無人機系統在森林防火中的應用

余曉程 於劍青 於劍平 任 晉

（甘肅祁連山國家級自然保護區管護中心，甘肅 張掖 734000）

0 引言

森林資源作為人類生存不可或缺的一項重要資源，不僅能為人類日常生產生活提供必需的各種林副產品及木材，又能為人類提供適宜的生存環境。因此，切實保護好森林資源至關重要。而火災作為嚴重影響森林資源的一種常見災害，輕則燒毀一定的森林植被，重則威脅人類及動物的生命安全。由此可見，做好森林防火工作意義重大。

以往，林業部門往往會派遣專業工作人員進行實地巡邏檢察，這一方式不僅浪費了大量的人力、物力，而且難以準確觀測著火點，且危險性較高。盡管我國已經成立了航空護林中心，也已經開展空中護林防火工作，然而，大多數工作人員駕駛飛機拍攝的圖像往往無法滿足高分辨率、高精度的要求，同時極易受到天氣影響。就小林區而言，不僅極易造成資源浪費，還無法與定點觀測需求相適應。而無人機在森林防火應用中表現出實時巡查能力強、操縱方便、機動靈活、功能多樣化和影像實時傳輸等多種優勢，特別是在天氣狀況不佳與地形復雜的林區，其應用優勢更加突出。基于此，筆者重點探討無人機系統在森林防火中的應用，對于提升森林防火效果，確保森林資源的安全性，促進人與自然和諧共處等具有重要意義。

1 無人機系統的組成及類型

1.1 組成

通常，無人機系統主要包括飛行器、地面控制系統、發射與回收系統、機上有效載荷及地面維護系統等多個組成部分。其中，飛行器作為該系統的核心組成部分，由機體、數據傳輸系統、動力系統與飛行控制系統等四大部分組成。大多數人所謂的無人機多指無人機系統中的飛行器。

1.2 類型

按照外觀結構進行劃分，可以將無人機系統劃分為旋翼無人機和固定翼無人機2種。按照功能用途進行劃分，可以將無人機系統劃分為宣傳無人機、通信無人機、航拍無人機、運輸無人機與熱紅外偵察無人機等多種類型。按照動力驅動進行劃分，可以將無人機系統劃分為燃料驅動無人機與電力驅動無人機2種類型。

無人機的類型不同，其性能與功能也存在一定的差異。其中，有效載荷對無人機功能的多樣性起到一定的決定作用。將各種不同的儀器設備搭載在無人機平臺上，能使無人機具備不同的功能用途，并據此完成相應的工作任務。

2 無人機系統在森林防火中的優勢

2.1 有助于控制火情

森林火災發生后，通常火勢較大，直接撲滅火源的難度較大，且無法準確判斷火災走勢。此時，可應用無人機系統，由于無人機位于高空，防火人員可以直觀判斷火情。另外，使用無人機對森林進行定期巡查和有效監測，可大大提升巡查效率和監測效果，并可憑借其機型小、控制靈活等優勢，到達巡查車和巡查人員無法深入的區域，進一步擴大巡查工作的覆蓋面，有效滿足森林防火的全面性要求。

2.2 減少人員傷亡

使用無人機系統最顯著的優勢是能夠明顯降低人員在防火工作中的直接參與度，使森林防火工作中的人員傷亡率得到最大限度的降低。近年來，隨著科學技術的飛速發展，無人機系統也不斷更新升級。現有的無人機系統既能有效監測森林火情，又能參與滅火工作，進而最大限度地降低人工巡檢或滅火工作的危險性。由于森林火災具有較高的危險性，一旦火勢擴大，工作人員必須及時撤出火場，以防止出現人員傷亡。一旦工作人員未能及時撤出，必將威脅其生命安全。工作人員無法及時撤出的主要原因在于未能有效監測火情，而使用無人機系統能顯著提升工作人員對火情的預判能力，不僅有助于滅火工作的開展，而且能顯著降低滅火工作的危險性。

2.3 有利于經濟發展

無人機系統在森林防火監測中的應用能夠提高森林資源的安全性，為社會經濟的可持續、健康發展帶來顯著的效益。例如，使用多軸飛行器能減少支出與成本，降低火災發生率，提高森林資源的安全性。

3 無人機系統在森林防火中的應用

無人機系統在森林防火工作中的應用主要包括護林巡查、火情監測偵察及輔助撲救、災后余火監測、火災調查及災情評估4方面。

3.1 護林巡查

無人機機動性和靈活性較強，可以獲取大范圍的森林資源狀況。與載人機相比，無人機具有安全性高、成本低、易于維護及操作簡便等特點。與地面巡查相比，無人機能到達人、車等無法到達的區域。無人機攜帶紅外熱成像儀、全球定位系統、高清透霧攝像儀及高清數字圖像處理與傳輸設備等，組成對火情的監控系統，能按照預定的航線對林區進行空中巡查，并將獲取的影像數據等信息傳輸至地面指揮中心。對監控基站附近的林區進行視頻監控圖像采集時，無人機能垂直120°、水平360°進行監測，同時能自動確定火情發生位置，以實現智能識別火情。此外，針對可疑火點與重點區域，可使用遙控指令對無人機的飛行軌跡進行改變，并重點做好相應區域的巡查工作。

無人機系統在森林火災監測中的應用，能顯著提升護林巡查的工作效率，既有利于準確了解火情，又能為撲救爭取寶貴的時間。

3.2 火情監測偵察及輔助撲救

無人機系統在火災監測偵察中的應用效果也較為顯著。一旦森林發生火災，火場附近的環境將會急劇惡化。林木在燃燒過程中往往會產生大量的濃煙，同時火場上空的能見度顯著降低，風向也復雜多變。使用協帶高清攝像設備的無人機系統，在火場惡劣的條件下依然能高效完成空中火情監測偵察等任務，并在此過程中直觀反映森林火災的發生、發展趨勢，同時第一時間將獲取的信息傳遞到地面滅火指揮中心，以確保及時制訂科學、合理的林火撲救方案。與其他類型的林火監測方式相比，無人機監測的安全性更高。

另外，無人機搭載滅火彈在森林滅火工作中的輔助效果也較為突出。針對一定范圍的森林初發火及小火，使用無人機能及時、準確地進行定點投放，既能使火源強度得到明顯降低，又能為滅火人員爭取更多的滅火時間。特別是一些地勢較為陡峭的地區，車輛與人員難以進入，滅火工作難度大大增加。在這一情況下，可使用無人機搭載滅火彈處理，其撲救效果較為明顯，既能提升滅火人員滅火的安全系數，又能顯著降低滅火的綜合成本。另外，使用無人機開展夜間投彈滅火工作，更有利于鎖定撲救目標，顯著提升滅火精度。此外，地面撲救工作人員到達火災現場后，有利于及時撲滅投彈滅火之后的暗火、明火，進而顯著提升林火撲救的有效性。

3.3 災后余火監測

撲滅森林火災之后，其余火依然靠消防人員現場留守進行清理，同時需嚴格做好巡查監測工作。然而，如果火災范圍較大，森林火災形勢復雜，則余火清理難度往往較大。余火通常為陰燃，僅僅會產生少量的青煙或無煙，其隱蔽性較強。若僅憑人工巡邏清理，則大多只有等余火擴散之后才能發現。受到熱輻射等因素的影響，火場周圍較為干燥，稍有不慎，極易導致火情再次蔓延。撲滅林火之后，用無人機搭載紅外熱成像儀，能在空中準確監測火場的余火，并與全球定位系統相結合，直觀反映火場的熱值分布，進而得出火場的易燃區域。這不僅能為清理余火提供準確的參考，顯著提升余火清理效率，而且能顯著降低余火清理的難度，明顯增強火場余火清理的安全性。

3.4 火災調查及災情評估

森林一旦起火，必須盡早開展火災調查與災情評估工作，特別是要盡早調查起火點及其產生的原因。然而，當發生森林火災時，火場非常危險，且難以接近，若使用常規手段接近火場開展調查工作，極易威脅工作人員的人身安全。在火災發生之后，及時使用無人機及時對火災進行調查，準確監測火場及其周邊環境，不僅能明顯縮小起火點的調查范圍，而且有可能會捕捉到縱火人員的活動軌跡。由此可見，使用無人機調查森林火災，具有時效性與靈活性強、安全性高等特點，這些優勢是其他常規手段無法比擬的。

就災情評估而言，用無人機搭載圖像識別技術、全球定位系統等多種新型測量技術，可以準確測算火場面積、受災林木種類等，使評估準確性顯著提升。

4 強化無人機系統在森林防火中應用的建議

4.1 強化無人機作業隊伍建設

為強化無人機的使用，應構建專業的團隊，以確保無人機在防火、滅火中的功能與作用得到充分發揮。首先，當地政府部門應支持相關部門開展無人機專業人員引進、培訓、制度建設等一系列工作，以提高森林防火、災情監測等工作效率與質量。其次，確保無人機作業團隊的整體素質。一般預防森林火災需要全天候保持應急狀態，為提升團隊工作效率與質量，可以實施倒班制。同時，針對工作人員定期進行考核，既能提升工作人員的危機意識，又能顯著提升其素質與綜合能力。

4.2 強化技術研發工作

4.2.1 硬件系統研發。一旦發生森林火災，火勢往往會快速蔓延，同時溫度顯著升高，高溫炙烤空氣，會使空氣密度下降，進而導致熱氣快速上升。而塑料為無人機的主要材料，受到高溫作用的影響，塑料極易發生變形，同時其內部的電子元件也會受到一定程度的影響，進而影響無人機運行的可靠性。因此，研發人員必須強化該系統的硬件研發工作。無人機系統的硬件主要包括機身、監控探頭、信號收發裝置及螺旋槳等，積極改進無人機的硬件設備，在其中使用新型材料，確保無人機能耐受高溫。

4.2.2 軟件系統研發。軟件系統是無人機的重要組成部分。使用無人機檢查森林火情時，往往需要計算大量數據，還要及時向地面接收組傳送信息。一旦軟件系統出現問題，不僅無法及時向地面傳送信息，其自身也極易失控，進而無法保障巡檢工作的正常開展。因此，必須安排專業的研發工作人員與實際防火需求相結合，積極研發無人機的軟件系統。研發好軟件系統后，要反復對其進行測試，及時發現其中存在的問題，并第一時間進行優化，既能增強無人機軟件系統的穩定性，又能為高效開展森林防火工作提供有力保障。

4.3 構建健全的管理系統

優秀的人才與先進的設備均是高效開展森林防火工作的有力保障。然而，一旦缺少健全的管理制度，將導致所有要素均無法有效融合，同時會擾亂防火工作的正常開展，并導致無人機應用效果不佳。因此，為提高無人機系統在森林防火工作中的應用效果，相關單位必須結合實際防火需求構建完善的管理制度，并嚴格據此開展無人機應用工作，以顯著提升無人機的實際應用效果。