無人機系統在甘肅省洮河自然保護區森林防火中的應用現狀及對策

呂林俊

（甘肅洮河國家級自然保護區管護中心，甘肅卓尼 747600）

火災對生態系統和經濟社會造成的破壞通常是毀滅性的。作為甘肅省生態系統的重要護衛者之一，洮河自然保護區有著保護和維護其豐富的生物多樣性和森林資源的使命。近年來，無人機技術已成為完善森林防火預警和火災應對的有力工具。無人機系統不僅提供了高度機動性以適應多樣地形，還通過實時監測和數據收集，提供了多樣性的信息支持，包括數據采集、災情監測、輔助滅火和災后余火監測，這些都是確保森林防火高效管理的關鍵環節。然而，無人機系統在森林防火預警的應用中也面臨一些挑戰，如續航能力、飛行控制精度、荷載能力和穩定性等方面的限制。

1 無人機系統在洮河自然保護區森林防火中的應用

1.1 高度機動性

洮河自然保護區是甘肅省重要的自然生態保護區，其豐富的森林資源對于維持生態平衡和地區居民的生計至關重要。然而，這一地區也面臨頻繁的森林火災威脅，為更好地應對此挑戰，無人機系統在洮河自然保護區的森林防火預警和監測方面扮演著日益重要的角色[1]。洮河自然保護區的地形復雜多樣，包括山脈、丘陵、濕地和河流等，傳統的森林防火監測方式難以應對這種挑戰。無人機系統的高度機動性賦予其在這一地區的獨特優勢，使無人機能夠在迅速發現潛在火災威脅的同時，覆蓋更廣泛的區域[2]。

1.2 實時監測和數據收集

無人機系統具有實時監測和數據收集的能力，這在森林防火中至關重要。無人機配備了各種傳感器，包括紅外熱像儀和高分辨率相機，可以用于檢測火源、監測火勢的擴散和識別潛在的火災危險區域[3]。這些傳感器能夠在火情初期探測到微小的火源，提供了寶貴的時間窗口，使防火部門能夠及早采取行動。表1體現了無人機系統對洮河自然保護區某次初期火情的快速識別能力。

表1 無人機系統實時監測和數據收集

1.3 提高數據采集的多樣性

無人機系統還能夠實現多樣化的數據采集，包括溫度、濕度、風速、大氣質量和空氣組分等環境數據。這種多維度數據的收集不僅有助于全面地了解火情，還能夠提供更多信息，以便更好地制訂應急響應計劃。例如，溫度和濕度數據可以幫助預測火勢的發展趨勢，而大氣質量數據則對防火人員的健康和安全至關重要。

1.4 災情監測及輔助滅火

一旦發生火情，無人機系統可以迅速介入并發揮作用[4]。它們可以提供災情監測，以幫助消防人員更好地了解火勢的發展，指導滅火行動的實施。實時數據傳輸使指揮中心能夠迅速做出決策，將資源分配到最需要的地方。無人機還可以用于輔助滅火，通過攜帶水箱或火霧劑，從空中對火源進行針對性撲滅，有效降低滅火難度和危險性[5]。

2017 年，洮河自然保護區引入高精度地理定位技術，實現了智能巡檢，有效管理森林防火系統。無人機系統通過在線巡檢和風險防控平臺，實時監測和收集數據，確保及時發現火點并上傳信息，從而快速應對火災。2018 年7 月15 日，無人機系統配備的地理定位信息顯示，卓尼縣白隆崗等3 處存在森林火災隱患點，并發現了小面積的森林火災。森林防護員利用地理定位設備迅速標注著火點，并通過智能化巡檢平臺上傳相關信息。智能化網聯森林防護預警平臺及時接收這些標注的著火點，結合地理信息分析系統，實現精準定位，調集森林防火員進行隔離控制和早期撲滅，有效遏制了火勢的蔓延，防止了火災的擴大（表2）。

表2 無人機系統在洮河自然保護區災情監測及輔助滅火中的應用

1.5 災后余火監測

無人機可以用于評估火災對生態系統的影響，通過捕捉受損植被的圖像，幫助科學家和生態學家了解火災的影響，為制定后續的生態修復計劃提供支持。這對于保護洮河自然保護區的生態平衡至關重要，有助于快速恢復受損的生態系統。

2 存在的問題

2.1 續航能力不足

洮河自然保護區地域廣闊，因此需要長時間的巡視和監測。然而，許多商用無人機的續航時間相對有限，通常在0.5～2.0 h，這在面對大面積森林地區時稍顯不足。

2.2 飛行控制精度不足

在洮河自然保護區進行森林防火預警和監測時，無人機的飛行控制精度至關重要。不足的飛行控制精度可能導致多種問題，包括定位誤差、避障失敗等。定位誤差可能阻礙無人機準確到達目標位置，從而影響監測數據的精確性。同時，森林內地形復雜，障礙物類型多，不足的飛行控制精度可能導致無人機與這些障礙物發生碰撞，危及飛行安全和設備完整性。

2.3 荷載不足

不同的監測任務需要不同類型的傳感器和荷載設備，而有些無人機的荷載能力有限，無法滿足多樣化的監測需求。在洮河自然保護區的森林防火預警中，可能需要搭載各種傳感器，如紅外熱像儀、高分辨率相機、氣象傳感器和滅火裝置。而荷載不足可能引發多種問題，包括數據采集限制、面積覆蓋不足及任務多樣性受限。有限的荷載能力限制了無人機攜帶傳感器、相機和其他設備的種類和數量，影響了數據采集的多樣性和質量。同時，由于荷載不足，無人機可能需要頻繁返回基地以更換電池，限制了監測范圍的覆蓋面積。而無法滿足不同任務需求的荷載能力也限制了無人機的多功能性。

2.4 穩定性不足

在強風等惡劣天氣條件下，無人機的穩定性可能受到影響，降低了其在這些天氣條件下的可用性。不足的穩定性可能導致多種問題，如飛行不穩定、數據采集質量下降及操控困難。

3 應對策略

3.1 改進續航技術

延長飛行時間可以確保無人機更長時間地保持在監測區域，及時檢測潛在的火源或火勢。1）采用更高容量的電池技術，以提高無人機的續航時間。通過研發新一代電池技術、提高能量密度和充電效率實現。另外，考慮使用可充電燃料電池等先進能源技術，以進一步延長續航時間。2）優化飛行路徑規劃，以減少能量消耗。采用智能路徑規劃算法，優化無人機的巡視路徑，以避免不必要的飛行，從而減少能源消耗。3）引入太陽能充電裝置，在飛行過程中為無人機充電。

3.2 提高飛行控制精度

1）使用先進的導航系統，如差分GPS 或慣性導航系統，提高無人機的飛行控制精度。這些系統可以提供更準確的位置和姿態信息，使無人機能夠更好地適應復雜地形。2）引入遙感技術，如激光雷達或立體視覺系統，提高對地形的感知能力。這可以幫助無人機更好地避開障礙物，確保飛行的穩定性。3）提供專門的培訓和認證體系，確保操作員具備高水平的飛行技能，以應對復雜的地形和氣象條件。

3.3 增加有效荷載

改進無人機的結構和設計，采用輕質材料、更強大的電機，創新機身設計，以提強其有效荷載能力；發展模塊化的荷載系統，使其能夠根據不同任務的需求進行快速更換和升級，以提高無人機的多功能性，適應不同的監測任務需求；研究和開發更高效的傳感器和監測設備，以減小其體積和重量，從而減輕無人機荷載的負擔。

3.4 提高系統穩定性

1）引入飛行穩定性增強技術，如更高級的飛行控制系統和自穩定裝置，幫助無人機在不穩定的氣象條件下保持穩定飛行，減少外部不穩定因素對飛行的影響。2）提供實時氣象數據和風速警報系統，使操作員能夠更好地規劃和調整飛行任務，以適應不同氣象條件。3）開展系統可靠性測試和維護，確保無人機的各個部件和系統都處于良好狀態，減少飛行中可能出現的問題。

4 結語

無人機系統在洮河自然保護區多樣的地形中展現了出色的機動性，通過實時監測和數據收集，提供了關鍵的信息支持，包括數據采集、災情監測、輔助滅火和災后余火監測。盡管面臨續航能力不足、飛行控制精度不足、荷載限制和穩定性不足等挑戰，但改進續航技術、提高飛行控制精度、增加有效荷載和提高系統穩定性等方式可以解決這些問題。通過不斷創新和改進，無人機系統將繼續在森林防火管理中發揮重要作用，有助于保護生態環境，減少火災風險，并為可持續發展提供有力支持。