃洮河国家级自然保护区管护中心，甘肃卓尼 747600）

火灾对生态系统和经济社会造成的破坏通常是毁灭性的。作为甘肃省生态系统的重要护卫者之一，洮河自然保护区有着保护和维护其丰富的生物多样性和森林资源的使命。近年来，无人机技术已成为完善森林防火预警和火灾应对的有力工具。无人机系统不仅提供了高度机动性以适应多样地形，还通过实时监测和数据收集，提供了多样性的信息支持，包括数据采集、灾情监测、辅助灭火和灾后余火监测，这些都是确保森林防火高效管理的关键环节。然而，无人机系统在森林防火预警的应用中也面临一些挑战，如续航能力、飞行控制精度、荷载能力和稳定性等方面的限制。

1 无人机系统在洮河自然保护区森林防火中的应用

1.1 高度机动性

洮河自然保护区是甘肃省重要的自然生态保护区，其丰富的森林资源对于维持生态平衡和地区居民的生计至关重要。然而，这一地区也面临频繁的森林火灾威胁，为更好地应对此挑战，无人机系统在洮河自然保护区的森林防火预警和监测方面扮演着日益重要的角色[1]。洮河自然保护区的地形复杂多样，包括山脉、丘陵、湿地和河流等，传统的森林防火监测方式难以应对这种挑战。无人机系统的高度机动性赋予其在这一地区的独特优势，使无人机能够在迅速发现潜在火灾威胁的同时，覆盖更广泛的区域[2]。

1.2 实时监测和数据收集

无人机系统具有实时监测和数据收集的能力，这在森林防火中至关重要。无人机配备了各种传感器，包括红外热像仪和高分辨率相机，可以用于检测火源、监测火势的扩散和识别潜在的火灾危险区域[3]。这些传感器能够在火情初期探测到微小的火源，提供了宝贵的时间窗口，使防火部门能够及早采取行动。表1体现了无人机系统对洮河自然保护区某次初期火情的快速识别能力。

表1 无人机系统实时监测和数据收集

1.3 提高数据采集的多样性

无人机系统还能够实现多样化的数据采集，包括温度、湿度、风速、大气质量和空气组分等环境数据。这种多维度数据的收集不仅有助于全面地了解火情，还能够提供更多信息，以便更好地制订应急响应计划。例如，温度和湿度数据可以帮助预测火势的发展趋势，而大气质量数据则对防火人员的健康和安全至关重要。

1.4 灾情监测及辅助灭火

一旦发生火情，无人机系统可以迅速介入并发挥作用[4]。它们可以提供灾情监测，以帮助消防人员更好地了解火势的发展，指导灭火行动的实施。实时数据传输使指挥中心能够迅速做出决策，将资源分配到最需要的地方。无人机还可以用于辅助灭火，通过携带水箱或火雾剂，从空中对火源进行针对性扑灭，有效降低灭火难度和危险性[5]。

2017 年，洮河自然保护区引入高精度地理定位技术，实现了智能巡检，有效管理森林防火系统。无人机系统通过在线巡检和风险防控平台，实时监测和收集数据，确保及时发现火点并上传信息，从而快速应对火灾。2018 年7 月15 日，无人机系统配备的地理定位信息显示，卓尼县白隆岗等3 处存在森林火灾隐患点，并发现了小面积的森林火灾。森林防护员利用地理定位设备迅速标注着火点，并通过智能化巡检平台上传相关信息。智能化网联森林防护预警平台及时接收这些标注的着火点，结合地理信息分析系统，实现精准定位，调集森林防火员进行隔离控制和早期扑灭，有效遏制了火势的蔓延，防止了火灾的扩大（表2）。

表2 无人机系统在洮河自然保护区灾情监测及辅助灭火中的应用

1.5 灾后余火监测

无人机可以用于评估火灾对生态系统的影响，通过捕捉受损植被的图像，帮助科学家和生态学家了解火灾的影响，为制定后续的生态修复计划提供支持。这对于保护洮河自然保护区的生态平衡至关重要，有助于快速恢复受损的生态系统。

2 存在的问题

2.1 续航能力不足

洮河自然保护区地域广阔，因此需要长时间的巡视和监测。然而，许多商用无人机的续航时间相对有限，通常在0.5～2.0 h，这在面对大面积森林地区时稍显不足。

2.2 飞行控制精度不足

在洮河自然保护区进行森林防火预警和监测时，无人机的飞行控制精度至关重要。不足的飞行控制精度可能导致多种问题，包括定位误差、避障失败等。定位误差可能阻碍无人机准确到达目标位置，从而影响监测数据的精确性。同时，森林内地形复杂，障碍物类型多，不足的飞行控制精度可能导致无人机与这些障碍物发生碰撞，危及飞行安全和设备完整性。

2.3 荷载不足

不同的监测任务需要不同类型的传感器和荷载设备，而有些无人机的荷载能力有限，无法满足多样化的监测需求。在洮河自然保护区的森林防火预警中，可能需要搭载各种传感器，如红外热像仪、高分辨率相机、气象传感器和灭火装置。而荷载不足可能引发多种问题，包括数据采集限制、面积覆盖不足及任务多样性受限。有限的荷载能力限制了无人机携带传感器、相机和其他设备的种类和数量，影响了数据采集的多样性和质量。同时，由于荷载不足，无人机可能需要频繁返回基地以更换电池，限制了监测范围的覆盖面积。而无法满足不同任务需求的荷载能力也限制了无人机的多功能性。

2.4 稳定性不足

在强风等恶劣天气条件下，无人机的稳定性可能受到影响，降低了其在这些天气条件下的可用性。不足的稳定性可能导致多种问题，如飞行不稳定、数据采集质量下降及操控困难。

3 应对策略

3.1 改进续航技术

延长飞行时间可以确保无人机更长时间地保持在监测区域，及时检测潜在的火源或火势。1）采用更高容量的电池技术，以提高无人机的续航时间。通过研发新一代电池技术、提高能量密度和充电效率实现。另外，考虑使用可充电燃料电池等先进能源技术，以进一步延长续航时间。2）优化飞行路径规划，以减少能量消耗。采用智能路径规划算法，优化无人机的巡视路径，以避免不必要的飞行，从而减少能源消耗。3）引入太阳能充电装置，在飞行过程中为无人机充电。

3.2 提高飞行控制精度

1）使用先进的导航系统，如差分GPS 或惯性导航系统，提高无人机的飞行控制精度。这些系统可以提供更准确的位置和姿态信息，使无人机能够更好地适应复杂地形。2）引入遥感技术，如激光雷达或立体视觉系统，提高对地形的感知能力。这可以帮助无人机更好地避开障碍物，确保飞行的稳定性。3）提供专门的培训和认证体系，确保操作员具备高水平的飞行技能，以应对复杂的地形和气象条件。

3.3 增加有效荷载

改进无人机的结构和设计，采用轻质材料、更强大的电机，创新机身设计，以提强其有效荷载能力；发展模块化的荷载系统，使其能够根据不同任务的需求进行快速更换和升级，以提高无人机的多功能性，适应不同的监测任务需求；研究和开发更高效的传感器和监测设备，以减小其体积和重量，从而减轻无人机荷载的负担。

3.4 提高系统稳定性

1）引入飞行稳定性增强技术，如更高级的飞行控制系统和自稳定装置，帮助无人机在不稳定的气象条件下保持稳定飞行，减少外部不稳定因素对飞行的影响。2）提供实时气象数据和风速警报系统，使操作员能够更好地规划和调整飞行任务，以适应不同气象条件。3）开展系统可靠性测试和维护，确保无人机的各个部件和系统都处于良好状态，减少飞行中可能出现的问题。

4 结语

无人机系统在洮河自然保护区多样的地形中展现了出色的机动性，通过实时监测和数据收集，提供了关键的信息支持，包括数据采集、灾情监测、辅助灭火和灾后余火监测。尽管面临续航能力不足、飞行控制精度不足、荷载限制和稳定性不足等挑战，但改进续航技术、提高飞行控制精度、增加有效荷载和提高系统稳定性等方式可以解决这些问题。通过不断创新和改进，无人机系统将继续在森林防火管理中发挥重要作用，有助于保护生态环境，减少火灾风险，并为可持续发展提供有力支持。