无人机系统在森林防火方面的应用及其发展

李滨　王宏宇　杨笑天东北林业大学机电工程学院



无人机系统在森林防火方面的应用及其发展

李滨王宏宇杨笑天
东北林业大学机电工程学院

根据我国林业环境的特点，对在森林防火中无人机系统的优势做出简要概述。阐述了无人机系统的组成部分。国内外无人机在各个领域的应用和现状。国内针对森林防火无人机系统的研发起步较晚，与发达国家有一定差距。但随着无人机系统的快速发展，未来我国无人机系统会对林业经济发展做出巨大贡献。

森林防火 无人机系统 应用及发展

森林是人类生存必不可少的一部分，它不仅为人类的生产、生活提供所需的木材和各类林副产品，同时还为人类、动物和植物提供了良好的生存环境。因此，森林防火工作是与中国的生态文明建设和社会主义可持续发展战略的实施密切相关，这项事业的成败也将影响到中国的社会和谐，稳定。

尽管我国疆域辽阔，人口繁多，森林资源总量大，但人均森林覆盖率较低、且类型繁杂，森林防火的工作既要面临着不利的气候、地理环境等条件，也要时刻面临着火源难以掌控，可燃物超载，防控能力不足等实际困难，形势十分严峻。森林火灾一旦发生，将直接影响到我国的森林资源、国土生态的保护，会造成人民群众生命财产的巨大损失，阻碍我国的经济发展，并且影响社会的和谐与稳定。因此我们必须要未雨绸缪，防患于未然。

一般采用派人实地巡逻考察，这种方式劳动强度大，遇到险峻茂密的森林十分危险，既浪费了大量的人力和物力，也很难观测到准确的火点。虽然我国相继建立了东北航空护林中心和西南航空护林总站来进行空中护林防火，但有人驾驶飞机拍摄的图像大多数时候很难满足高精度，高分辨率的要求，特别是容易受到气候天气的影响。而对小林区来说，也容易造成人力，资源的浪费，还不能满足定点观测的要求。无人机的应用解决了这些不足，无人机系统应用于森林防火中具有续航能力强、操纵方便、影像实时传输，机动灵活、功能多样化、应 急快速、实时巡查能力强等特点。尤其是在地形， 天气较复杂的林区更能显示出它的优势。

1　无人机系统简介

传统的无人机（UAV）系统一般叫做靶机。也就是不需要飞行员驾驶的飞行器，主要由无人驾驶飞机、无人靶机和遥控飞行器组成。然而现代人们则通俗的把它们称为“无人机”。一般一架典型的无人机系统大体上包括一个或几个地面控制系统或控制站、飞行器、有效载荷及数据链路、有效载荷、发射及回收系统、地面处理和维护系统等。

飞行器是整个无人机系统中的重要部分，包括机体、推进装置、飞行控制子系统、电力系统。飞行数据终端装备在机体内，它是通讯数据链路的机载部分。机载中的有效载荷是独立的，可以完成不同的任务。而飞行器的机翼可以是固定式、旋转式和风管式。

地面控制站是无人机系统的“指挥中心”，无人机传输来的图像和视频指令和数据在这里进行处理和显示。

地面控制站由任务规划设备、控制显控 台、图像及遥测设施、计算机及信号处理器、地面数据终端，通讯设备、环境控制和生存能力保护设 备组成。

发射回收方式有很多种：在固定场地上进行常规起飞及降落，利用弹射的方式发射并利用着陆拦阻网进行截获回收、空中投放并利用降落伞回收等。由于受到地域限制，发射和回收的设备及方式也有不同。机载中的有效载荷是无人机应用的主要原因。在这个子系统中一般包含用于侦查的各种成像设备，还有更为精密高端的电子系统和各类传感器。

数据链路则是无人机系统中一个关键的子系统，它能根据需要进行持续不断的双向通信。上行链路主要能对无人机的飞行路线进行控制并对有效载荷下达任务指令。下行链路主要接收指令、传输飞行状态信息并能提供高数据率的视频图像信息频道。

地面支援设备近些年变得十分重要不仅包括各种地面发射回收所需的设备还包括测试和维护设备。

2　国内外无人机的应用

2.1国内外无人机的军事应用

1917年，世界上第一架无人机呈现世人，时隔 近日已经有100多年的历史了，由于技术的迅猛革新和战争的日益需要，无人机已逐渐成为世界各国国防装备实力竞争的一个重要部分。今天，在侦察卫星、空中预警机、军用战斗机的蓬勃发展下，无人机依然能够标新立异，争得一席之地，可见其拥有无法比拟的独特性能。1933年世界上首次将有人驾驶飞机改装成靶机取名为“蜂后”号，并试飞成功。 美国在1939年开始研制靶机，并研制出了多种类型。 在第二次世界大战期间，美国人把靶机技术与遥控机结合，在德国庇内门德基地研制成世界上第一枚飞航式V-1型导弹。战后各国迅速发展导弹技术，这却促进了无人机的发展。

20世纪六、七十年代，在美越战争期间，越南防空火力凶猛无比，美军飞机和人员损失惨重。为减少人员和飞机伤亡，美军首次使用“火蜂”无人侦察机和“QH-50”系列无人机来执行侦察和电子情报等任务。大大降低了飞行员和飞机的损失率。

以色列在中东战争中创新的使用无人机来支援地面作战。1973年以色列沿苏伊士运河大量使用 “BQM-74C石鸡”多用途无人机摧毁了埃及沿运河部署的低空导弹基地，并最终扭转了被动的战局。 以色列对无人机的成功运用引起各国的高度重视，加之无人机用途广、造价低、“零伤亡”等优势也引发了各国的研究和购买热潮，这更是加快了无人机的发展和使用。1991年初在海湾战争中，多个国家投入大量无人机参战，不仅数量多、持续时间长， 而且种类、型号明显增多。美军的“先锋”无人侦察机在海湾战争中使用最多的一种，共有六个无人机连参战，共执行522次飞行任务，为更好的了解伊拉克后方军事目标分布、防空系统状况、军事部署等提供了主要依据。如今美国的无人机技术已十分成熟，其中以“捕食者”、“先锋”、“猎人”、和“全球鹰”最具代表性。

以色列的无人机更是发展较早，其中第一代的“侦察兵”，第二代的“先锋”，第三代的“搜索者”也具有一定的代表意义。

近二三十年来，无人机凭借着其机动快速的响应能力、高稳定性、综合应用能力、地表数据的快速获取和建模能力、突出的时效性和性价比等优点，在诸多军事领域的应用中取得了成功，并获得了全世界的青睐。

我国无人机的发展已有四十多年，随着长空一号、长虹高空高速无人侦察机、T-6通用型无人机、Z-5系列无人侦察机、“翼龙”无人机等相继研发成功，激发我国科技人员对未来中国无人机事业的美好憧憬和展望，也给我国无人机事业增添了浓墨重彩的一笔。我国由中国航天科技工业集团系统研制的名为WJ-600的无人机首次以实体形式展现在公众的面前，这款可隐身可实施高速突防的无人机即代表了中国在智能控制军用航空器领域的最新技术。 中国也是第二个掌握长航时高空侦察无人机的国家，例如成都飞机工业集团设计制造的翔龙无人机，毫不逊色于美国的全球鹰。还有可以比肩美国X-47B、俄罗斯电鳐、欧洲神经元、英国雷神无人机的利剑隐身舰载无人机。此外，中国还拥有可以媲美美国大型无人作战机MQ-9“死神”的彩虹-4无人机。其它各种用于反恐、消防等各个领域的无人机更是种类齐备，包罗万象。

2.2国内外无人机的民用现状

警用配备无人机应该是无人机民用的最直接的体现。由于无人机机身小、长航时、不受地域限制，不易被发现，且可携带稳定的高分辨率的监控设备，对反恐、缉毒、刑事调查等方面具有很强的实用性。 2011年12月10日，美国北达科他州警方在一次行动中， 利用“捕食者”B无人机的监视，最终成功抓捕罪犯， 这在美国历史上有记载的警方行动中使用无人机还属首次。

对于重大自然灾害的救援，无人机也发挥着巨大的作用。由于侦察环境恶劣，使得载人飞机和救生直升机难以获得受灾区域的清晰影像和准确信息， 延误最佳救灾时机从而导致重大人员伤亡。无人机则可以在复杂的气候条件下进行巡航侦察，传送灾区内高分辨率的视频影像信息，且不用考虑是否可以安全返航，这样大型无人机就可以及时有效的运送救灾物资并执行空投任务。

日本在农业方面很早就应用了无人机。早在 1983年初，日本政府为了解决日益减少的农业人口问题与雅马哈公司发展签订合约，要求公司开发用于播撒农药的无人直升机。之后该公司麾下的RMax无人直升机由于其农业作业的高效性已经逐渐被市场化，并且最终成为了稻田作业中的一把“利器”。

此外无人机在地质勘探、气象观察、交通疏导、重大自然灾害通讯中继、灾情侦察、野生动物保护、核生化污染区的取样与监测、新技术与新设备的试验验证等科研领域也有广阔的应用前景。

2.3国内外无人机在森林防火中的应用

森林火灾一直是当今世界各国为之头疼的自然灾害。如果处置不当，会对国家和人民造成毁灭性的伤害。传统的森林灭火有直接扑打法、风力灭火法、化学药剂灭火法、水灭火法、爆炸灭火法等几种常用方法。但其时效性和高效性却无法与无人机相比。

近些年国内外有很好的实例值得我们研究。

2006年10月，在加州美国航空航天局（NASA）和 美国林业局利用“牵牛星（Al tai r）”无人机在森林大火上空航行了两次。并且使用NASA艾姆斯研究中心提供的红外扫描仪—机载红外灾害评估系统（AIRDAS）发现了主要的火灾点，并将数据传送到地面站，大约 每30分钟即时的火灾图像就会向地面中心传输，让消防人员更好的掌控局势。此次任务也标志着美国联邦航空局（FAA）首次准许执行在国家空域内的第一个民用无人机任务。

当前，在美国，无人机系统应用到森林防火等民用领域的现象已经十分普遍，可森林防火无人机在中国还未大范围普及应用，尤其是我国利用无人机系统对森林火情进行监测反馈尚处于起始阶段， 还受到各方面不利条件的制约。正是因为当前我国有全方位监测体系不健全，火场通信联络不顺畅，森林防火道路网密度过低，森林航空消防覆盖面过窄，机源及装备紧缺，缺乏夜间航行和低能见度条件下的飞行能力等不利因素的存在，所以远不能满足实际的工作需要。

但成功案例屡见不鲜：齐齐哈尔大学的李春林等相关研究人员共同研制林火监测无人飞艇。

广西桂林航龙科讯电子有限公司充分发挥自主创新能力，利用新研发的无人机对漓江的百里画廊林区，成功地进行了航拍并实现视频实时监控，这在中国还是首例。

2013年6月3日，在内蒙古大兴安岭林区根河航空护林站，我国自主研发的Z5型无人直升机首航成功，这也是我国中型无人机首次应用于林业系统。该机配有防火智能遥感监控系统，可实时反馈检测数据，为快速探测定位森林火灾的方位和综合指挥调度提供依据。

武汉智能鸟公司研制了森林防火无人机系统。该系统是以森林火情监测为主，将无人机技术、 GPS全球定位系统、高清数字图像处理与传输技术等高精尖技术综合融入于森林资源管理中的高科技产物。

3　无人机系统未来的发展趋势

在未来几年甚至几十年内，在军用领域内全世界各国将会投入大量的人力财力来发展无人机，重点是研发中、高空且长航时无人侦察机和攻击机。

同时，为应对战争需要，未来军用无人机的发展方向会从低空、短时间续航向高空、长时间续航发展；隐形无人机也将会是未来的发展趋势；从实时战术侦察向空中预警方向发展。同时随着社会经济的快速发展、人民需求的增多以及无人机技术的突飞猛进，在民用和商用领域无人机的运用正逐渐显露出来。一方面，虽然民用无人机优势明显但其安全问题仍然需要解决，因为在技术上没有人驾驶飞机，当故障发生时，飞机自身不能瞬时调整及故障排除，从而导致无人机容易摔机，所以无人机的安全性差，事故率高。另一方面无人机已经作为一种新型飞行管制对象，给空中交通的正常运行和管理带来了新的挑战。现实中民用无人机活动管理依然存在很多难点。除了以上两点还有无人机系统中发动机的动力技术难题，提高无人机的搭载能力，无人机控制水平，研发新型机身材料以降低自重等问题。

在森林防火方面①无人机升降技术不够完善，抗风性能不稳定，续航时间不长。②在森林防火调查中，应根据所监测到的图像、来分析数据，但精度可能会受到限制，同时，效率也不高。所以预计在未来十到二十年内，这些问题都可以得到有效的解决。无人机势必会应用于我国的资源环境保护、 国防安全、农业发展、科技创新发明等种种领域。

4　结语

无人机系统是对当前森林火灾监测手段的有力补充，有益于我国在森林防火方面取得长足的进步。但由于我国无人机系统在森林防火方面的应用起步较晚，与发达国家有些差距。不过随着无人机在林业及各个领域应用的不断深入，无人机系统必将会为我国林业特别是森林防火方面的工作，促进我国林业经济发展做出积极地贡献。

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