無(wú)人駕駛飛行器森林防火研究

李正英，段利英，胡 橙

（湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 宜昌443000）

1 森林防火產(chǎn)業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

目前，護(hù)林守林的操作手段仍主要采用比較傳統(tǒng)的人工監(jiān)控方式。一是一線民警和護(hù)林員攜帶干糧徒步走入林區(qū)巡查，二是利用安裝在重點(diǎn)林場(chǎng)制高點(diǎn)的固定監(jiān)控?cái)z像頭，對(duì)安裝攝像頭的周邊區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)于宜昌地處丘陵山區(qū)，交通不便，無(wú)法像平原地區(qū)一樣采用車(chē)輛進(jìn)入林區(qū)巡邏。一線守林隊(duì)員對(duì)所管轄的林區(qū)進(jìn)行巡視的時(shí)候往往一進(jìn)山就是幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間，餓了吃口干糧，渴了喝口泉水，經(jīng)常在深山老林露營(yíng)過(guò)夜，非常辛苦。林區(qū)范圍大，平均每位護(hù)林員需要負(fù)責(zé)0.3萬(wàn)-0.4萬(wàn)畝（1畝=667m2，下同）的林區(qū)，由于無(wú)法采用機(jī)械化作業(yè)方式，光靠守林人員徒步，效率非常低，往往一年都無(wú)法走完所管轄的地區(qū)，實(shí)時(shí)的全面監(jiān)測(cè)依靠護(hù)林人員自然不可能實(shí)現(xiàn)。另一方面，雖然森林防火也采用了現(xiàn)代化的攝像機(jī)監(jiān)控方式，由于受到地形的限制，供電和視頻信號(hào)傳輸布線非常困難，用于森林防火的攝像機(jī)的數(shù)量和覆蓋區(qū)域也非常有限。而且一些地區(qū)山高路險(xiǎn)，根本無(wú)路可走，也無(wú)法架設(shè)攝像機(jī)，這些區(qū)域自然成了森林防火監(jiān)測(cè)的盲區(qū)。除此以外，由于幾個(gè)大型水電樞紐工程都坐落在宜昌，宜昌周邊的高壓輸電線路密度很高，遭遇雷擊和樹(shù)木自然生長(zhǎng)碰觸高壓線造成火險(xiǎn)的幾率相對(duì)于其它地區(qū)來(lái)說(shuō)要高許多。同時(shí)，林區(qū)伐木、上山采藥等作業(yè)所帶進(jìn)林區(qū)的火種也給宜昌的森林防火帶來(lái)巨大的壓力。所以，目前宜昌森林防火的形勢(shì)極其嚴(yán)峻。

2 國(guó)外目前森林防火產(chǎn)業(yè)的作業(yè)方式

國(guó)外目前森林防火的作業(yè)方式，主要是依靠遙感衛(wèi)星和無(wú)人駕駛飛機(jī)聯(lián)合作業(yè)的方式來(lái)進(jìn)行。例如，德國(guó)投入使用的Fire-WatchSystem森林火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種應(yīng)用數(shù)碼攝像技術(shù)的森林火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，它能夠及時(shí)識(shí)別與定位森林火災(zāi)，是當(dāng)前全歐洲最新的技術(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了多年的實(shí)地試驗(yàn)。2002年在勃蘭登堡州、梅克倫堡-切波莫瑞州與薩克森州安裝了24套這種攝像系統(tǒng)以及7套第二代Fire-Watch裝置，此后該林區(qū)共發(fā)生了近120次森林火災(zāi)，沒(méi)有一次漏報(bào)。Fire-WatchSystem正常監(jiān)測(cè)半徑10公里，最遠(yuǎn)可達(dá)40km。但安裝該系統(tǒng)每套需7.5萬(wàn)歐元。此外，美國(guó)利用“大地”衛(wèi)星進(jìn)行森林防火監(jiān)測(cè)。該衛(wèi)星在離地面大約705公里的軌道上繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，探測(cè)地面上的高溫地區(qū)、濃煙地帶以及火災(zāi)遺址。同時(shí)配合對(duì)重點(diǎn)地區(qū)使用無(wú)人駕駛林火預(yù)警飛機(jī)進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)測(cè)，雖獲得了成功，但耗費(fèi)了巨額資金。加拿大采用從衛(wèi)星上發(fā)射電磁射線檢測(cè)林區(qū)溫度，當(dāng)檢測(cè)出林區(qū)局部溫度上升到150～200℃，紅外線波長(zhǎng)達(dá)3.7微米時(shí)，便是火災(zāi)前兆，立即測(cè)定具體溫度，采取措施及時(shí)防火。同時(shí)，使用多架配備先進(jìn)的直升飛機(jī)輪流監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)，飛行費(fèi)每小時(shí)需5000～6000歐元。2006年10月，美國(guó)航空航天局（NASA）和美國(guó)林業(yè)局在加州使用“牽牛星（Altair）”無(wú)人機(jī)在森林大火上空進(jìn)行了兩次飛行。使用NASA艾姆斯研究中心提供的紅外掃描器查明了主要火災(zāi)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站，大約每隔30分鐘就向地面中繼傳輸火災(zāi)圖像，幾乎實(shí)時(shí)為消防人員提供了態(tài)勢(shì)感知能力。類(lèi)似地，國(guó)外在對(duì)電力輸電線路的監(jiān)測(cè)和航道監(jiān)測(cè)也同樣廣泛采用了類(lèi)似的方法，采用衛(wèi)星對(duì)宏觀情況進(jìn)行遙感，然后根據(jù)衛(wèi)星遙感的結(jié)果，有針對(duì)性地在能夠安裝地面攝像機(jī)的重點(diǎn)地點(diǎn)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并利用無(wú)人駕駛飛機(jī)在無(wú)法安裝攝像機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)監(jiān)測(cè)和巡視。但對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)外的技術(shù)有的雖然可靠，但需要借助高空衛(wèi)星，且施工太復(fù)雜；有的技術(shù)方案基礎(chǔ)實(shí)施投資太大，多達(dá)幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)美元，投入成本過(guò)高，這些難以滿(mǎn)足宜昌森林資源監(jiān)測(cè)、航道監(jiān)控以及電力輸電線路監(jiān)視的實(shí)際需要。

3 產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度分析以及對(duì)我市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的促進(jìn)作用

作為湖北省副中心城市和長(zhǎng)江三峽工程的所在地，宜昌林業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)直接影響到宜昌人民的生產(chǎn)生活和宜昌地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也事關(guān)舉世矚目三峽水利樞紐工程運(yùn)行的安全。作為丘陵地區(qū)的宜昌，交通的極為不便利給依賴(lài)地面和水上交通的產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大的阻礙。如果不能改變低效率作業(yè)模式，提高工作效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，必然不能跟上行業(yè)呈指數(shù)增長(zhǎng)的發(fā)展步伐，并且對(duì)宜昌的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來(lái)不可估量的負(fù)面效應(yīng)。因此，如果能夠開(kāi)發(fā)引入更加高效地作業(yè)模式，比如引入低成本的空中作業(yè)模式來(lái)取代上述基本采用純?nèi)斯さ膫鹘y(tǒng)模式，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的工作效率必然能夠極大地提高，同時(shí)運(yùn)營(yíng)成本有可能會(huì)大幅度降低，為宜昌社會(huì)發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

宜昌市目前林業(yè)用地面積2029.5萬(wàn)畝，按照7000名護(hù)林員參與護(hù)林守林計(jì)算，每年工資支出達(dá)14000萬(wàn)（按照每人每月2000元計(jì)算）。其中還不包含這個(gè)守林人員的其它工作經(jīng)費(fèi)支出。就是這樣的情況下，結(jié)合固定監(jiān)控?cái)z像頭所覆蓋的35%，監(jiān)測(cè)覆蓋率也不可能達(dá)到100%，且效率極其低下，大多數(shù)時(shí)候守林人員一年都無(wú)法完成對(duì)整個(gè)管轄區(qū)域的巡查。另外，由于山高路險(xiǎn)，很多地區(qū)人工不可能到達(dá)，也無(wú)法安裝監(jiān)控?cái)z像頭，形成了守林護(hù)林的盲區(qū)。如果采用無(wú)人駕駛飛行器來(lái)替代人工守林方式，則可以晝夜不間斷對(duì)整個(gè)林區(qū)進(jìn)行無(wú)縫式的空中巡邏。如果采用多臺(tái)飛行器分區(qū)分片聯(lián)合作業(yè)，則可以大幅度提高巡邏效率。根據(jù)派出執(zhí)行任務(wù)的飛行器數(shù)量和航線計(jì)劃保守估算，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在不超過(guò)三天的時(shí)間里對(duì)整個(gè)宜昌林區(qū)進(jìn)行一次完全沒(méi)有盲區(qū)毯式地巡視，而飛行器每天的人工、耗材、器材這就等維護(hù)運(yùn)營(yíng)成本僅為大約等每年80萬(wàn)元左右。更重要的是，飛行器也可以攜帶多種高科技圖像監(jiān)測(cè)手段，比如熱成像儀，實(shí)現(xiàn)采用人眼和其它傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式不可能達(dá)到的預(yù)警效果，在山火發(fā)生的萌芽階段就能夠被及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，從而有可能在第一時(shí)間得到處理。從每年的資金消耗、完成一個(gè)監(jiān)測(cè)周期的所需要時(shí)間和覆蓋率三個(gè)角度綜合比較，使用飛行器空中巡視以后會(huì)相當(dāng)大幅度地節(jié)約成本，并提高工作效率和效果。