無人機系統(tǒng)在森林防火方面的應(yīng)用分析

吳敏高+劉甫興+陸克宇

摘 要 森林是人類生存不可或缺的一部分，它美化了人類居住環(huán)境的同時，還為人類特供了生活和生存所需的寶貴資源。但火災(zāi)對森林的危害是極其嚴(yán)重的，其發(fā)生具有隨機、不確定性，來勢兇猛，發(fā)展迅速。傳統(tǒng)的防火方式需要浪費大量的人力物力，且防護效果不理想。近年來，無人機的發(fā)展迅速，它具有無人駕駛、監(jiān)測精準(zhǔn)、機動靈活和可24 h不間斷進行監(jiān)測等方面的優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)的森林防火方式的不足。因此，無人機系統(tǒng)在森林防火方面非常值得應(yīng)用和推廣?；诖?，闡述無人機系統(tǒng)在森林防火方面的應(yīng)用及其發(fā)展。

關(guān)鍵詞 無人機系統(tǒng)；森林防火；森林維護

中圖分類號： 文獻標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.36.023

森林與人們的生活息息相關(guān)，它是人類賴以生存的重要資源之一。在森林的維護工作中，防火又是重中之重。但在我國，森林防火存在氣候地理環(huán)境復(fù)雜多變的不利因素和火源不易確定、可燃物超載、防控能力薄弱的困難。目前，在我國仍然采用派遣人員實地巡邏這種浪費人力、落后的森林防火維護方式，一旦火災(zāi)來臨，就顯現(xiàn)出難以準(zhǔn)確找到起火點和觀測火勢發(fā)展等方面的弊端。雖然有的地區(qū)投入了航空的監(jiān)測方法，但這種方法需要有人員駕駛操作，這需要投入巨大的人力財力，且拍攝的圖像精度、分辨率難以達到森林防火的要求，而且這種方法極易受天氣氣候因素影響，對于小的林區(qū)更是大材小用，浪費人力和資源。無人機系統(tǒng)的應(yīng)用，很大地彌補了這些方面的不足，它具有操作方便、影像實時傳輸、續(xù)航能力強、機動靈活、監(jiān)測精準(zhǔn)、和24 h不間斷進行監(jiān)測等方面的優(yōu)勢。無人機系統(tǒng)在森林防火方面非常值得應(yīng)用和推廣。

1 無人機系統(tǒng)概況

首先，要了解無人機系統(tǒng)的工作原理，才能更好地開展無人機系統(tǒng)在森林防火方面的應(yīng)用工作。

1.1 簡介

無人機就是沒有駕駛?cè)藛T的飛行器，傳統(tǒng)的定義上把這樣的飛行器稱作靶機，無人機是其俗稱。無人機由無人靶機、無人駕駛飛機和遙控飛行器三部分組成，能夠在脫離人員的駕駛情況下，依據(jù)實際情況，自主控制或和地控人員合作的半自控模式完成任務(wù)。無人機系統(tǒng)包括一個或多個地面控制系統(tǒng)或控制站、飛行器、有效載荷及數(shù)據(jù)鏈路、有效載荷、發(fā)射及回收系統(tǒng)、地面處理和維護系統(tǒng)等。

1.2 工作原理

無人機在監(jiān)測森林火災(zāi)的系統(tǒng)可以歸納為三大部分，即機載飛行系統(tǒng)、機載控制系統(tǒng)、地面處理系統(tǒng)，這三個系統(tǒng)有機結(jié)合、相互配合，協(xié)調(diào)地完成無人機系統(tǒng)在森林防火方面的工作[1]。

1.2.1 機載飛行系統(tǒng)

機載飛行平臺包括機體、控制器、傳感器、執(zhí)行器、CCD和無限通信等單元部件。在森林防火中，其主要任務(wù)是確保整個無人機森林火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，是無人機森林防火系統(tǒng)的基礎(chǔ)。而地面監(jiān)測控制平臺負(fù)責(zé)記錄無人機飛行軌跡、飛行位置和姿態(tài)的信息，存儲和輸出無人機拍攝傳回地面的圖像數(shù)據(jù)，上傳由地面控制平臺發(fā)出的指令，變更無人機的飛行軌跡或方向。它的主要單元部件有：監(jiān)測計算機、遙控器和無線通訊系統(tǒng)等[2]。

1.2.2 機載控制系統(tǒng)

機載飛行平臺的設(shè)計受機載控制系統(tǒng)的影響，就森林防火系統(tǒng)中的無人機來說，其機身的載重量很輕，它不但要承載機載控制系統(tǒng)，還要承載無線通訊設(shè)備和監(jiān)測儀器等，這就要求相關(guān)的硬件要具備體積小、重量輕、能耗低等特點。此外，設(shè)計還應(yīng)考慮抗干擾能力、系統(tǒng)升級等問題。應(yīng)用于森林防火系統(tǒng)的無人機的機載控制系統(tǒng)，除了要有傳感器、執(zhí)行器、控制器外，還要有具有CCD攝像頭以及配件的圖像模塊來向地面發(fā)回圖像或相關(guān)的數(shù)據(jù)。

1.2.3 地面處理系統(tǒng)

地面處理系統(tǒng)的主要組成部分為數(shù)傳、圖傳電臺，遙控發(fā)射器、數(shù)據(jù)處理器和計算機。數(shù)傳、圖傳電臺的作用是接收機載電臺發(fā)出的圖像數(shù)據(jù)；遙控發(fā)射器負(fù)責(zé)對機載飛行系統(tǒng)發(fā)射控制指令；計算機則是用來顯示接收到的圖像信息和飛行參數(shù)數(shù)據(jù)等方面。

2 無人機系統(tǒng)在森林防火的應(yīng)用

得益于圖像傳輸數(shù)字化、GPS技術(shù)、遙感技術(shù)和視頻實時傳輸技術(shù)等的快速發(fā)展，無人機系統(tǒng)在森林防火方面的應(yīng)用得以實現(xiàn)，且無人機系統(tǒng)以其絕對的優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)的森林防火方式的不足[3]。它能夠廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)發(fā)生前的火災(zāi)監(jiān)測、預(yù)報，火災(zāi)發(fā)生時的預(yù)測、撲救和火災(zāi)后的評估等方面的工作中，有效提高了森林防火信息獲取的速度和精確度，大大縮短森林火災(zāi)撲救的過程，節(jié)約人力資源的投入。

2.1 無人機對森林防火區(qū)域監(jiān)測巡視

無人機系統(tǒng)在森林防火方面的設(shè)備非常先進，它包括了攝像機、前視紅外線儀器、高分辨率相機和圖像傳輸?shù)牡?，它能方便快捷、高效地實施和完成森林防火區(qū)域的空中監(jiān)測巡視工作；并且完成高清圖像拍攝、存儲和圖像視頻實時傳輸，使森林防火人員對火災(zāi)迅速作出反應(yīng)，采取相應(yīng)措施。此外，前置紅外儀器能執(zhí)行夜間巡視任務(wù)。無人機運用的手拋發(fā)射、傘降回收方法，決定了它能在許多復(fù)雜的場地環(huán)境輕松投入使用。

2.2 無人機可以火災(zāi)上空作業(yè)

森林火災(zāi)發(fā)生時，若使用載人飛機，觀測人員不但不能清楚觀察掌握火勢蔓延情況，還對飛行帶來極大的危險。無人機則沒有這方面的顧慮，它利用其搭載的攝像和影像傳輸設(shè)備探測和偵查森林火災(zāi)，并利用微波信號實時傳送到地面工作者，使他們能夠及時掌握火勢發(fā)展的動向來監(jiān)測撲救森林火災(zāi)。最大限度減少森林火災(zāi)造成的損失。

2.3 無人機能夠24 h不間斷監(jiān)測火情

在火災(zāi)上空，無人機可以24 h不間斷地對火勢情況進行監(jiān)測，對火情預(yù)警迅速，報告精準(zhǔn)的起火點，有利于森林火災(zāi)初始階段的撲救工作[4]。無人機在巡查時，會根據(jù)預(yù)設(shè)好的飛行軌跡飛行，通過影像傳輸技術(shù)實時把在空中作業(yè)所獲得的影像資料傳送給地面的監(jiān)測站點，再使用網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由站點把資料傳給防火辦公室的值班人。根據(jù)影像資料，工作人員就可以發(fā)現(xiàn)火災(zāi)發(fā)生的疑似區(qū)域，然后用遙控設(shè)備由地面向空中發(fā)出指令來改變無人機飛行軌跡或方向，執(zhí)行進一步的探測任務(wù)，再利用無人機的無線鏈路將最新的探測結(jié)果傳輸回地面。

2.4 無人機輔助科學(xué)撲救指揮

無人機能監(jiān)測火場上空的火情動態(tài)，撲救指揮部門利用無人機反饋回來的資料信息，迅速高效組織和部署撲救工作，及時通知消防人員，合理有效地制定人員撤離火場的路線，最大限度保障撲救人員的安全，使撲救指揮工作及時、有序、合理、科學(xué)地進行。

3 無人機系統(tǒng)在森林防火中發(fā)展

當(dāng)今社會是一個信息高速發(fā)展的新時代，世界各國都對無人機研究、發(fā)展和應(yīng)用也越來越重視。我國在重視無人機在軍事領(lǐng)域發(fā)展的同時，還堅持無人機軍民結(jié)合的發(fā)展道路，帶動民用無人機的發(fā)展，尤其是在森林防火方面，無人機以其獨具的優(yōu)勢得到一定程度的推動和發(fā)展。但我國無人機系統(tǒng)在森林防火方面，還處在初始階段，沒有形成規(guī)模，其中還存在著無人機升級技術(shù)不夠完善、抗風(fēng)能力差、監(jiān)測圖像精度有待提高等方面的技術(shù)問題。但相信隨著相關(guān)科研的投入不斷加大，研究的不斷深入，無人機不但在森林防火方面的應(yīng)用會更加廣泛，技術(shù)更加成熟；還會在我國資源保護、農(nóng)業(yè)發(fā)展、科技發(fā)明等領(lǐng)域得到很好的開發(fā)應(yīng)用，發(fā)展前景相當(dāng)樂觀。

參考文獻

[1]趙瑩，王小平.無人機遙感在抗震救災(zāi)中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2014，（12）：113-115.

[2]王根鐸，韓婷娜，郭國明，等.無人機航空遙感系統(tǒng)在災(zāi)害應(yīng)急救援中的應(yīng)用探討[J].科技傳播，2014（14）：197-198.

[3]鄒明普，鄒磊.無人機飛行管控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].北京測繪，2015（1）：75-79.

[4]孫戈東.淺談無人機系統(tǒng)[J].計算機光盤軟件與應(yīng)用，2014（22）：42，44.

（責(zé)任編輯：趙中正）