無人機(jī)在森林火災(zāi)處置中的應(yīng)用

摘要：在森林火災(zāi)處置中，無人機(jī)憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，能夠顯著縮短火情響應(yīng)時(shí)間、降低人員暴露風(fēng)險(xiǎn)，正逐步成為應(yīng)急救援工作中的關(guān)鍵力量。通過介紹無人機(jī)在?火情偵察、?火場態(tài)勢監(jiān)控、?數(shù)字沙盤構(gòu)建、?物資補(bǔ)給以及?復(fù)燃防控等多個(gè)場景的應(yīng)用，探討這些應(yīng)用場景下面臨的挑戰(zhàn)，并提出針對性策略，旨在推動(dòng)無人機(jī)在森林火災(zāi)處置中的深度應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；森林火災(zāi)；應(yīng)急處置；應(yīng)用方向

中圖分類號：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）06-0049-03

0 引言

近年來，無人機(jī)在森林火災(zāi)處置中逐漸得到廣泛應(yīng)用，其全面覆蓋的勘察視角、靈活機(jī)動(dòng)的行動(dòng)能力、豐富多樣的功能掛載，為應(yīng)急救援行動(dòng)提供了強(qiáng)有力的輔助。然而，協(xié)同指揮、設(shè)備性能以及作業(yè)統(tǒng)籌管控等因素制約了無人機(jī)效能的充分發(fā)揮。探討如何在森林火災(zāi)場景中，穩(wěn)定且充分地發(fā)揮無人機(jī)應(yīng)用效能，對提升救援效率與安全性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義及應(yīng)用價(jià)值。

1 森林火災(zāi)中無人機(jī)的主要應(yīng)用方向

1.1" 火情偵察作業(yè)

森林火災(zāi)發(fā)生后，火情偵察是研判決策、方案制定、救援組織、資源調(diào)度的先決條件。然而，林火區(qū)域大多是未開發(fā)狀態(tài)，往往存在交通不便、通信條件差、地形復(fù)雜等問題，導(dǎo)致人力偵察困難、效率較低、實(shí)效性差，獲取前線第一手資料的難度大、耗時(shí)長?？罩袀刹炀哂蟹秶鷱V、速度快等優(yōu)勢，且不受地形條件限制，能夠?qū)πl(wèi)星熱點(diǎn)以及位置較偏遠(yuǎn)的森林火災(zāi)發(fā)生區(qū)進(jìn)行有效偵察。以往，需要森林航空消防飛機(jī)到場后才能完整獲取火場情況[1]。配備無人機(jī)后，指揮部可從多點(diǎn)位派出無人機(jī)現(xiàn)場偵察火線位置、火勢強(qiáng)度、風(fēng)向、風(fēng)速等信息，在森林航空到達(dá)最近駐防點(diǎn)前，基本完成火區(qū)圖的繪制，為前方指揮部開展救援處置、資源調(diào)配等工作提供準(zhǔn)確情報(bào)支持。

1.2" 火場態(tài)勢監(jiān)控

無人機(jī)能耗低、便攜性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性高，可以對火場的火勢動(dòng)態(tài)進(jìn)行低消耗、高效率的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠短間隔、高頻次、大范圍提供火場情報(bào)，包括火場及周邊情況、火線實(shí)時(shí)位置、發(fā)展方向的環(huán)境信息等。為進(jìn)入火場的前出作戰(zhàn)小組配備伴飛無人機(jī)，可常態(tài)化提供所在位置周圍火勢發(fā)展情況，偵察進(jìn)攻和撤退路線的情況，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警，降低人員被困風(fēng)險(xiǎn)。在處置森林火災(zāi)時(shí)，使用無人機(jī)替代直升機(jī)，可承擔(dān)火場偵察、監(jiān)控火線發(fā)展情況、評估灑水撲救效果、預(yù)測火勢發(fā)展趨勢等職責(zé)?；跓o人機(jī)獲取的信息，指揮人員能夠及時(shí)指揮救援隊(duì)伍、調(diào)整撲救方案。

1.3" 構(gòu)建數(shù)字沙盤

在森林火災(zāi)處置過程中，往往面臨地域范圍廣、地勢復(fù)雜、人員單位裝備多以及時(shí)間跨度大等問題，指揮協(xié)調(diào)工作強(qiáng)度大。鑒于公共地圖和衛(wèi)星照片資源無法提供大比例尺的實(shí)景信息，可利用在場無人機(jī)進(jìn)行航拍，制作正射影像，為前方指揮部構(gòu)建大比例尺數(shù)字沙盤[2]。從數(shù)字沙盤上可以獲取即時(shí)航拍影像、受災(zāi)區(qū)域的即時(shí)情況、火頭位置、高程信息、人員位置以及道路通行狀況等，進(jìn)而有效調(diào)度救援力量，直觀規(guī)劃各救援力量的位置和行進(jìn)路線，標(biāo)注火勢進(jìn)展和火場情況。對于關(guān)鍵點(diǎn)位、區(qū)塊，可采用航拍三維重建或點(diǎn)位全景圖，以便各級救援單位全面掌握實(shí)際情況，為輔助決策提供依據(jù)。

1.4" 物資快速補(bǔ)給

受森林地形條件限制，地面運(yùn)輸條件較差，補(bǔ)給時(shí)間耗時(shí)長，一線作戰(zhàn)人員對油料、裝備等物資的補(bǔ)給需求迫切。在完成緊急準(zhǔn)備和簡單試飛后，可啟用無人機(jī)進(jìn)行風(fēng)力滅火機(jī)、油料、通信器材等救援物資和食水的補(bǔ)給。無人機(jī)響應(yīng)迅速、機(jī)動(dòng)靈活，受道路條件、地形和高差的影響較小，運(yùn)輸時(shí)間短，補(bǔ)給時(shí)效高，能夠有效保持一線隊(duì)伍的作戰(zhàn)能力[3]。執(zhí)行較重運(yùn)輸任務(wù)（到場最大機(jī)型可單程吊運(yùn)40kg物資）的無人機(jī)，能在5m/s風(fēng)速時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，可利用高度和速度優(yōu)勢，尋找火線薄弱處穿越進(jìn)行投送，確保運(yùn)送可靠性。在實(shí)際情況中，對于沒有鋪設(shè)水管上山的區(qū)域，通常會(huì)建設(shè)水池、水窖等預(yù)設(shè)儲(chǔ)水點(diǎn)，但林火發(fā)生時(shí)需要鋪設(shè)水帶、運(yùn)送水泵和油料，由于運(yùn)輸條件差，往往面臨難度大、搭建時(shí)間長、效率低等問題。通過使用載重較大（25～50kg）的無人機(jī)，可快速投送水泵、油料，同時(shí)先于人員到達(dá)，快速布置水帶至指定點(diǎn)位形成水路，可以大幅減輕運(yùn)輸壓力，提高部署效率，快速發(fā)揮預(yù)設(shè)水源（儲(chǔ)水點(diǎn)）的作用。

1.5" 探消結(jié)合，助力轉(zhuǎn)變火場看守模式

熱成像功能可以準(zhǔn)確定位高溫區(qū)域。引入搭載熱成像功能的無人機(jī)，可快速響應(yīng)并抵達(dá)火場，成為迅速、靈活、準(zhǔn)確的探測工具。紅外熱成像系統(tǒng)可穿透煙霧等障礙，快速識(shí)別溫度異常情況，在過火區(qū)域精準(zhǔn)定位異常高溫情況，標(biāo)定高風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)燃位置并及時(shí)預(yù)警，避免人員進(jìn)場探查而暴露在高溫、有毒煙霧等危險(xiǎn)環(huán)境中，從而降低傷亡風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，可聯(lián)動(dòng)植保型無人機(jī)規(guī)劃航線進(jìn)行定點(diǎn)噴灑作業(yè)，復(fù)燃抑制效果顯著。無人機(jī)搭載熱成像裝備后，不受地形、交通條件等限制，能對大面積火場進(jìn)行全覆蓋、持續(xù)且高效的監(jiān)測。根據(jù)探測到的溫度分布情況，無人機(jī)還能對火場區(qū)域劃分優(yōu)先處理級別，實(shí)施分類處理，以此提高火場看守效率和質(zhì)量。在火場看守期，通過便利的溫度探測、精準(zhǔn)提供高溫位置以及對溫度異常點(diǎn)位部署資源進(jìn)行預(yù)防處理，改變了以往廣泛駐點(diǎn)、被動(dòng)應(yīng)對的駐守方式，大幅降低了復(fù)燃風(fēng)險(xiǎn)，提高了駐守的主動(dòng)性。

2 森林火災(zāi)處置中應(yīng)用無人機(jī)面臨的挑戰(zhàn)

2.1" 空中力量協(xié)同指揮方面

目前，無人機(jī)在森林火災(zāi)處置中得到了大量應(yīng)用，但直接執(zhí)行滅火作業(yè)的仍是以直升機(jī)為主的有人駕駛飛行器，直升機(jī)吊桶滅火作業(yè)桶底距火焰或樹冠高度在10～50m，飛行高度在100～1000m，這與無人機(jī)的作業(yè)空域（50～500m）形成了較大重疊，面臨協(xié)同指揮問題。第一，無人機(jī)和直升機(jī)空域協(xié)調(diào)效率低。無人機(jī)的部署與作業(yè)大部分由現(xiàn)場指揮部組織和執(zhí)行，而直升機(jī)的指揮權(quán)在上級部門。第二，無人機(jī)、直升機(jī)與地面指揮數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一[4]。無人機(jī)基本使用WGS84坐標(biāo)系，直升機(jī)常用北京54坐標(biāo)系，而現(xiàn)場指揮人員使用的是地圖軟件常見的坐標(biāo)系（如火星坐標(biāo)系、BD-09、CGCS2000）。不同坐標(biāo)轉(zhuǎn)換會(huì)導(dǎo)致3～8m的定位偏差，導(dǎo)致無人機(jī)作業(yè)時(shí)有空域沖突風(fēng)險(xiǎn)。

2.2" 無人機(jī)自身設(shè)備性能方面

目前，在火災(zāi)處置中能夠緊急動(dòng)員參與作業(yè)的主要是消費(fèi)級無人機(jī)，僅有少量行業(yè)級無人機(jī)。消費(fèi)級無人機(jī)滯空時(shí)間為20～35min，需要較為頻繁的電池補(bǔ)給。在山區(qū)環(huán)境中，受地形和地面附著物的影響，消費(fèi)級無人機(jī)的遙控、圖傳和定位等信號會(huì)受到較大干擾和衰減，僅能維持2km左右的作業(yè)半徑。行業(yè)級無人機(jī)的遙控范圍通常約為2km，受地形影響顯著，例如，當(dāng)控制飛行器跨過山丘時(shí)，極易超出控制范圍。在單程吊送能力方面，行業(yè)級無人機(jī)的吊送能力為20～50kg不等，受槳葉、電池裝備、鎖具等因素限制，難以運(yùn)輸大型救援設(shè)備和大量物資[5]。當(dāng)飛行器處于重載狀態(tài)且作業(yè)環(huán)境風(fēng)速超過三級時(shí)，其控制難度會(huì)明顯增加，特別是在丘陵林草區(qū)，操作人員需密切觀察風(fēng)向和風(fēng)速。

2.3" 無人機(jī)空中作業(yè)統(tǒng)籌管控方面

在救援現(xiàn)場，針對無人機(jī)存在多樣化的作業(yè)任務(wù)需求，常見任務(wù)包括正射影像拍攝、火線偵察、物資投送、火場態(tài)勢監(jiān)控以及隨隊(duì)警戒等，同一任務(wù)需要組織多個(gè)航空器同時(shí)開展作業(yè)。目前，應(yīng)急部門直屬處置力量配置的無人機(jī)主要著眼火災(zāi)預(yù)防，而森林火災(zāi)處置工作偶爾需要臨時(shí)動(dòng)員社會(huì)無人機(jī)參與執(zhí)行任務(wù)。現(xiàn)場指揮部門對各無人機(jī)作業(yè)的航線、高度以及時(shí)間安排等方面的管理水平較低，對規(guī)避規(guī)則、應(yīng)急航線制定以及無人機(jī)機(jī)場管控等空管能力方面相對薄弱。

2.4" 現(xiàn)場無人機(jī)設(shè)備作業(yè)效能適配方面

目前，能夠快速動(dòng)員投入森林火災(zāi)處置工作的無人機(jī)，以通用型號為主，對森林火場環(huán)境的適應(yīng)性相對不足，具體表現(xiàn)為：第一，圖傳信號與遙控距離受地形影響較大。當(dāng)無人機(jī)在現(xiàn)場作業(yè)需要翻越山梁或遇到較大山體遮擋時(shí)，容易造成信號丟失，限制了無人機(jī)的作業(yè)范圍。第二，定位系統(tǒng)干擾問題突出。森林火災(zāi)現(xiàn)場存在衛(wèi)星失鎖、多路徑誤差、電磁干擾等多種定位異常類型，無法準(zhǔn)確定位目標(biāo)、起飛點(diǎn)、返航點(diǎn)和迫降點(diǎn)，導(dǎo)致任務(wù)中斷或延遲。

3 森林火災(zāi)處置中無人機(jī)應(yīng)用的優(yōu)化措施

3.1" 建立空管架構(gòu)，克服協(xié)同困境

前方指揮部要設(shè)立由直升機(jī)調(diào)度員和無人機(jī)指揮員共同組成的空勤聯(lián)合指揮小組，以實(shí)現(xiàn)一體化指揮調(diào)度。第一，?構(gòu)建臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)。利用無人機(jī)搭載LoRa+Wi-Fi混合基站，建立半徑5km的應(yīng)急通信中繼，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)視頻和定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳。第二，?部署便攜式協(xié)同裝備。該裝備集成北斗定位與ADS-B接收功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示半徑5km內(nèi)航空器的位置。同時(shí)，內(nèi)置多坐標(biāo)系自動(dòng)轉(zhuǎn)換模塊，統(tǒng)一采用作業(yè)坐標(biāo)系，優(yōu)先使用WGS84或CGCS2000坐標(biāo)系，現(xiàn)場校驗(yàn)定位偏差并實(shí)時(shí)修正，從而完成坐標(biāo)數(shù)據(jù)的基本聯(lián)通。

3.2" 統(tǒng)籌組織，克服設(shè)備限制

針對無人機(jī)單機(jī)作業(yè)能力不足的問題，可以從多架次接力執(zhí)飛、精細(xì)管理分配任務(wù)、保障留空時(shí)間等方面采取措施。第一，調(diào)度組織適航機(jī)型?，F(xiàn)場快速對到場無人機(jī)進(jìn)行分類，優(yōu)先選擇具備大載重、長航時(shí)、熱成像功能的機(jī)型。將同一品牌的無人機(jī)集中分組，通過配套控制軟件或現(xiàn)場地面站進(jìn)行匹配，形成任務(wù)機(jī)組，以適配不同任務(wù)，應(yīng)對單機(jī)無法完成的長距離、長時(shí)間或復(fù)雜環(huán)境下的作業(yè)需求。第二，分解任務(wù)并利用數(shù)量優(yōu)勢彌補(bǔ)單機(jī)能力不足。根據(jù)無人機(jī)單次續(xù)航能力，將任務(wù)區(qū)域劃分為多個(gè)子段，每架無人機(jī)負(fù)責(zé)一段，明確每架無人機(jī)的起降點(diǎn)、航線、載荷（如傳感器、貨物）及交接邏輯。對于物資運(yùn)輸，將大型設(shè)備拆解為小于20kg的模塊（如滅火泵分體運(yùn)輸），使用多架植保機(jī)（如T30）同步投送，到目標(biāo)點(diǎn)后進(jìn)行組裝投用。第三，做好無人機(jī)前出機(jī)場規(guī)劃。前出機(jī)場作為無人機(jī)的起降和基礎(chǔ)補(bǔ)給點(diǎn)，應(yīng)以前出機(jī)場為支點(diǎn)，放射性布置無人機(jī)控制點(diǎn)。

3.3" 技管雙控，強(qiáng)化作業(yè)管理

第一，全局規(guī)劃任務(wù)管理?？茖W(xué)劃分作業(yè)區(qū)、過渡區(qū)、禁飛區(qū)，明確各空域功能及避讓機(jī)制。統(tǒng)籌協(xié)調(diào)無人機(jī)作業(yè)的區(qū)域、時(shí)段、調(diào)入順序、撤離安排，動(dòng)態(tài)分配飛行器的作業(yè)區(qū)域和時(shí)間。對于無人機(jī)與直升機(jī)重合的作業(yè)區(qū)域，采用交替波浪式作業(yè)法，優(yōu)先保障灑水滅火作業(yè)。第二，整合技術(shù)作業(yè)數(shù)據(jù)。采用三維數(shù)字孿生平臺(tái)整合空情信息，根據(jù)火情動(dòng)態(tài)分配飛行時(shí)間段和作業(yè)區(qū)域，無人機(jī)由地面站統(tǒng)一調(diào)度，通過4G/5G或衛(wèi)星鏈路指揮多機(jī)協(xié)作，推演、模擬并實(shí)時(shí)調(diào)整，提高空域利用率。

3.4" 現(xiàn)場賦能，應(yīng)對作業(yè)能力不足

對動(dòng)員到場的無人機(jī)進(jìn)行針對性保障，確保各機(jī)充分發(fā)揮效能。第一，保障作業(yè)范圍?，F(xiàn)場組織分配4G模塊，增強(qiáng)信號強(qiáng)度，對抗控制范圍縮減。架設(shè)RTK設(shè)備覆蓋重點(diǎn)作業(yè)區(qū)域，確保定位準(zhǔn)確。組建簡易中繼組網(wǎng)，調(diào)用無人機(jī)掛載微型中繼設(shè)備，定點(diǎn)懸停作為臨時(shí)信號塔，使控制半徑從2km擴(kuò)展至5km。第二，針對承擔(dān)運(yùn)輸主力的植保類無人機(jī)，因其本身控制范圍有限，統(tǒng)籌多個(gè)遙控器，前置控制人員，采用雙遙控技術(shù)，設(shè)置小跳、大跳兩個(gè)中繼控制點(diǎn)，通過接力控制延伸運(yùn)輸線路，拓展運(yùn)輸范圍。

4 結(jié)束語

無人機(jī)技術(shù)憑借其全域偵察、快速響應(yīng)與多功能集成優(yōu)勢，在火情監(jiān)視、物資精準(zhǔn)投送、火場態(tài)勢感知、戰(zhàn)術(shù)決策支持及模式作業(yè)創(chuàng)新等方面有著不可替代的價(jià)值，正深刻改變森林火災(zāi)救援體系。未來，無人機(jī)將更多地參與到森林火災(zāi)救援處置工作中，與其他救援力量協(xié)同更緊密，成為救援處置中必不可少的力量。

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