無人機在森林防火方面的應用及其發展

梁寧 袁新利 趙高鑫

摘 要 近年來，森林火災在全球領域頻繁發生，森林防滅火工作如何進行信息化、科學化的開展，成為了森林防滅火工作探究的重點。伴隨著無人機的快速發展，越來越多的無人機加入到森林防火的領域當中，利用無人機航拍影像快速回傳及便攜性、安全性等特點，面對火情，火場指揮部能夠對火場進行快速的分析從而做出決策?；馂牡陌l生在時間和地域上是很難預測的，或者可以說成是隨機性的，在以往火災發生的案例中，有些火災的發生就出現的地域是車、人無法到達地的險惡區域，無人機的出現及利用，對森林火災監測及救援指揮等方面展現了其得天獨厚的的優勢。本文主要分析了無人機在森林防火監測工作中的情況，僅供參考。

關鍵詞 森林；無人機；森林防火；應用形式

1 森林防火形式

傳統的防火方法，主要包括森林防火自動報警系統，森林火災遠程監控系統，地面巡邏，觀測平臺監控等，由森林防火指揮部監控中心，傳輸系統和前端收集點構成。

傳統的森林防火方法包括四種方法：（1）地面巡邏，依靠地面人工巡邏來探測森林火災，耗時耗力，效率低下；（2）瞭望塔俯瞰，依靠森林保護工作人員慣于在塔上觀察這樣陳舊的方式，以巡查森林火災發生，但受偵察范圍的限制，往往目不暇接；（3）遙感技術是通過衛星的遙感影像傳輸來檢測和分析森林地區的森林火災，這種監測方式不僅成本高，由于衛星遙感影像尺度分辨率及宏觀性等因素的影響，工作人員無法及時準確定位森林火災點，從而錯過撲火火災的最佳時機；（4）飛機巡邏，森林火災的發生是具有隨機性的，利用飛機對地面進行不定時巡查所產生的費用不可小覷，就目前我國的林業防火條件來說，還遠遠不夠。

隨著無人機技術的創新和普及，精準、直觀、全面的火場分析數據的特點，使無人機進行森林防火巡查已經成為趨勢，因此利用無人機來對森林進行往復的巡檢，通過無人機任務規劃功能，采用無人機抵近偵查及折線型和往返型的偵查方式對森林進行巡檢，因無人機載荷偵查覆蓋面積較大、偵查圖像質量高及航程時間較長等特點，在對森林巡檢過程中可以降低巡檢任務的人工消耗和成本，有效提高森林巡防效率。世界各國紛紛將無人機技術應用于森林火災的監控和救災工作當中，通過近年來數據顯示，無人機技術在森林防火的應用達到了預期的效果。

2 無人機概念和技術優勢

2.1 無人機的概念

目前為止，無人機的出現依然被認知是一項新技術，其實不然，無人機的誕生可以追溯到一戰時期，由英國的卡德爾和皮切爾兩位將軍所提出并進行研制。就目前民用用人機來講，基本都利用無線電遙控設備和自自備的程序控制裝置進行操縱，無人機的種類繁多，目前應用于林業森林火災監測多為多旋翼無人機、無人直升機和固定翼無人機。從林業角度分析，無人機能夠實現地面巡護無法顧及的偏遠地區引發林火的早期發現以及對重大森林火災現場的各種飛行任務，簡直就是攻克森林火災的神兵利器。

2.2 無人機的優勢

森林火災很多時候都猝不及防，它具有人為性和多樣性的特點，在消防救災中，結合無人機回傳的實時圖像和紅外熱成像信息，通過空中對復雜地形和復雜結構建筑進行火災隱患巡查、現場救助指揮、火情偵測及防控成為森林消防新的選擇。

調查火災現場的受災情況是一件非常危險的行動，在將地面救災人員派往現場之前，對火勢的評估至關重要?？焖俨渴馃o人機巡查，并將火災現場的空中狀況傳送到地面指揮單位，為指揮單位提供第一手救災數據。3月底，北京密云、平谷地區突發森林火災，來自北京零度智控的ZT-3v復合翼無人機接到指令后迅速響應，飛抵火災現場上空偵察火情。據此次全程參與密云救災的零度智控董事長楊建軍介紹，在救災過程中，參與搶險的ZT-3v復合翼無人機為政府和決策機構提供了大火初期、中期和末期的可見光、紅外視頻實時監控，協助地面指揮工作部署安排。在山火救援工作中，ZT-3v無人機先搭載三軸30倍光電吊艙迅速起飛至火場上空，利用高空視角優勢，第一時間將火勢蔓延情況的視頻實時傳送到指揮人員手中，協助指揮人員擬定最佳救援方案?！边@次無人機參與山火救災成為一個典型案例。

在森林防火方面，無人機負責整個系統的飛行，機種主要有固定翼和多旋翼兩種，由于固定翼無人機轉彎半徑大，起飛和著陸要求高，飛行高度高，而多旋翼無人機具有飛行靈活、現場適應性強、低空飛行、多重飛行模式，可實現路徑規劃自動飛行等優點，同時，火災發生時會產生強烈垂直氣流運動，形成火場風，嚴重威脅無人機飛行安全，因此，無人機參與火災搶險要盡量選用動力強勁、結構堅固的無人機裝備，所以多旋翼是最佳選擇。

在災后救援中，無人機可搭載紅外吊艙繼續執行任務，深夜徹查復燃點，在火場一線上空持續巡查，重點區域防止死灰復燃。無人機確保了救援工作的安全，以航拍的形式，避免了可能發生塌方的危險區域，將為合理分配救援力量，確定救災重點區域、選擇安全救援路線以及選擇災后重建選址等提供了有價值的參考。

無人機森林防火能做到“快速、完整、精細”。無人機按照既定的路線自主飛行，無需通訊車跟隨，凸顯物聯網時代的智能化和信息化特點，且機動性更強，成本相對較低，能夠全天時、全天候、無死角地監測林區，自動識別可疑人、車目標，對重點目標盤旋、跟蹤，轉角、變焦實施持續監視；通過載荷系統使無人機具備在極端任何環境（煙、塵、霧）中，提供極佳的遠距離目標探測和識別能力，實時地監測可燃物狀態，智能分析火災隱患，數據實時回傳報告可疑地區位置，為指導消防指揮部有效滅火提供數據支持。

3 無人機在森林防火中的應用形式

相比載人飛行器，無人機本身風險較小，使用成本較低，它們廣泛用于民用領域。在森林防火方面，主要有全天候火情監測，火場態勢實時監控，遠距離中繼通信、輔助應急救援等運用形式。

3.1 全天候火災監測

固定翼無人機具有快速飛行速度和長飛行距離特點，通過裝載高分辨率可見光、紅外攝像機和其他偵察設備，固定翼無人機可以根據預定航跡進行森林區域空中巡查，一旦發現火情，則采用紅外和可見光兩種相機同時雙向進行比對、識別，并在發現火情后，將比對、識別結果回傳至地面站，通過定位的方法進行三維展示，以達到實時檢測，且實現所見即所得，即根據無人機拍攝的火情直接定位到火情發生的具體位置，并在三維地球上直觀展示位置結果，同時估算火場面積并通過拼接算法形成大面積火場態勢，以便及時發現火情，并進行火情預警、報告火情信息，便于及時展開行動，將財產損失和人員傷亡降到最低，對于可疑區域，地面控制人員通過遙控無人機的飛行狀態和改變飛行軌跡，對目標區域進行詳細偵查[1]。

3.2 火災情況的實時監控

多旋翼無人偵察機配備彩色CCD任務負載或紅外探測器，可在距地面500m高度對地面火場進行懸停觀察，特別是當車輛和人員無法到達預定的偵察位置時，及時利用無人機快速飛抵火災現場，實時獲取火情信息，為撲火隊伍提供最佳行進路線[2]。

同時，無人機機體可配備風向、風速儀等設備，收集整個火場區域的信息、火災燃燒程度、火場風向和風速等信息，以便輔助指揮員確定火災范圍、發展趨勢和蔓延方向。旋翼機無人機主要用于近距離火災探測，采集和傳輸的穩定性良好，現時市面上的無人機多半只有25至30分鐘的續航力，韓國公司MetaVista卻成功研發出打破先前無人機飛行時間世界紀錄的機體，做出了12小時7分5秒的飛行時間，比前次記錄增加近3倍，顯示燃料電池的使用對提高續航力異常重要。

3.3 遠程中繼通信

要知道森林內林密山高，有著復雜的地理環境。而無人機飛行平臺有著中繼通信設備，能夠使通信鏈路的通暢得到保障，同時，能夠在很短時間內就完成覆蓋任務區域的通信系統及指揮系統的建立。

它既能使各級指揮員的火場信息需求得到良好滿足，又有助于現場單兵攜帶Pad將林火動態信息進行共享。但是，受限于無人機搭載功能，無人機機載的輕小型遠距離數傳、圖傳、語音中繼設備技術還有待完善，仍需展開集成與研發[3]。其中，無人機的數據資源處理能力對森林防火監測和火災撲救都有重要影響，如果數據資源處理能力偏低，會嚴重影響滅火效率。無人機的數據資源處理要做到對所有數據進行有效處理，因此要促進其終端設備性能的更新升級，并對機載有效性進行分析。結合無人機配件特征，處理森林防火業務。在引擎固定條件下，對傳輸數據應用技術加以完善，提高無人機的數據處理能力和傳輸效率[4]。隨著5G商用時代來臨，無人機全新的應用場景正在出現，中國聯通于3月31日在上海崇明島，將用于商用的5G工業無人機超視距、高速飛行、中低空試驗成功完成，無疑是以正式商用為目標的5G工業無人機的首次應用案例。中國聯通研究院的高級專家周曉龍說到“此次試驗重點驗證了5G的高速移動性、中低空覆蓋、邊緣計算協同、基站切換等性能”。無人機行業在5G技術促進下，將會迎來巨大的發展和變化，這具體表現在5G的低時延與高帶寬的特點上，這使得5G無人機的4K/8K視頻實時回傳與實時操控，同時，還可支持AR技術與VR技術，將超高清的體驗帶給廣大用戶。

4 無人機遙感技術

無人機遙感，就是通過先進的遙測遙控技術、遙感傳感器技術、無人駕駛飛行器技術、GPS差分定位技術、通訊技術及遙感應用技術，可以實現智能化、專用化及自動化快速獲取自然環境、森林火災災區等空間遙感信息，同時，能對地面煙霧擴散分布情況進行實時探測，促使消防預警與現場偵測更為有效實施，進而為災情的準確、快速預防與處置提供有效指導。

5 無人機煙霧識別系統

相比于傳統森林防火方法，此種煙霧識別系統無疑是一種有著顯著優勢的技術手段，不管是在視線可見，還是在不可見的惡劣環境（如泥石流、臺風、高溫、夜間及暴雨等）下，亦或是一些極端地理環境（如溝壑、山岳和峽谷等）中，甚至是在嚴重事故災害現場（有毒、塌陷、易燃易爆等），紅外成像和高清相機都能夠與煙霧識別模塊展開交替結合，將火情及時發現，進而在萌芽時期就扼制住森林火災，實現了對傳統森林防火救援方式缺陷的有效彌補。

6 無人機在國內外發展現狀

6.1 國外發展現狀

今年6月，土耳其政府在伊茲密爾鄭重舉行了試飛活動，由科達無人機擔當本次試飛活動的主角，通過科達無人機掛載的熱成像云臺攝像機，可以在數百平方公里的大范圍內迅速定位起火點，判斷火災蔓延趨勢，并將現場數據同步回傳，為指揮中心科學調派資源，實現應急救援快速響應提供精準的圖像視頻依據。

6.2 國內發展現狀

工業無人機快速發展，農林等應用領域已成為重要的巡檢巡邏工具，但無人機的作業應用都是通過飛手操控來完成，然而在炎炎夏日飛手的長時間作業也是非常辛苦。另外，現如今專業的飛手人員招聘越來越難，因此針對這樣的情況，上海復亞智能科技有限公司研發了全自動飛行系統，從而減少人員的投入，并且實現了無人機全自動自主作業的能力。復亞的方法是借助AI算法，讓無人機在飛行過程中，能夠實時調整云臺姿態及拍攝參數，獲得精準清晰的拍攝畫面，并實現實時視頻回傳，協助開展火情判斷。

7 討論與結論

無人機森林防火的發展趨勢在許多領域都發揮著不可替代的作用，值得一提的是，森林防火工作技術伴隨科學技術的日益發展，將會愈加成熟與先進，無人機要在森林防火工作中充分發揮重要作用，就需要對無人機系統不斷優化和創新。從無人機系統本身來講，持續不斷優化是未來無人機的重要發展方向，具體要解決的問題：（1）將無人機發動機的動力技術問題解決掉，太陽能發動機無疑有著廣闊前景，其可以更好利用能源，使長時間避難無人機的需求得到滿足。（2）無人機承載能力的提升，加載更多設備，從而提高智能搜索能力。同時，注意相關數據鏈傳輸可靠性與安全性的加強，以使抗干擾能力與數據加密能力得到提升。對軟件問題投入更多精力，無人機的必然要求與發展趨勢之一，便是寬帶與數據的大量傳輸?，F如今，無人機展開通信主要是通過C/ X頻段、Ku/Ka頻段及L頻段。（3）加大新型非金屬復合材料的開發力度，使無人機重量減輕，變得更為靈活。在產業推廣和行業管理方面，有必要解決無人機成本高，成本高，使用，服務和管理系統不完善的問題。為中國新興無人機產業的發展創造有利條件。

參考文獻

[1]崔新宇，劉艷萍.關于無人機在森林防火監測方面的探究[J].科技與創新，2014（7）：128-130.

[2]李濱，等.無人機系統在森林防火方面的應用及其發展[J].電子技術研發，2015（5）：15-18.