无人机在森林消防中的应用探讨

王秋华， 舒立福， 何 诚， 单保君， 江西军， 李世友

(1.西南林业大学土木工程学院云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224； 2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091； 3.南京森林警察学院林火研究中心，江苏 南京 210023； 4.广东省航空护林站广东省林火卫星监测中心，广东 广州 510520)

无人机在森林消防中的应用探讨

王秋华， 舒立福2， 何 诚3， 单保君1， 江西军4， 李世友1

(1.西南林业大学土木工程学院云南省森林灾害预警与控制重点实验室，云南 昆明 650224； 2.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，北京 100091； 3.南京森林警察学院林火研究中心，江苏 南京 210023； 4.广东省航空护林站广东省林火卫星监测中心，广东 广州 510520)

阐述了无人机的概念、特征和发展过程，以及无人机在森林消防中的应用及其局限性等。无人机在森林消防领域的林火监测，可燃物动态变化跟踪，一般火行为及飞火等特殊火行为的监控，火灾损失评估和火后更新、重建等方面应用广泛，尤其适用于山高、谷深、林密的西南高原林区的森林消防。在现有条件下，无人机在林业消防方面的大规模应用，尚需在升降技术、载荷携带、数据传输和储存等方面做进一步改进。

无人机；森林消防；林火监测；应用

1917 年，英国研制成功了世界上第一架无人机，并用于对敌方目标的侦查[1]。早期的无人机主要运用于军事领域中，20 世纪80年代得到广泛应用并在几次局部战争中发挥了重要作用，80年代中后期，各国制造的无人机已有近百种，起飞质量从几千克到一百千克以上，航程从几千米到几千千米，飞行速度从大于100 km/h 到超音速。美国国家宇航局和林务局开发了无人机热传感图像及数据采集技术，其能够及时传输火场数据，以便进行实时指挥[2]。2007年，我国无人机系统首次应用到黑龙江省大兴安岭地区的森林灭火演练中。随着全球气候变化，特别是变暖趋势明显，人为干扰活动增加，森林主要分布地区极有可能发生严重的森林火灾。2016年5月，加拿大西部阿尔伯塔省麦克默里堡发生了罕见的森林大火，过火面积近50万hm2，撤离8万多人。当前，无人机只能运用于一般或较大森林火灾中，而在重大及特别重大森林火灾中的应用还有其技术局限性，因为重大及特别重大的森林火灾往往伴随着特殊火行为，包括典型的火旋风(能量大)、对流柱(使林火更激烈)、飞火(火灾蔓延的另一种主要途径)、火爆和高温热流(灼伤动植物和人体，使其全面燃烧)等，极易影响无人机的性能，甚至损毁无人机。然而，随着科技的进步和扑火安全意识的提高，无人机将更广泛地应用到森林消防中。

1 无人机的定义及特点

无人机是无人驾驶飞机的简称，其是利用无线电遥控设备或自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，是一种动力驱动、无人驾驶、可重复使用的航空器。一架典型的无人机由飞行器、控制站、起飞(发射)和回收装置以及检测系统等组成，是能够按指令飞行的空中机器人。无人机通常可超视距自主飞行，能携带一定的有效载荷，执行侦察、航拍、监控等任务。还能够根据当时天气、地面环境变化，乃至空中障碍物的位置等各种复杂情况计算完成任务的可能性，并自动执行或放弃任务。

由无人机和监测设备构成的微型空中林火监测系统可实现航空护林的部分功能，具有良好的烟火探测能力，能够及时发现林区异常并做出报警提示，是一种全新的航空护林技术装备。主要用于日常的森林巡护作业并实时传输数据，为扑火的指挥和调度工作提供决策参考。在正常情况下，可根据目标林区的面积大小、地形情况和植被特点等进行飞行规划，包括飞行频次、飞行目的、飞行航线等[3]。

无人机易操作，机动灵活，便于拆装，机动快速，使用成本低，维护简单，具有对地快速实时巡查监测能力。无人机能迅速部署、快速反应、全天候执勤；能自主完成飞行、无需人工干预；航时长(可达5～20 h)，有足够时间巡逻和监控现场，单架次作业面积可达700 km2以上；能自动报警、自动跟踪、实时传输林火数据；能空中无障碍巡逻，可弥补传统地面监控可能出现的盲点；购置、运行、维护成本低；对场地要求低，在车、人无法达到地带，如山区、沟壑、河流等地域，可采用多种起飞、降落方式；操作相对简单，便于维修，能积极有效地处理现场问题；能高质量自动获取高分辨率的航拍图片和遥感影像，由于无人机飞行高度一般为几百米，有时甚至可以低至 100 m，故能在小区域上获取高精度、大比例尺图像[4]；能快速应用于突发情况，机动性能好，作业方式快速灵活[5]。

2 无人机在森林消防中的应用

2.1 森林火灾的特征

第八次全国森林资源清查(2009-2013年)结果显示，全国森林面积2.08亿hm2，森林覆盖率21.63%，森林蓄积151.37亿m3。其中，人工林面积0.69亿hm2，蓄积24.83亿m3，每公顷蓄积量89.79 m3，虽然森林生态功能进一步增强，但我国目前仍然是缺林少绿、生态脆弱的国家，森林覆盖率也远低于全球31%的平均水平，人均森林面积仅是世界人均水平的1/4，人均森林蓄积也只有世界人均水平的1/7。我国森林资源总量大，但人均森林覆盖率较低且类型繁杂。森林火灾是常发性灾害中发生频率和危害程度较高的灾害之一，具有突发性强、扑救困难、极易成灾，以及一旦发生损失巨大等特点。森林防火既要面临不利的气候、地理环境等恶劣条件，也要面临火源难以掌控、可燃物超载、防控能力不足等实际困难，形势十分严峻。森林火灾将直接影响我国森林资源及国土生态的保护，影响社会的和谐与稳定。积极利用无人机等先进技术，能够提高森林防火的科技水平，实现森林火灾早发现、早预警、早扑救。

2.2 无人机在森林消防领域的应用

将无人机技术应用到森林消防中，有利于提早发现森林火情，及时掌握火灾动态信息，实现自动预警，全面监测；有利于迅速部署防火力量，提高防火、灭火的能力。

2.2.1 火灾前的可燃物预警、动态监测

无人机林火监测系统本质上是由无人机搭载摄像头构成空对地实时观测系统，包括自动探测和定位系统等[6]。

无人机可监测森林中的可燃物状况，包括可燃物的类型、载量、湿度变化等。对可燃物进行预警和动态监测，匹配搭载温湿度传感器以获取林区的气象资料，能监测林区的可疑火源等。这些信息都将有效地提高森林火险预测预报的准确性。

使用无人机有助于森林消防“预防为主，积极消灭”工作方针的贯彻实施。在森林消防中“预防为主”极其重要，如果森林火灾在发生初期能被及时发现并扑灭，可将损失降到最低。无人机还能够实现监控中小尺度的火灾，弥补卫星林火监测及航空护林的死角，特别是在重点火险区的防火紧要期能够实时监控火源，预防火灾。一旦发生火灾也能够“积极消灭”。无人机还能够实现动态监测，辅助科学扑救指挥。在火场上空进行火情态势观察，将火场资料及时反馈给扑救指挥部门，使其能够迅速有效地组织和部署队伍进行灭火，提高作战效率，并根据火场图像资料提供撤离路径，及时通知消防人员撤离危险地区，避免救火人员伤亡，做到科学指挥扑救[7]。

2.2.2 火灾中的动态监测

无人机可准确、实时监测林火，为林火监测提供了一种新的技术平台与工具，是获取火灾扑救指挥决策依据的重要手段[8]。目前，林火监测手段主要有卫星遥感、地面瞭望塔、护林员巡护和飞机巡护等。卫星遥感监测林火覆盖面积大，但受自身轨道周期和天气影响，实时性和分辨率欠佳。防火瞭望塔监测林火的实时性最好，但每个塔的覆盖范围有限，若形成网络需要人员和设备成本极大，且近地面受地形影响大，有视觉盲点。人工地面巡护工作量大，由于人员处于森林底层，视线遮挡严重，观察范围有限，效率较低。飞机巡护实时性和适应性俱佳，但其保有和使用成本高，难以大规模、常态化运行。多数林区只能在重点防火时期租用飞机开展相关护林作业。

无人机是现有森林火灾监测手段的有力补充，可开展全方位监控，弥补护林员、瞭望塔的缺陷，能够在早期及时发现林火隐患，且运行成本低、机动灵活。微型无人机林火监测系统还有助于提高森林火情的监测、预警能力和森林安全管理工作的自动化、信息化水平。

护林员定位管理系统与无人机匹配及衔接能够提高巡护效率，护林员可根据巡护现场发生的情况启动一键报警，回传现场照片和视频到指挥中心，防火指挥部门即可按照就近、快速原则处置火情，这样方便、简洁和高效，为森林防火“打早、打小、打了” 提供技术支撑。

无人机搭载普通相机可识别林火，借助无人机定位技术可实现智能化无人机林火识别并精确定位[9]。无人机遥感的高清图像有利于更好地监视人员无法抵达区域的灾情发展，制定有效的应急方案[10-12]。当火灾现场环境风险过大时，无人机可在最短时间内、最大限度地接近现场，提供最直接、最真实的数据，以便制定应急作战方案。

2006年10月，在加利福尼亚州，美国航空航天局(NASA)和林务局利用“牵牛星(Altair)”无人机进行林火监测，标志着美国联邦航空局(FAA)首次准许在国家空域内应用民用无人机。现在，技术发达的国家无人机已普遍应用到森林防火等领域。我国无人机在森林火灾中的应用还处于起步阶段，2013年6月3日，在内蒙古大兴安岭林区根河航空护林站，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。

无人机可在空中全天候执行林区监测任务，便于及时发现火情，定位火场，及时采取行动，扑灭初期火灾。无人机在实时林火监测中可及时监控火行为的发展，如大火中可能出现的特殊火行为，利用摄像系统(加装热传感器)跟踪、测量对流柱(大小、形状及温度的梯度变化等)；测算飞火飞迁的距离、预防飞火的危害；在特殊地形(陡峭或盆状峡谷)，可及时关注火旋风的形态、转速和运动轨迹；跟踪火爆的形成；测算高温热流的迁移等。

2.2.3 林火扑救和火灾后的损失评估

使用无人机扑救森林火灾，体现了“以人为本，科学扑救”的理念。通过火场实时动态监控，能及时预警，调整扑火战术，减少人员伤亡，安全灭火。无人机结合GPS 和微波测距的森林着火点定位方法，能迅速、准确、自动判断森林着火位置，便于决策和指挥扑救[13]。能及时、动态监测火灾变化，结合现有植被图和地形图能预测林火蔓延方向和强度，合理评估灭火力量和效果。能实时监控生土隔离带的开设长度、宽度和进度并评估阻火效果。

无人机可及时传输火灾现场的影像、图片，对比火灾前后的相关影像，参考评估技术标准，能更准确地评估火灾性质，划分火灾类型。能合理评估一般、较大及重大森林火灾的火灾损失(烧死木、烧伤木)、火后植被的更新、变化以及炼山造林的效果。

无人机能连续获取高分辨率图像，结合样地调查可更精确地评估灾后损失，为法院审判森林纵火案提供科学依据，也有利于开展火灾后的林地更新、植被恢复等工作。

无人机配备相关装置能够准确、实时地监测火烧前的可燃物状态，结合当地的天气状况，及时开展计划烧除。在炼山造林时能及时跟踪火烧状态，监控火的发展，评估火行为和火烧效果。也能评估火灾后期雨季对生土带的影响(泥石流、植被更新及外来物种入侵的影响)，为南方开展大面积炼山造林评估提供依据。

2.2.4 余火清理及火灾后评估、更新监测

余火探测对森林火灾灾后清理工作至关重要[14]，世界上有许多损失巨大的重大火灾都是由于小火之后的余火未彻底扑灭，造成死灰复燃。无人机加装红外扫描装置，扫描扑救工作结束后的火场，可探测并彻底清理余火。利用无人机技术可以实现对南方传统炼山造林、火烧改良牧场等计划烧除工作的实时监控，如烧除前可燃物状况、安全措施等；烧除时的火行为发展态势，防止跑火；火烧后余火的清理和烧除效果(花脸率等)评估等。能提出建议，即时终止可能酿成大火的计划烧除工作。

能跟踪森林火灾与景观动态变化，为景观研究提供中小尺度格局、动态变化的跟踪、监测。通过多架次的无人机监测，得到火情在不同高度、角度和时间的数据，能更好地评估火灾的影响[15]。

3 无人机在森林消防中应用的局限性

(1)无人机易受火场环境限制：高温、风速及风向变化、烟雾(温度、碳粒子、焦油、水汽等)、各种离子等干扰，高原典型小气候特征(湍流、乱流明显，天气变化快)等均影响飞行安全。我国高原、山区面积约占国土总面积的70%，森林资源多集中在山区，地形复杂，气候多样，交通条件差，人、车到达困难。尤其是西南地区，林业用地面积广，植物种类繁多，森林覆盖率大，属森林火灾多发地带。2000—2009年，云南、四川、贵州、西藏、重庆西南5省区年平均发生火灾2 460多起，年均伤亡29人，防火形势异常严峻[16]。在高原地区，影响无人机起降的天气条件更是突出，如雾气过重、多云阴天、云雾流动过快、飞机姿态不稳定、航拍图片清晰度不够、图像不连续及不重叠影响后期图像合成，大风可能导致飞机起降失败[17]。

(2)当前无人机技术及性能存在不足：滞空时间短，飞行高度不够(西南林区的海拔较高、缺氧、小气候明显、不同林型火灾特征不一样)，起降困难，甚至存在损毁的可能等。

4 在森林消防中应用无人机需解决的问题

4.1 适应性

研制高性能、能主动适应复杂火场状况，克服火场综合症状(高温、烟雾干扰、风变化、乱流或湍流、小地形影响等)，具有高海拔适航性、数据实时传输的无人机；开发能适合各种地形，包括典型的低海拔东北丘陵林区，华北一般山地林区，以及西南高山林区，尤其是具有山高谷深、小气候变化快、森林植被丰富等特征的高寒、高海拔林区，能充分发挥其灵活、机动、实时传输火场动态变化参数特征的无人机；开发适用于高原地区载重量大的无人机。

4.2 升降技术

解决好升降技术难点，降低大型无人机对升降平台的要求，提高飞行控制技术，提升抗风性能，保证山区飞行的稳定性[18-19]。保证飞行器的安全应急返航，保证网络传输的稳定性，及时存储监测图像和数据[20]。

4.3 续航时间

延长无人机系统的续航时间，提高巡航速度，巡航距离、大幅降低使用成本[21-22]。提高无人机的安全可靠性，在意外情况下避免机身及其设备起火，让无人机能大规模用于林区作业。提升无人机在森林火情监控、指挥、救援中的综合应用技术。加强航时改造，提升火情探测软件的功能。提高后勤装备保障水平。

4.4 空中管制

在相应空域内安装必要的显示和识别装置，解决无人机的防撞、异地起降和迫降等难题，用其他技术来实现空域内的探测和主动规避[23]。在政策方面，应积极吸取国内外经验，在确保地面人员安全的情况下，进一步加快并明确中低空无人遥感业务飞行的指导性法规、健全飞行保障从业人员的职业能力评价体系和监管体制机制。

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(责任编辑 王琦)

Study on the Application of UAVs in Forest Fire Prevention

WANG Qiu-hua1， SHU Li-fu2， HE Cheng3， SHAN Bao-jun1， JIANG Xi-jun4， LI Shi-you1

(1.Yunnan Key Laboratory of Forest Disaster Pre-warning and Control，College of Civil Engineering，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China；2.Institute of Forest Ecology Environment and Protection，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China；3.Forest Fire Research Center，Nanjing Forest Police College， Nanjiang Jiangsu 210023，China；4.Guangdong Forest Fire Monitoring Satellite Center，Guangdong Aerial Forest Fire Protection Station，Guangzhou Guangdong 510520，China)

The concept，features，development history，application in forest fire protection and limitations of UAVs are stated.UAVs are widely used in forest fire monitoring，dynamic change tracking of combustible material and monitoring of general fire behavior and special fire behavior like jump fire，fire loss evaluation，forest reconstruction after fire in the forest fire prevention field，especially suitable for forest fire prevention in the forest areas in southwest plateau featuring high mountains，deep valleys and dense forests.Under the current existing conditions，UAVs can not be used on a large scale in forest fire prevention and it is necessary to make further improvement in terms of lifting technology，load carrying，data transmission and storage.

UAV；forest fire prevention；forest fire monitoring；application

2016-12-07

国家自然科学基金项目(31300553)

王秋华(1978-)，福建长汀人，西南林业大学土木工程学院副教授，博士，主要从事森林消防教学、科研工作，E-mail:qhwang2010@swfu.edu.cn。

S762

A

2095-2953(2017)03-0004-05

综 述