無人機(jī)技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用研究

摘要：森林火災(zāi)的危害不容小覷，不僅會(huì)嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境、損耗森林資源，也給人類生命和財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅。以往的森林火災(zāi)監(jiān)測手段已難以滿足高效防控的需求。隨著科技發(fā)展，無人機(jī)技術(shù)因其靈活、便捷、高分辨率成像等優(yōu)勢，在森林火災(zāi)監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。本文深入剖析無人機(jī)技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用情況，解析無人機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成及其核心技術(shù)，探討其在火災(zāi)預(yù)防、火情監(jiān)測、災(zāi)后評估等環(huán)節(jié)的實(shí)際運(yùn)用，同時(shí)探討現(xiàn)存的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向，以期為增強(qiáng)森林火災(zāi)監(jiān)測能力，更好地預(yù)防和處理森林火災(zāi)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；森林火災(zāi)；監(jiān)測應(yīng)用

森林火災(zāi)堪稱森林資源的最大威脅之一，其爆發(fā)突然、擴(kuò)散迅猛，一旦燃起，常常帶來難以估量的經(jīng)濟(jì)損失，對生態(tài)造成嚴(yán)重破壞。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)[1]，全球每年都有數(shù)百萬公頃的森林毀于火災(zāi)。傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測方法，如地面瞭望塔、人工巡邏以及衛(wèi)星遙感監(jiān)測等，雖然在森林防火工作中起到了一定作用，但都有各自的弊端。地面瞭望塔受地形與天氣制約，監(jiān)測范圍受限；人工巡邏效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大，還存在不少監(jiān)測死角；衛(wèi)星遙感監(jiān)測的時(shí)間分辨率較低，無法及時(shí)捕捉火災(zāi)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。無人機(jī)技術(shù)的誕生，為森林火災(zāi)監(jiān)測開辟了新路徑。它機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、靈活度高，能進(jìn)行近距離監(jiān)測，有效克服了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的弊端，在森林火災(zāi)監(jiān)測領(lǐng)域的重要性與日俱增。

1 無人機(jī)系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 無人機(jī)系統(tǒng)組成

無人機(jī)系統(tǒng)由多個(gè)關(guān)鍵部分協(xié)同構(gòu)成，各部分各司其職，共同保障無人機(jī)在森林火災(zāi)監(jiān)測中的高效運(yùn)作。

飛行器是整個(gè)系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)，依據(jù)不同應(yīng)用場景，有固定翼、多旋翼、直升機(jī)無人機(jī)這幾類。固定翼無人機(jī)續(xù)航長、速度快，在日常大面積森林巡檢時(shí)能快速覆蓋大片區(qū)域；多旋翼操作簡單、可靈活懸停，適合復(fù)雜地形和火災(zāi)現(xiàn)場的精細(xì)化觀察；直升機(jī)無人機(jī)功能更綜合，能完成特殊任務(wù)，但制作成本和維護(hù)難度較高。

任務(wù)載荷用于收集森林火災(zāi)信息，像常見的可見光相機(jī)憑借高分辨率圖像，幫助識(shí)別煙霧、火源；紅外熱像儀利用溫度感應(yīng)，不懼夜晚和煙霧，精準(zhǔn)定位火源；多光譜相機(jī)通過分析光譜，評估森林植被健康、排查火災(zāi)隱患。

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)從無人機(jī)傳輸至地面控制站，常見方式有無線數(shù)字傳輸和衛(wèi)星通信傳輸。前者速率高、成本低，適合短距離數(shù)據(jù)回傳；后者不受距離限制，可實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)傳輸，不過成本高、速度慢[2]。

地面控制站是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，操作人員在這里規(guī)劃任務(wù)、遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)，實(shí)時(shí)掌握飛行狀態(tài)與任務(wù)進(jìn)度，借助專業(yè)軟件處理分析回傳數(shù)據(jù)，確保無人機(jī)安全飛行與數(shù)據(jù)高效利用。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

無人機(jī)在森林火災(zāi)監(jiān)測中高效運(yùn)行，離不開三大關(guān)鍵技術(shù)的有力支撐。

首先是導(dǎo)航與定位技術(shù)，這是確保無人機(jī)精準(zhǔn)飛行至目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域的核心所在。現(xiàn)階段，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）是無人機(jī)定位的主要依靠，比如常用的GPS以及我國自主研發(fā)的北斗系統(tǒng)。不過，為進(jìn)一步提升定位的精準(zhǔn)度與可靠性，還會(huì)融合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和視覺導(dǎo)航技術(shù)。在衛(wèi)星信號(hào)不佳甚至丟失時(shí)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能憑借測量無人機(jī)的加速度和角速度，持續(xù)推算其位置與姿態(tài)；視覺導(dǎo)航則借助無人機(jī)搭載的相機(jī)，采集周圍環(huán)境圖像，經(jīng)圖像識(shí)別和分析，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與智能避障，大大提升無人機(jī)飛行的自主性與安全性[3]。

其次是圖像處理與分析技術(shù)。無人機(jī)工作時(shí)會(huì)收集海量圖像和視頻數(shù)據(jù)，必須快速、精準(zhǔn)處理分析，才能從中提煉出森林火災(zāi)相關(guān)關(guān)鍵信息。這一技術(shù)涵蓋圖像增強(qiáng)、目標(biāo)檢測與識(shí)別、圖像拼接與鑲嵌等多個(gè)環(huán)節(jié)。圖像增強(qiáng)能優(yōu)化圖像對比度和清晰度，為后續(xù)目標(biāo)檢測打好基礎(chǔ)；目標(biāo)檢測與識(shí)別算法，可自動(dòng)識(shí)別圖像里的煙霧、火源、燃燒區(qū)域等關(guān)鍵特征；圖像拼接與鑲嵌技術(shù)，則將眾多拍攝小圖拼接成一幅完整的大區(qū)域圖像，助力全面分析評估森林火災(zāi)狀況[4]。

最后是通信技術(shù)，它是保障無人機(jī)與地面控制站數(shù)據(jù)傳輸、指令交互穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)。除了常見的數(shù)據(jù)傳輸方式，通信協(xié)議的精心設(shè)計(jì)與持續(xù)優(yōu)化也至關(guān)重要，以此提升通信效率和抗干擾能力。隨著5G技術(shù)興起，其高速率、低延遲、大連接的特性，為無人機(jī)森林火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用開拓了更廣闊前景，有望實(shí)現(xiàn)更實(shí)時(shí)、高清的數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程控制，極大提升監(jiān)測工作的時(shí)效性與準(zhǔn)確性。

2 無人機(jī)技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 火災(zāi)預(yù)防階段

在森林火災(zāi)預(yù)防環(huán)節(jié)，無人機(jī)發(fā)揮著極為重要的作用，主要體現(xiàn)在森林資源巡檢與火源探測預(yù)警兩大方面。

森林資源巡檢時(shí)，無人機(jī)定期“出征”，憑借其靈活的飛行特性，深入到那些人力難以企及的偏遠(yuǎn)山林地帶，對森林展開全面“體檢”。它可以獲取森林植被生長態(tài)勢、地形地貌特征以及可燃物分布狀況等關(guān)鍵信息。通過分析無人機(jī)拍攝的高分辨率影像，能像“火眼金睛”一般，精準(zhǔn)找出樹木病蟲害侵襲區(qū)域以及生長異常之處。舉例來說，在某山區(qū)，無人機(jī)巡檢就立下大功。它發(fā)現(xiàn)一片松樹因松材線蟲病大量枯萎死亡，這些枯死樹木極易引發(fā)自燃，成為火災(zāi)的潛在隱患。相關(guān)部門得到消息后，迅速行動(dòng)，及時(shí)清理，成功將火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)扼殺在搖籃中。不僅如此，借助對林下枯枝落葉分布情況的分析，還能科學(xué)規(guī)劃重點(diǎn)防火隔離帶的建設(shè)區(qū)域，進(jìn)一步降低火災(zāi)發(fā)生的可能性[5]。

在火源探測與預(yù)警方面，重點(diǎn)防火區(qū)域是無人機(jī)的“主戰(zhàn)場”。無人機(jī)搭載紅外熱像儀等設(shè)備進(jìn)行低空飛行巡查，能夠快速鎖定隱藏在森林里的高溫火源，不管是野外違規(guī)用火、未熄滅的煙頭，還是自燃的泥炭，都逃不過它的“法眼”。在一次林區(qū)巡邏中，無人機(jī)通過紅外熱像儀敏銳捕捉到一處溫度異常點(diǎn)，經(jīng)核實(shí)是游客違規(guī)野炊。無人機(jī)馬上向地面控制站發(fā)出警報(bào)，工作人員第一時(shí)間趕到現(xiàn)場制止，成功阻止了一場可能發(fā)生的火災(zāi)。此外，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)和地理信息系統(tǒng)（GIS），還能對火源的擴(kuò)散趨勢進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，提前做好火災(zāi)防控準(zhǔn)備，比如依據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速和地形，預(yù)測火勢蔓延方向，提前疏散周邊居民，并合理部署滅火力量。

2.2 火災(zāi)發(fā)生時(shí)監(jiān)測

森林火災(zāi)一旦爆發(fā)，快速且精準(zhǔn)的現(xiàn)場監(jiān)測對控制火情極為關(guān)鍵，無人機(jī)在這一過程中扮演著不可或缺的角色。

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，無人機(jī)迅速飛赴現(xiàn)場，成為地面指揮中心的“千里眼”，實(shí)時(shí)捕捉火災(zāi)現(xiàn)場的圖像與視頻，將火勢大小、蔓延方向、煙霧擴(kuò)散范圍等重要信息源源不斷傳輸回去。消防指揮人員借此全面掌握火災(zāi)態(tài)勢，制定科學(xué)滅火方案。在一場大型森林火災(zāi)里，無人機(jī)多角度拍攝，使指揮人員清晰洞察火勢在山谷的蔓延路徑，進(jìn)而靈活調(diào)整滅火力量，及時(shí)開辟防火隔離帶，有效阻止火勢蔓延。另外，無人機(jī)搭載的氣體傳感器還能監(jiān)測火災(zāi)現(xiàn)場有害氣體濃度，當(dāng)檢測到一氧化碳、二氧化硫等氣體超標(biāo)，立即提醒消防人員做好防護(hù)，保障他們的人身安全。

在火災(zāi)撲救期間，無人機(jī)持續(xù)跟蹤火情，實(shí)時(shí)掌握火勢變化與滅火成效。通過對比不同時(shí)段拍攝的現(xiàn)場圖像，分析燃燒區(qū)域的動(dòng)態(tài)，為滅火策略調(diào)整提供數(shù)據(jù)依據(jù)。若圖像顯示某區(qū)域火勢減弱，便可知滅火措施有效，可靈活調(diào)配力量至火勢較大區(qū)域。同時(shí)，無人機(jī)密切關(guān)注火災(zāi)周邊環(huán)境，預(yù)防火災(zāi)復(fù)燃與次生災(zāi)害，比如監(jiān)測火災(zāi)后的山體，及時(shí)發(fā)現(xiàn)土壤松動(dòng)引發(fā)泥石流的隱患，全方位助力火災(zāi)撲救與后續(xù)防范工作。

2.3 火災(zāi)撲救后評估

森林火災(zāi)撲滅并不意味著工作結(jié)束，后續(xù)的火災(zāi)損失評估與生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，對森林恢復(fù)和生態(tài)保護(hù)意義重大，無人機(jī)在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

在火災(zāi)損失評估方面，無人機(jī)迅速出動(dòng)，對受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行航拍，獲取清晰、高分辨率圖像數(shù)據(jù)。借助圖像處理技術(shù)，再結(jié)合森林資源檔案，工作人員便能精準(zhǔn)計(jì)算火災(zāi)造成的各項(xiàng)損失。比如在某次火災(zāi)后，通過分析無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)，明確了燒毀林地的具體面積，統(tǒng)計(jì)出不同樹種的損毀數(shù)量。這些數(shù)據(jù)是制定森林恢復(fù)計(jì)劃的重要依據(jù)，林業(yè)部門可以根據(jù)樹種特性，規(guī)劃補(bǔ)種方案。同時(shí)，詳實(shí)的數(shù)據(jù)為申請救災(zāi)資金提供了支撐，讓相關(guān)部門直觀了解火災(zāi)損失，也為火災(zāi)責(zé)任認(rèn)定提供了有力證據(jù)[6]。

森林火災(zāi)對生態(tài)環(huán)境影響深遠(yuǎn)，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測必不可少。無人機(jī)搭載多光譜相機(jī)、高光譜相機(jī)等設(shè)備，對受災(zāi)區(qū)域展開全方位監(jiān)測。通過多光譜圖像，分析植被覆蓋度的變化，判斷植被恢復(fù)進(jìn)度，為植被修復(fù)提供參考；檢測土壤含水量，幫助確定土壤改良方向；監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)，掌握水源受污染程度，從而制定針對性治理措施。通過這些監(jiān)測，能更科學(xué)地開展生態(tài)修復(fù)和重建工作，助力受災(zāi)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

3 無人機(jī)技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用中存在的問題

盡管無人機(jī)技術(shù)為森林火災(zāi)監(jiān)測帶來顯著變革，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

續(xù)航能力短板顯著。市面上多數(shù)無人機(jī)續(xù)航時(shí)長僅幾十分鐘到幾小時(shí)，這對于廣袤森林的監(jiān)測而言，監(jiān)測范圍與時(shí)長都受到極大制約。特別是在偏遠(yuǎn)山區(qū)與復(fù)雜地形環(huán)境下，無人機(jī)需頻繁充電或更換電池，不僅耗時(shí)耗力，監(jiān)測效率大打折扣，甚至可能致使監(jiān)測任務(wù)被迫中斷，無法對大面積區(qū)域進(jìn)行持續(xù)、全面的監(jiān)控。

數(shù)據(jù)處理與分析能力也亟待提升。伴隨無人機(jī)監(jiān)測頻次增加與精度提高，數(shù)據(jù)量呈爆發(fā)式增長，對數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求愈發(fā)嚴(yán)苛。然而現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理軟件與算法，在應(yīng)對森林火災(zāi)這類復(fù)雜場景數(shù)據(jù)時(shí)，存在明顯不足，難以在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)提煉關(guān)鍵信息，使得監(jiān)測結(jié)果的時(shí)效性和可靠性難以保障，無法為火災(zāi)防控提供及時(shí)、有效的數(shù)據(jù)支撐。

無人機(jī)飛行受天氣條件制約嚴(yán)重。強(qiáng)風(fēng)、暴雨、大霧等惡劣天氣是無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)的“大敵”。這些天氣不僅干擾無人機(jī)飛行的安全與穩(wěn)定，還會(huì)降低任務(wù)載荷的性能，致使獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量下滑，甚至在極端情況下無法采集到有效數(shù)據(jù)，極大限制了無人機(jī)在復(fù)雜氣象條件下的應(yīng)用。

法律法規(guī)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)缺失。目前，無人機(jī)在森林火災(zāi)監(jiān)測領(lǐng)域缺乏完善的法律規(guī)范與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。飛行空域如何合理規(guī)劃、數(shù)據(jù)隱私怎樣有效保護(hù)、操作人員資質(zhì)如何規(guī)范認(rèn)證等問題懸而未決，這些不確定因素給無人機(jī)大規(guī)模應(yīng)用與推廣設(shè)置了障礙，阻礙了其在森林火災(zāi)監(jiān)測中發(fā)揮更大效能。

4 無人機(jī)技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測中的發(fā)展趨勢

4.1 在續(xù)航能力提升上，長航時(shí)無人機(jī)技術(shù)研發(fā)成為關(guān)鍵突破口

研究人員正致力于采用新型輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)，革新能源管理技術(shù)，以此延長無人機(jī)續(xù)航時(shí)間。例如，太陽能無人機(jī)的探索已初見成果，通過將太陽能轉(zhuǎn)化為飛行能源，理論上能夠?qū)崿F(xiàn)長時(shí)間不間斷飛行，滿足大面積森林長時(shí)間監(jiān)測的需求。

4.2 智能化數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)將深度融入無人機(jī)監(jiān)測體系

隨著人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能算法模型的構(gòu)建成為可能。這些模型可自動(dòng)識(shí)別、分析森林火災(zāi)信息，實(shí)現(xiàn)早期精準(zhǔn)預(yù)警、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測和高效評估，大幅提升監(jiān)測效率與準(zhǔn)確性。同時(shí)，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)對海量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、挖掘，為火災(zāi)防控決策提供全面且深入的依據(jù)。

4.3 多機(jī)協(xié)同監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展將顯著提升監(jiān)測效能

未來，多架無人機(jī)協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對森林區(qū)域全方位、立體式掃描。比如，利用固定翼無人機(jī)進(jìn)行快速大面積巡查，多旋翼無人機(jī)針對重點(diǎn)區(qū)域精細(xì)觀測，不同類型無人機(jī)通過數(shù)據(jù)共享與協(xié)同控制，構(gòu)建高效監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，極大提高火災(zāi)監(jiān)測與響應(yīng)速度。

4.4 無人機(jī)技術(shù)與其他監(jiān)測手段的融合將打造更完善的監(jiān)測體系

與衛(wèi)星遙感、地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)等技術(shù)深度結(jié)合，發(fā)揮衛(wèi)星遙感宏觀監(jiān)測、地面?zhèn)鞲衅鲗?shí)時(shí)監(jiān)測局部環(huán)境參數(shù)的優(yōu)勢，無人機(jī)則在中間尺度靈活補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對森林火災(zāi)全時(shí)段、全范圍的覆蓋監(jiān)測，全面提升森林火災(zāi)監(jiān)測的整體水平[7]。

4.5 隨著無人機(jī)應(yīng)用日益廣泛，完善法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫

政府部門將強(qiáng)化對無人機(jī)飛行空域的管理，制定科學(xué)飛行規(guī)則與安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范操作流程。行業(yè)協(xié)會(huì)與企業(yè)也會(huì)積極參與，制定數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用等標(biāo)準(zhǔn)，為無人機(jī)技術(shù)在森林火災(zāi)監(jiān)測領(lǐng)域的健康、有序發(fā)展保駕護(hù)航。

5 結(jié)語

在森林火災(zāi)防控領(lǐng)域，無人機(jī)技術(shù)以其鮮明優(yōu)勢，貫穿火災(zāi)預(yù)防、監(jiān)測與撲救后評估全程，有力支撐著森林保護(hù)工作。盡管當(dāng)前應(yīng)用存在續(xù)航、數(shù)據(jù)處理等問題，但隨著技術(shù)革新，這些短板將被補(bǔ)齊，與其他監(jiān)測技術(shù)融合也會(huì)更深入。加之法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善，無人機(jī)應(yīng)用前景無限，有望成為森林火災(zāi)監(jiān)測核心技術(shù)，為生態(tài)保護(hù)貢獻(xiàn)更大力量，我們應(yīng)重視并大力推動(dòng)其發(fā)展。

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