无人机在森林防火方面的应用及其发展

梁宁 袁新利 赵高鑫

摘 要 近年来，森林火灾在全球领域频繁发生，森林防灭火工作如何进行信息化、科学化的开展，成为了森林防灭火工作探究的重点。伴随着无人机的快速发展，越来越多的无人机加入到森林防火的领域当中，利用无人机航拍影像快速回传及便携性、安全性等特点，面对火情，火场指挥部能够对火场进行快速的分析从而做出决策。火灾的发生在时间和地域上是很难预测的，或者可以说成是随机性的，在以往火灾发生的案例中，有些火灾的发生就出现的地域是车、人无法到达地的险恶区域，无人机的出现及利用，对森林火灾监测及救援指挥等方面展现了其得天独厚的的优势。本文主要分析了无人机在森林防火监测工作中的情况，仅供参考。

关键词 森林；无人机；森林防火；应用形式

1 森林防火形式

传统的防火方法，主要包括森林防火自动报警系统，森林火灾远程监控系统，地面巡逻，观测平台监控等，由森林防火指挥部监控中心，传输系统和前端收集点构成。

传统的森林防火方法包括四种方法：（1）地面巡逻，依靠地面人工巡逻来探测森林火灾，耗时耗力，效率低下；（2）瞭望塔俯瞰，依靠森林保护工作人员惯于在塔上观察这样陈旧的方式，以巡查森林火灾发生，但受侦察范围的限制，往往目不暇接；（3）遥感技术是通过卫星的遥感影像传输来检测和分析森林地区的森林火灾，这种监测方式不仅成本高，由于卫星遥感影像尺度分辨率及宏观性等因素的影响，工作人员无法及时准确定位森林火灾点，从而错过扑火火灾的最佳时机；（4）飞机巡逻，森林火灾的发生是具有随机性的，利用飞机对地面进行不定时巡查所产生的费用不可小觑，就目前我国的林业防火条件来说，还远远不够。

随着无人机技术的创新和普及，精准、直观、全面的火场分析数据的特点，使无人机进行森林防火巡查已经成为趋势，因此利用无人机来对森林进行往复的巡检，通过无人机任务规划功能，采用无人机抵近侦查及折线型和往返型的侦查方式对森林进行巡检，因无人机载荷侦查覆盖面积较大、侦查图像质量高及航程时间较长等特点，在对森林巡检过程中可以降低巡检任务的人工消耗和成本，有效提高森林巡防效率。世界各国纷纷将无人机技术应用于森林火灾的监控和救灾工作当中，通过近年来数据显示，无人机技术在森林防火的应用达到了预期的效果。

2 无人机概念和技术优势

2.1 无人机的概念

目前为止，无人机的出现依然被认知是一项新技术，其实不然，无人机的诞生可以追溯到一战时期，由英国的卡德尔和皮切尔两位将军所提出并进行研制。就目前民用用人机来讲，基本都利用无线电遥控设备和自自备的程序控制装置进行操纵，无人机的种类繁多，目前应用于林业森林火灾监测多为多旋翼无人机、无人直升机和固定翼无人机。从林业角度分析，无人机能够实现地面巡护无法顾及的偏远地区引发林火的早期发现以及对重大森林火灾现场的各种飞行任务，简直就是攻克森林火灾的神兵利器。

2.2 无人机的优势

森林火灾很多时候都猝不及防，它具有人为性和多样性的特点，在消防救灾中，结合无人机回传的实时图像和红外热成像信息，通过空中对复杂地形和复杂结构建筑进行火灾隐患巡查、现场救助指挥、火情侦测及防控成为森林消防新的选择。

调查火灾现场的受灾情况是一件非常危险的行动，在将地面救灾人员派往现场之前，对火势的评估至关重要。快速部署无人机巡查，并将火灾现场的空中状况传送到地面指挥单位，为指挥单位提供第一手救灾数据。3月底，北京密云、平谷地区突发森林火灾，来自北京零度智控的ZT-3v复合翼无人机接到指令后迅速响应，飞抵火灾现场上空侦察火情。据此次全程参与密云救灾的零度智控董事长杨建军介绍，在救灾过程中，参与抢险的ZT-3v复合翼无人机为政府和决策机构提供了大火初期、中期和末期的可见光、红外视频实时监控，协助地面指挥工作部署安排。在山火救援工作中，ZT-3v无人机先搭载三轴30倍光电吊舱迅速起飞至火场上空，利用高空视角优势，第一时间将火势蔓延情况的视频实时传送到指挥人员手中，协助指挥人员拟定最佳救援方案。”这次无人机参与山火救灾成为一个典型案例。

在森林防火方面，无人机负责整个系统的飞行，机种主要有固定翼和多旋翼两种，由于固定翼无人机转弯半径大，起飞和着陆要求高，飞行高度高，而多旋翼无人机具有飞行灵活、现场适应性强、低空飞行、多重飞行模式，可实现路径规划自动飞行等优点，同时，火灾发生时会产生强烈垂直气流运动，形成火场风，严重威胁无人机飞行安全，因此，无人机参与火灾抢险要尽量选用动力强劲、结构坚固的无人机装备，所以多旋翼是最佳选择。

在灾后救援中，无人机可搭载红外吊舱继续执行任务，深夜彻查复燃点，在火场一线上空持续巡查，重点区域防止死灰复燃。无人机确保了救援工作的安全，以航拍的形式，避免了可能发生塌方的危险区域，将为合理分配救援力量，确定救灾重点区域、选择安全救援路线以及选择灾后重建选址等提供了有价值的参考。

无人机森林防火能做到“快速、完整、精细”。无人机按照既定的路线自主飞行，无需通讯车跟随，凸显物联网时代的智能化和信息化特点，且机动性更强，成本相对较低，能够全天时、全天候、无死角地监测林区，自动识别可疑人、车目标，对重点目标盘旋、跟踪，转角、变焦实施持续监视；通过载荷系统使无人机具备在极端任何环境（烟、尘、雾）中，提供极佳的远距离目标探测和识别能力，实时地监测可燃物状态，智能分析火灾隐患，数据实时回传报告可疑地区位置，为指导消防指挥部有效灭火提供数据支持。

3 无人机在森林防火中的应用形式

相比载人飞行器，无人机本身风险较小，使用成本较低，它们廣泛用于民用领域。在森林防火方面，主要有全天候火情监测，火场态势实时监控，远距离中继通信、辅助应急救援等运用形式。

3.1 全天候火灾监测

固定翼无人机具有快速飞行速度和长飞行距离特点，通过装载高分辨率可见光、红外摄像机和其他侦察设备，固定翼无人机可以根据预定航迹进行森林区域空中巡查，一旦发现火情，则采用红外和可见光两种相机同时双向进行比对、识别，并在发现火情后，将比对、识别结果回传至地面站，通过定位的方法进行三维展示，以达到实时检测，且实现所见即所得，即根据无人机拍摄的火情直接定位到火情发生的具体位置，并在三维地球上直观展示位置结果，同时估算火场面积并通过拼接算法形成大面积火场态势，以便及时发现火情，并进行火情预警、报告火情信息，便于及时展开行动，将财产损失和人员伤亡降到最低，对于可疑区域，地面控制人员通过遥控无人机的飞行状态和改变飞行轨迹，对目标区域进行详细侦查[1]。

3.2 火灾情况的实时监控

多旋翼无人侦察机配备彩色CCD任务负载或红外探测器，可在距地面500m高度对地面火场进行悬停观察，特别是当车辆和人员无法到达预定的侦察位置时，及时利用无人机快速飞抵火灾现场，实时获取火情信息，为扑火队伍提供最佳行进路线[2]。

同时，无人机机体可配备风向、风速仪等设备，收集整个火场区域的信息、火灾燃烧程度、火场风向和风速等信息，以便辅助指挥员确定火灾范围、发展趋势和蔓延方向。旋翼机无人机主要用于近距离火灾探测，采集和传输的稳定性良好，现时市面上的无人机多半只有25至30分钟的续航力，韩国公司MetaVista却成功研发出打破先前无人机飞行时间世界纪录的机体，做出了12小时7分5秒的飞行时间，比前次记录增加近3倍，显示燃料电池的使用对提高续航力异常重要。

3.3 远程中继通信

要知道森林内林密山高，有着复杂的地理环境。而无人机飞行平台有着中继通信设备，能够使通信链路的通畅得到保障，同时，能够在很短时间内就完成覆盖任务区域的通信系统及指挥系统的建立。

它既能使各级指挥员的火场信息需求得到良好满足，又有助于现场单兵携带Pad将林火动态信息进行共享。但是，受限于無人机搭载功能，无人机机载的轻小型远距离数传、图传、语音中继设备技术还有待完善，仍需展开集成与研发[3]。其中，无人机的数据资源处理能力对森林防火监测和火灾扑救都有重要影响，如果数据资源处理能力偏低，会严重影响灭火效率。无人机的数据资源处理要做到对所有数据进行有效处理，因此要促进其终端设备性能的更新升级，并对机载有效性进行分析。结合无人机配件特征，处理森林防火业务。在引擎固定条件下，对传输数据应用技术加以完善，提高无人机的数据处理能力和传输效率[4]。随着5G商用时代来临，无人机全新的应用场景正在出现，中国联通于3月31日在上海崇明岛，将用于商用的5G工业无人机超视距、高速飞行、中低空试验成功完成，无疑是以正式商用为目标的5G工业无人机的首次应用案例。中国联通研究院的高级专家周晓龙说到“此次试验重点验证了5G的高速移动性、中低空覆盖、边缘计算协同、基站切换等性能”。无人机行业在5G技术促进下，将会迎来巨大的发展和变化，这具体表现在5G的低时延与高带宽的特点上，这使得5G无人机的4K/8K视频实时回传与实时操控，同时，还可支持AR技术与VR技术，将超高清的体验带给广大用户。

4 无人机遥感技术

无人机遥感，就是通过先进的遥测遥控技术、遥感传感器技术、无人驾驶飞行器技术、GPS差分定位技术、通讯技术及遥感应用技术，可以实现智能化、专用化及自动化快速获取自然环境、森林火灾灾区等空间遥感信息，同时，能对地面烟雾扩散分布情况进行实时探测，促使消防预警与现场侦测更为有效实施，进而为灾情的准确、快速预防与处置提供有效指导。

5 无人机烟雾识别系统

相比于传统森林防火方法，此种烟雾识别系统无疑是一种有着显著优势的技术手段，不管是在视线可见，还是在不可见的恶劣环境（如泥石流、台风、高温、夜间及暴雨等）下，亦或是一些极端地理环境（如沟壑、山岳和峡谷等）中，甚至是在严重事故灾害现场（有毒、塌陷、易燃易爆等），红外成像和高清相机都能够与烟雾识别模块展开交替结合，将火情及时发现，进而在萌芽时期就扼制住森林火灾，实现了对传统森林防火救援方式缺陷的有效弥补。

6 无人机在国内外发展现状

6.1 国外发展现状

今年6月，土耳其政府在伊兹密尔郑重举行了试飞活动，由科达无人机担当本次试飞活动的主角，通过科达无人机挂载的热成像云台摄像机，可以在数百平方公里的大范围内迅速定位起火点，判断火灾蔓延趋势，并将现场数据同步回传，为指挥中心科学调派资源，实现应急救援快速响应提供精准的图像视频依据。

6.2 国内发展现状

工业无人机快速发展，农林等应用领域已成为重要的巡检巡逻工具，但无人机的作业应用都是通过飞手操控来完成，然而在炎炎夏日飞手的长时间作业也是非常辛苦。另外，现如今专业的飞手人员招聘越来越难，因此针对这样的情况，上海复亚智能科技有限公司研发了全自动飞行系统，从而减少人员的投入，并且实现了无人机全自动自主作业的能力。复亚的方法是借助AI算法，让无人机在飞行过程中，能够实时调整云台姿态及拍摄参数，获得精准清晰的拍摄画面，并实现实时视频回传，协助开展火情判断。

7 讨论与结论

无人机森林防火的发展趋势在许多领域都发挥着不可替代的作用，值得一提的是，森林防火工作技术伴随科学技术的日益发展，将会愈加成熟与先进，无人机要在森林防火工作中充分发挥重要作用，就需要对无人机系统不断优化和创新。从无人机系统本身来讲，持续不断优化是未来无人机的重要发展方向，具体要解决的问题：（1）将无人机发动机的动力技术问题解决掉，太阳能发动机无疑有着广阔前景，其可以更好利用能源，使长时间避难无人机的需求得到满足。（2）无人机承载能力的提升，加载更多设备，从而提高智能搜索能力。同时，注意相关数据链传输可靠性与安全性的加强，以使抗干扰能力与数据加密能力得到提升。对软件问题投入更多精力，无人机的必然要求与发展趋势之一，便是宽带与数据的大量传输。现如今，无人机展开通信主要是通过C/ X频段、Ku/Ka频段及L频段。（3）加大新型非金属复合材料的开发力度，使无人机重量减轻，变得更为灵活。在产业推广和行业管理方面，有必要解决无人机成本高，成本高，使用，服务和管理系统不完善的问题。为中国新兴无人机产业的发展创造有利条件。

参考文献

[1]崔新宇，刘艳萍.关于无人机在森林防火监测方面的探究[J].科技与创新，2014（7）：128-130.

[2]李滨，等.无人机系统在森林防火方面的应用及其发展[J].电子技术研发，2015（5）：15-18.