關于無人機在森林防火監測方面的探究

崔新宇　劉艷萍

摘 要：目前，我國使用無人機對森林火情進行監測、預警還停留在初始階段。使用無人機系統檢測森林火情，可以充分利用無人機的全自動性，將圖像實時顯示在計算機上，計算機通過識別確定其是否為火點，并進行精確的火點定位。

關鍵詞：無人機；遙感；森林；防火

中圖分類號：S762.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）07-0128-03

近年來，我國不斷加大對森林防火的投入，但森林防火還停留在運用衛星進行資源普查和森林火場監視的基礎層面，使用無人機系統對森林火情監測也只停留在初始階段。當前，我國無人機產業不斷進步，隨著無人機市場的不斷擴大和配套服務設施的日益完善，我國已經有能力利用無人機為國民經濟建設服務，無人機將迎來它的春天。鑒于我國高原、山區面積占國土總面積的70%，森林資源多集中在廣袤的山區，交通條件較差，人、車到達困難等情況，無人機較有人機而言，具有使用成本低、易于部署、方便、快捷等優勢。

因此，將無人機系統應用在森林防火監測中，有助于提早發現森林火情，及時掌握火情信息，迅速部署防火力量，變有災為無災、變大災為小災。為了達到自動預警的目的，對森林進行全面的監測，提高防火、救災的能力，減小森林火災造成的危害是勢在必行、刻不容緩的。

1 無人機

1.1 無人機發展簡史

無人駕駛飛機又被稱為無人機，它是一種有動力、可控制，由無線遙控設備或設定的自身程序進行操縱控制，能攜帶多種設備，執行多種任務，并能重復使用的無人駕駛航空器。與有人駕駛飛機相比，它具有結構簡單、飛行穩定、使用成本低、使用安全、對環境要求低等優點。1917年，英國人研制成功了世界上第一架無人機，此后的40年便發展緩慢，到20世紀60年代其研制的步伐又開始加快。迄今為止，世界上已研制出幾百種型號的無人機，并不斷加大對新興無人機的投入力度。隨著空氣動力學、自動控制、自主導航、計算機技術、遙感技術等領域的發展，無人機的發展取得了重大突破。進入21世紀以來，隨著無人機在軍事方面的應用不斷成熟和現代信息技術的快速發展，無人機與現代信息技術相結合，在非軍事領域的應用也越來越受到人們的關注。

1.2 無人機技術

無人機的應用技術，即根據森林防火的需要搭載相應的設備，比如高清CCD數碼相機、多光譜成像儀、紅外掃描儀等，具有成本低、能源消耗少的特點，尤其是具備多功能可重復使用等技術優勢，減輕了人員風險，節約了人力、物力。近年來，無人機遙感技術不斷進步，并在多領域取得了突破性的發展。無人機遙感的高時效、高分辨率等性能優勢備受使用者的青睞，這大大擴大了應用范圍和用戶群，具有廣闊的應用前景。無人機遙感在森林調查中主要應用在林火監測工作中。無人機加載相應的遙感設備，可以實現對林區的全天候監測，及時進行火情預警、報告火情信息，以便及時展開行動，將財產損失和人員傷亡降到最低。用于森林監測的無人機可按地面控制人員劃定的路線進行空中巡查，實時將空中獲取的影像數據等傳回地面控制站，地面控制站進行處理分析后傳給林火消防部門。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。對已經發現火情的地區，要部署無人機進行實時監控，森林消防部門迅速組織滅火隊伍，提高滅火效率，減少人員傷亡，減少財產損失。

例如作為微型無人機的多軸飛行器，它利用多個旋翼作為飛行引擎來進行空中飛行，它的重量較輕，不受較大機翼的限制，具備自主起飛和降落的優勢。多軸飛行器利用相應的機載遙感設備使圖像顯示在計算機上，通過識別系統確定是否為火點，并進行精確的火點定位。多軸飛行器技術迅速發展，不存在過多技術壁壘和限制，將它應用于森林防火中，可以及時獲取火場信息，將林火的發展動態實時傳回地面控制系統中，為地面撲火指揮提供可靠信息。

2 我國森林防火的形勢和市場需求

2.1 我國森林防火的形勢

森林在生長發育過程中常遇到各種自然災害，而林火帶來的危害是最嚴重的。森林是人類不可缺少的一部分，它不僅為人類的生存提供了必要的木材和各種林副產品，同時，還為人類和野生動物的生存提供了良好的環境保障。目前，我國擁有森林面積約2.08×107 hm2，森林蓄積量為1.513 7×109 m3，森林覆蓋率為21.63%，平均每年發生森林火災一萬多次，年均受害森林面積有幾十萬至上百萬公頃。我國地大物博，擁有豐富的林業資源，但與豐富的森林資源形成對比的還有多發、頻發的森林火災，給我國寶貴的森林資源造成了巨大的損失。從小處著眼，森林火災嚴重影響了人民群眾的生命、財產安全，影響生態環境，影響我國可持續發展戰略的實施；從大處來看，林火救援不力將嚴重影響我國社會的和諧、穩定，影響我國在國際社會中的聲譽。

因此，國家向來十分重視森林防火工作。森林防火事關人民群眾身體健康和財產安全，事關森林安全和社會穩定，事關林業發展和社會主義現代化建設。森林火災是一種易造成巨大損失、撲救難度大的自然災害，所以，我們必須要未雨綢繆，防患于未然。

如果進行實地調查，一般要花費大量的人力和物力，尤其在經濟發達地區的南方集體林區，如果要進行調查，勞動強度極大。特別是在有火源的地方進行傳統的調查、監測更是一項危險的工作。而有人駕駛飛機拍攝的航空圖像，大多數時候不能滿足高精度、高分辨率的要求，尤其是易受環境影響，不容易獲取高分辨率圖像。有人駕駛飛機只能滿足大面積監測的需要，對小區域林區來說，極易造成資源的浪費，有時也不能滿足定點觀測的需要。而無人機遙感技術解決了這方面的需求，可根據地面控制人員的要求，按預先設計的飛行路線和飛行高度，對目標區域進行中低空偵察，如果有需要，還可進行近距離抵近觀測。由于在多數情況下可見光波段就可滿足要求，無人機只需裝載相應設備即可，這樣做既減輕了無人機的載荷，又便于在環境復雜的林區起降。

2.2 我國森林防火的市場需求

中國地域遼闊，地形復雜，氣候多樣，森林火災時有發生，如何解決森林防火的問題，已成為林業工作的當務之急。現代森林防火是以科學發展觀為目標保護林業資源和森林生態系統，以實現林區的生態管理和森林的高效可持續發展，使社會、經濟與生態、環境相協調。因此，將無人機應用于森林防火監測中，有助于及時發現林火（特別是初火和引火），做到早發現、早預報，迅速組織防火隊伍，變有災為無災，變大災為小災。

從20世紀50年代起，我國無人機發展距今已有幾十年的歷史，先后研制出多種無人機。從市場總體需求分析，根據美國等先進國家的經驗，按數量計算，民用無人機的市場需求占總需求的12%，微小型無人機占69.5%；按價值量計算，中長空航時、高長空航時無人機的市場需求總量占總需求量的60%.因此，立足于我國的防火形勢和建設節約型社會的基本要求，中空長航時無人機和微小型無人機是較為合適的產品對象——上述產品的無人機平臺技術不僅簡單、成本較低，還可裝載滿足多樣化需求的設備。

近幾年來，我國在森林防火方面的需求日益增加，對森林資源保護的投入不斷加大，先后運用衛星進行資源普查、森林火場監視等。綜合以上幾方面考慮，無人機森林防火具有無限的市場潛力。

3 無人機應用的價值、意義和效益

3.1 科學價值和意義

由于森林火災具有人為性、多樣性的特點，應用無人機于森林防火中具有使用成本低、快速部署、操縱方便、功能多樣化等優勢。此外，無人機系統在林區上空監測時具有快速、實時巡查的能力，尤其是在人、車無法到達的地區進行林火偵測時，無人機就顯示出獨特的優勢。在對森林火災進行監測和預防方面，它能克服復雜的天氣和復雜的起降場地等困難，不存在人員安全的問題，可以達到甚至超過有人飛機的監測效果。無人機能進行多批次、不間斷飛行，這得益于覆蓋面積廣、工作效率高、監控嚴密的飛行監控系統。此系統操作簡單，指哪飛哪，好操作、易控制、便于回收，是森林防火人員的利器。如果對其加載設備進行升級，便可執行夜航任務，能隨時執行林火偵察和火場探測任務。這樣就可以讓消防指揮人員及時部署消防隊伍，實時了解火場態勢和滅火效果，對重點區域進行防范，及時撲滅明火，消滅暗火。

森林火災破壞性強，不易被發現，所以，及早發現火情并撲滅林火具有重要的意義。目前，我國用于森林防火的監測系統尚不健全，傳統有人機在低空飛行的管制較為嚴格，消防覆蓋面不廣，能耗較大，不具備夜航和在濃煙或濃霧環境中飛行的能力。此外，還存在政府機構權責不清、火場通信不暢等問題，遠不能滿足實際工作的需要。作為現有林業監測手段的有力補充，無人機能做到“快、全、細”，顯示出智能化和信息化。無人機的成本相對低廉；維護成本更是低于有人機；培養專業人員的費用也較有人機低；除了控制電路的腳本語言撰寫需要專門的人員編寫外，其他部分都容易量產。從我國的國情和防火形勢看，用于森林防火的無人機將得到長足的發展。

3.2 社會與經濟效益

林業資源對維護生態平衡意義重大，它不僅為人類提供了必要的木材，還為人類提供了良好的生存環境，在保持社會穩定和促進社會主義發展有著不可或缺的作用。因此，將無人機應用到森林防火監測工作中，不僅有利于維護林業安全，也會給經濟與社會的可持續發展帶來巨大效益。利用多軸飛行器既可以大大減少支出，降低成本，也可以降低森林火災的發生率，保護大批森林資源，進而惠及普通百姓。同時，該產品的目標用戶群主要是森林消防部門，無人機的優勢顯而易見，甚至在生活中對它也有較大需求。雖然，我國無人機應用于林火監測方面還處于初始階段，尚未形成規模，但隨著無人機技術和空氣動力學、自動控制、自主導航、遙感技術等領域的不斷發展，它可以大大推動我國森林防火工作，保護林業資源，為保持生態平衡作出貢獻。

與此同時，運用無人機可以在很大程度上避免人工原始瞭望的局限性，實現林區監測的科學化和信息化，從而大大減少相關部門的人力、物力、財力，節約成本，提高林區管理的經濟效益。

無人機飛行在林區上空，還可以對林區的動植物資源進行及時而準確的監控，甚至可以將無人機技術用于森林病蟲害的防治、珍貴野生動植物的保護等工作中。無人機的應用有利于保護自然資源，保護生態環境；有利于發展林業，維護林區、社會的安定，進而優化環境，促進人們生活全面、健康、協調發展；有助于構建環境友好型社會，實現可持續發展。

4 無人機在我國森林預警中的應用的建議

4.1 推進無人機相應技術開發

隨著無人機技術的不斷開發和日益成熟，無人機被越來越多地應用于氣象、監測、林業、農業等諸多行業中，并在空氣動力學、自動控制、自主導航、遙感技術等領域取得了重大突破。比如我國在2008年的汶川地震災害和2011年的云南盈江地震災害發生后，裝載有無人機監測系統的無人機趕赴災區，獲取了第一手的影像數據資料，為指揮救援和災后財產受損評估等提供了寶貴的資料。

隨著我國綜合國力的日益增強，國家和政府高度重視科學技術的應用，不斷加大對高科技手段的投入，無人機技術的發展和應用也得到了前所未有的發展。我國無人機的發展始于20世紀50年代，雖然起步晚，但進步相當快。20世紀末，西北工業大學、北京航空航天大學和南京航空航天大學的無人機研究迅速發展，并成立了專門機構進行研究，相繼研發出具有國有知識產權的幾十種型號、上千架無人機，比如“長空一號無人機”“長空二號無人機”“無偵五無人機”等。進入21世紀，我國已有大約300多家機構生產無人機。但是，我國無人機發展還停滯在初始階段，批量化生產較少，目前只能滿足用戶的特殊訂制要求或用戶自己進行相應的技術開發。由此看來，無人機技術的開發與應用還有巨大的潛力和廣闊的發展空間。

就無人機的用途來說，大多數人認為無人機僅應用于現代戰爭中，殊不知，無人機與我們的生活息息相關，擁有廣闊的發展前景。比如在森林防火方面，在人員不能到達的偏遠山區或發生火災消防人員暫不能判明火勢時，無人機將會發揮極大的作用。目前，無人機在美國民用領域的應用已經非常普遍，我國雖有成功的案例，但還未大范圍普及使用，尤其我國使用無人機系統對森林火情監測還處于初始階段。當前我國的監測體系尚不健全，火場通信聯絡不暢，防火道網密度過低，森林航空消防覆蓋面不廣，機源緊缺，缺乏夜航和低能見度條件的飛行能力，遠不能滿足實際的工作需要。

與有人駕駛飛機相比，用于森林防火的無人機不需要多人維護，只需幾名人員即可完成日常任務。其適應性比有人駕駛飛機更好，可以很好地適應我國林業相對復雜的作業環境，能夠深入到人員不能到達的偏遠復雜危險區域進行偵察。無人機更易于部署，易于拆卸、組裝、運輸和部署。其成本低，便于大規模采購和部署，是無人機用于森林防火的關鍵原因之一。另外，無人機森林防火預警系統可配備給一線消防隊伍，將無人機在中低空獲取的圖像實時傳輸到地面接收系統，一線消防隊伍可根據收到的圖像和數據進行分析、處理，以提高消防部隊的滅火效率，減少人員傷亡。無人機可對消滅明火的林區進行空中監測，及時發現潛在的危險，有效防止火災復燃。

總之，加強無人機森林防火技術的開發，將大大促進我國森林防火工作的有序進行。

4.2 加強隊伍建設

無人機森林防火工作要想順利開展，就要加強隊伍建設，以保障日常任務的順利進行。由于我國民用無人機的發展尚處于起步階段，而有效開展森林防火工作又急需一批具備無人機駕駛和維護的專業人才，所以，應以政府部門為主，協助一些相關部門積極開展無人機隊伍建設、人員培訓、制度建設等工作，迅速形成生產力，從而為森林防火、氣象監測、資源勘查和監測等提供有效的服務。

無人機隊伍建設可分為兩組進行：一組是無人機小組，負責無人機的操控、控制和維護，三四個人即可；另一組是無人機攝影數據處理小組，負責對無人機傳輸圖像進行處理。所有人員都要進行一系列的正規培訓，并學習相關的知識，培訓合格后才可上崗。隊伍建設離不開規章制度——只有好的規章制度，才能使無人機迅速形成生產力，為森林防火提供有效服務。同時，國家政府部門應出臺相應的無人機崗位職責和規范，為隊伍建設添磚加瓦。

5 討論

通過探究發現，無人機在森林防火中的具體應用是完全可行的。任何新技術的誕生都符合社會發展的需要。在新技術的使用方面，森林消防部門要勇于接受新技術，使用新技術，這是森林防火的需要，更是社會主義現代化建設的需要。但要想讓其發揮更大的作用，仍有一些問題需要解決：①無人機應改善升降技術，提高抗風性能，增加續航時間。在森林防火監測中，解決好升降技術問題，降低大型無人機對升降平臺的要求，提高抗風性能，保證飛行的穩定性，增強無人機的續航時間，這是無人機在森林防火中亟待解決的關鍵問題。②在森林防火調查中，要根據監測的圖像、數據進行分析，但精度可能會受限制，同時效率也不高。無人機航片分辨率取決于設備，利用無人機影像的高分辨率優勢將對森林防火起到事半功倍的作用。同時，國家還要促進開放低空空域，完善飛行器的管理，保障森林防火工作的正常進行。

總之，將無人機部署到人、車無法到達的偏遠地區，這樣可以及時發現森林火情，迅速掌握林火態勢和各種需要的信息。作為現有林業監測手段的有力補充，無人機能做到“快、全、細”，以爭取偵查工作的主動權。無人機顯示出有人機無法比擬的優越性，在森林防火監測中必將被廣泛應用。

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作者簡介：崔新宇（1991—），男，河北邯鄲人，本科，主要從事農林經濟管理方面的研究。劉艷萍，副教授，碩士生導師，經濟學博士。

〔編輯：白潔〕