无人机在森林火灾灭火救援中的应用

薛 剑

北京市海淀区消防救援支队，北京 100089

我国森林资源丰富，但是森林火灾多发。2022年，全国共发生森林火灾709 起，受灾森林面积约为0.5 万公顷。林区通常地形复杂、道路崎岖，山高林密、植被层厚，对现场通信、图像传输要求极高，灭火救援难度极大。随着无人机技术的发展，其在总体设计、飞行控制、传感器技术、图像传输等领域具备一定技术基础，越来越多地被应用于消防救援领域。在森林火灾救援现场，无人机承担着航拍侦察、测绘制图、照明、载重运输等多重任务，能够第一时间快速描绘灾情，并在远距离辅助战斗决策方面发挥着举足轻重的作用，在多起森林火灾灭火救援工作中，无人机均取得了良好的实战效果。

一、无人机在森林火灾灭火救援中的优势

森林火灾受自然气象因素、林地环境、社会环境的影响较大，具有突发性、随机性、危害大、难控制、难扑救等特点［1］。无人机轻便灵活、功能强大，在提升灭火效率、确保人员安全、快速实施救援方面发挥着重要作用。

（一）提升灭火救援工作效率

森林火灾大多发生在偏远林区，公路干线少，交通不便。多数林区无路可行，救援人员负重徒步行进，体能消耗大［2］。而且森林火点一般距公路较远，为了到达救援现场，救援人员往往需要翻山越岭，花费大量时间［3］。无人机能够克服地形的不利因素，具有携带便捷、启动时间短、出动速度快等优点，能够在第一时间快速飞往灾害现场上方，准确确定起火位置，判断灾情发展态势，全面掌握现场情况。通过无人机和4G 单兵回传系统对接，现场指挥部和后方指挥中心可实时观看回传图像，有效弥补地面观察视角狭窄的不足，能够第一时间快速描绘灾情，从全局的视野为指挥决策提供依据，从而及时设计处置方案，并能够根据现场情况的变化及时调整处置方案，提高工作效率。

（二）保障救援人员安全

森林地区植被多，发生火灾后，受气候因素影响，火势蔓延方向及范围存在不可控性。加之森林地区地形复杂，人员、装备到场受限，灭火救援指挥调度困难等多方面因素，导致森林火灾一旦发生，扑救难度很大。在救援人员前往一线救援时，很有可能出现通信信号差、失联等情况，无法保障现场指挥部对救援人员的指挥与调度，以及一线救援人员的生命安全。无人机能够在不同的环境和气候条件下开展作业，可获取详细的数据信息，因而能够最大程度克服人力侦察的不足，保障救援人员人身安全。

（三）助力搜救被困人员

森林火灾发生后，因覆盖面积广阔、持续燃烧在短时间内产生大量浓烟，导致火灾区域能见度大大降低，为搜救被困人员制造了巨大障碍。短时间内准确搜集被困人员位置，协助被困人员逃生是森林火灾救援中亟待解决的问题。通过无人机搭载生命探测搜救系统，配合GPS 定位系统，适用于极端复杂的森林地形及恶劣环境的探寻，可以在不需要救援人员进入现场的情况下实施探测救援。它穿透力强、灵敏度高，可同时探测三个以上的幸存者目标，还可以通过无人机及时投放救援绳、呼吸面罩、水和药品等，提高救援效率和被困者生还概率。

二、无人机在森林火灾灭火救援中的应用

（一）无人机在森林火灾扑救过程中的应用

1. 态势侦察

灾情侦察包括可见光侦察和红外热成像侦察。无人机通过搭载常规可见光传感器和高性能影像处理器，能拍摄不低于2 K 的超清影像，主要用于灭火救援现场白天灾情侦察。红外热成像（或夜视）侦察是无人机通过快速、准确获取目标物体的表面温度，拍摄不低于30 万像素的红外图像，主要用于灭火救援现场夜间侦察、探测高温物体或搜救被困人员。

在森林火灾灭火救援过程中，全勤指挥部可借助无人机侦察着火点的位置及火灾蔓延方向，提前排查风险隐患。通过无人机搭载的视频载荷或者红外载荷为现场指挥部指挥决策提供视角清晰的影像资料。根据态势侦察情况，指挥员可全面掌握当前燃烧区域和可能蔓延区域的建筑物、易燃易爆物品及人员情况，及时转移疏散受火势威胁的易燃易爆物品和人民群众。

2. 全景制图

在森林火灾现场作业中，由于面积较大或火场上空有烟遮挡，采集正射影像存在难度，因此适宜在第一时间采集现场全景图。通过无人机采集现场图像数据，并使用专用软件合成处理，可制作灾情全景图像，用于灭火救援现场的全景浏览。根据全景图的标注，指战员可直观地概览全局。另外，无人机也可通过自带的全景功能或搭载的全景相机拍摄现场360°的影像，通过卫星链路、4G单兵指挥链路或者风筝线平台，将前方侦察到的实际情况实时回传，便于各级救援单位全面掌握实际情况，为辅助决策提供依据。

3. 火点侦察

森林火灾具有突发性，并且极易受到现场因素的影响而发展变化，烟气的影响也在无形中加剧了监控的难度。火点侦察是无人机在森林火灾灭火救援中的重要工作，通过对森林火灾进行全时段检测，可以为指挥部制定决策提供重要信息，使一线救援人员明确灭火任务，避免误入危险区。

无人机通过携带红外热成像仪、高清透雾摄像机等辅助设备设施，在火场上空500 m 附近开展悬停监控，联合图像识别技术、GPS 全球定位技术等构成森林火情实时侦察体系。无人机可以按照设计路线对涉及区域进行空中巡护，同时能将巡护所采集的清晰图像传输给指导部门［4］。另外，无人机系统内搭载风向、风速仪等检测设备，能为指挥部火场定位和火势分析提供过火范围、蔓延趋势等关键信息，为灭火救援指挥工作提供参考［5］。

4. 火线标注

森林火灾波及面广，变化快。关键阶段指挥人员需要掌握全局态势，而火线的位置、长度、蔓延速度等信息对于指挥决策至关重要。常规技术手段难以将火线位置直接映射在指挥地图上。随着技术的不断进步，有两种方案可以满足火线标注任务的需要。

一是借助无人机地理视频技术，使用无人机拍摄带有地理位置的视频，利用GIS 软件即可从视频中快速采集火线、火点、现场人员装备等位置信息，还可以直接测量长度、面积、高度等信息。该方案的优势为无人机采集设备型号不受过多限制，常用的便携式侦察无人机、小型测绘无人机等均可使用［5］。主要操作方法为将基于无人机飞行侦察的视频导入GIS 平台，进行自主比对，视频中的实景与二维地图中的标注互为投射，从而基于视频标注出火线，也可以在地图底图上得以呈现。

二是利用无人机激光打点的功能，通过以点连线的方式，将火线的位置投射在地图底图上。该方案的优点是实时性较高，可对发展比较迅速的森林火灾火线进行标注。

5. 精准定位救援力量，辅助调度指挥

森林火灾容易迅速蔓延，燃烧规模也相对较大，因而精确定位救援力量对于现场决策具有重要作用。火灾现场地面指战员的视线因受到遮挡而无法有效观察新的火点，在远处能看到火光却又无法掌握救援队伍的位置和相对火点的方位［6］。

利用无人机侦察时，前线指挥部的指挥人员可指挥救援队伍朝着无人机爆闪手电。通过无人机回传的影像可清晰地看到救援队伍有灯光闪烁，且沿路连成一条曲线，将火线隔断，还可以看到救援队伍与所有周边火点的相对位置，甚至可以看出地形，从而对指挥决策起到辅助作用。

6. 辅助应急通信及救援

森林火灾区域地形复杂、基础设施配套不完善、网络覆盖率较低，往往公共网络信号弱，甚至会出现信号丢失、图传数传通信断开等情况。而使用对讲机进行信息交流时，也可能由于树木茂密、山峰高耸等因素使信号受到阻挡，导致一线救援人员与现场指挥部失联。救援工作中各任务分队的数据共享，也可能受到信号及传输手段的限制。在网络通信不畅情况下，可以通过无人机在空中搭建信号中继站，解决山体阻挡信号问题。除了通信受阻的不利因素外，针对无人机电池容量有限、飞行时间较短的实际情况，无人机搭载系留模块可有效解决此问题。它依托综合缆绳传输电能，能为无人机提供不间断电源，保证无人机能长时间持续飞行，并可搭载照明设备等，提供长时间不间断的空中照明。另外，无人机通过搭载抛投绳、救生物资，可用于灭火救援现场应急物资投放，助力现场救援。

（二）无人机在森林火灾扑灭后的应用

1. 余火及烟点侦察定位

森林火灾明火得到有效控制后，过火区域需要进行长时间的残火清理。一些地形复杂的位置出现的余火很难被发现并处置，此时无人机热成像的优势再次体现。

白天作业时，无人机主要通过可见光相机大范围寻找烟点，一旦发现异常情况即切换热成像模式确认该区域的温度信息，抵近后可以切换变焦模式观察是否有堆积的可燃物。对于具备激光定位功能的无人机，如大疆M300RTK，可以采用激光打点定位，获取经纬度信息及在地图上的相对位置，然后将信息同步给地面人员。不具备激光定位功能的小型无人机，可以直接将无人机悬停在烟点上空附近，指引地面人员前往处置。

夜间作业时，热成像相机的区域测温功能可以有效发挥作用。在无人机的观察区域内，热成像相机可以识别温度最高点和最低点，只要判断温度最高点的温度在可控范围内，即可认定该区域相对安全。过火区域冷却后，若使用无人机区域测温功能显示区域内的最高温点是移动的队员，那么基本可以判定环境温度已经低于人体温度，暂无复燃的风险。

2. 辅助火灾观察

森林火灾极易发生复燃现象。面对森林火灾范围大、现场情况复杂的实际，需要救援人员花费较长时间进行观察、探测和评估，所涉及工作内容非常复杂且危险，救援人员上山调查难度大。通常情况下，森林火灾阴燃只有达到一定程度才可以觉察，火场内易燃物体受热辐射作用变得非常干燥，极易造成再次燃烧，并迅速蔓延。此时可使用无人机对可疑地点进行初步侦察，以提高效率，节省人力。无人机搭载红外热成像仪，可从空中进行余火监测，联合GPS 定位，能够直观地勘测火场的热值分散地标，显示易燃区域位置，为地面作业人员的清除指引方向。在不同环境中，无人机的用法也有很大差异。过火面积在1 km2以内时，可使用无人机直接对过火区域进行二维正射模型的图像采集，指挥员根据二维图作出进一步分析判断。对于存在疑似高压线路放电导致火灾的位置，可使用无人机飞抵线塔附近侦察，初步判断是否有放电痕迹，同时也可使用无人机侦察周边的燃烧情况辅助作出初步判断，从而降低处理难度，提升现场作业安全指数。

三、无人机在森林火灾灭火救援应用中需注意问题

（一）注意无人机配备类型

消防救援部门应根据森林火灾战斗特点，合理搭配使用各种无人机机型。在制定无人机装备计划时，应根据森林火灾特点、辖区实际和预算等因素，综合考虑地形地貌、周边建筑情况、居民居住情况、气候条件等情况，有效匹配无人机类型，形成优势互补、针对性强的多种机型的组合配备。森林火灾扑救时间长，需要无人机长时间滞空作业，而无人机续航时间受供电系统影响，飞行时间有限。实用性较强、便携性较好的无人机续航时间普遍在1 h 以内，目前主要以采用双机交替作业和系留式无人机为主。双机交替作业的模式，即一台无人机在空中作业，另一台无人机在地面备勤，空中无人机电量剩余35%～40%时，地面无人机起飞前往作业区域，抵达作业位置后，低电量无人机返航降落，更换电池准备再次更替。这种作业模式不受单台无人机的续航时间限制，可实现空中不间断视频侦察，相比系留方式作业更加灵活。系留式无人机的优势是不需要频繁交替作业，节省一个飞手人力，可获取高位的观察视角。在灭火救援工作中，需要根据实际情况配备不同无人机机型组合形式。

（二）明确各岗位人员职责任务

森林火灾救援现场环境复杂，救援工作持续时间较长，只有合理规划无人机操作各岗位人员职责，才有利于现场的调度指挥和飞行效率提升。在森林火灾中，救援现场应设置无人机指挥员岗位、无人机驾驶员岗位和情报编辑员岗位。无人机指挥员负责无人机组工作期间的全面工作以及无人机飞行计划空域的申请办理工作；根据应急通信需求，部署无人机飞行任务，分配空域资源，密切关注无人机飞行任务执行情况；协助指挥部研提情报需求，部署情报搜集编辑任务，负责灾害现场情报分析及汇报解说工作；完成上级交办的其他飞行任务。无人机驾驶员应协助指挥员完成无人机飞行计划空域申请办理工作；执行无人机飞行任务，负责无人机起降期间的安全警戒及飞行期间的安全，制定无人机应急避险预案；负责无人机的地勤保障工作，负责无人机故障抢修及日常维护保养工作。情报编辑员应协助指挥员研提情报需求；完成制作全景图、灾情对比图、力量部署图、三维建模等既定情报任务；负责小视频汇报的编辑制作；完成对重点部位的距离、面积、体积等基础测绘及图上标注工作；负责情报信息分析解释、情报素材整理归档工作；紧急情况下履行无人机驾驶员岗位职责。

（三）及时战评总结

无人机组在执行实战飞行任务后，要根据每起森林火灾的不同情况，及时召开战评会，总结复盘现场情况，邀请全勤指挥部通信保障人员、应急通信保障分队人员、无人机飞手等相关人员进行总结发言。认真梳理接警出动、抵达现场、展开作业、作业完成等各阶段存在的问题，盘点人员、车辆、装备在使用过程中存在不足，提出整改措施。特别是对于不同场景下的设备使用操作，需要及时总结操作要点。如：高点作业时，无人机要想获得全局的观察视角及清晰的观察效果，就需要对其飞行限高予以解禁。在强风作业时，起飞前需要密切关注风向变化，当任务点距离起飞点较远，且返航为逆风时，需要关注返航电量，避免因电量不足无法安全返航。在强风下，应注意山脊的风切变及山谷的上升气流，作业中不可距离山体太近。在强风中起飞和降落时，周围环境应尽量空旷，起飞和降落要果断；若降落时风速太大，应选择草面降落，避免选择水泥地面降落导致桨叶刮损。逆风返航时，如果电量较低，则可选择手动返航，在确保避开障碍物前提下，选择倾斜下降的航线，飞行过程中不断降低高度，从而节省电量。无人机执行远距离飞行任务时，需要注意调整遥控器天线的朝向以获得最佳信号。以大疆无人机遥控器为例，其天线主要为桨状，此类天线平面部分信号较强，天线两端信号较弱。

（四）注重人才培养

人才培养目标是培养者对所要培养人才的质量和规格的总规定，是人才培养的第一要素，影响着其他要素的设计。它一般依据人才岗位需求、人才培养任务、相关发展趋势等确定［7］。随着无人机在森林火灾灭火救援中的深度应用，无人机操作和使用维护人员的需求猛增。森林火灾发生后，无人机组跟随通信保障分队快速到场，需要根据现场情况承担航拍侦察、建模测绘、图像回传等任务。在日常工作中，维护人员需要具备基本的无人机隐患排查和维修能力，能够及时发现设备问题，并能对无人机进行经常性维护保养。消防救援部门要大力加强无人机人才培养，积极开展消防无人机业务培训。一是根据无人机配备规模及职责任务，按要求比例培养无人机驾驶员、机长及教员。模拟森林火灾不同应用场景，持续开展各种无人机操法的学习培训，最大限度提升无人机操作人员的使用操作和应变能力，满足日常培训和实战需求。二是加强与无人机行业优势企业的交流合作，建立适合自身发展的战略合作模式，取长补短，相互学习和提高。三是熟练掌握森林火灾场景无人机应用及相关操法，定期组织模拟实战演练，交流学习无人机操作技战术，不断提升无人机操控水平，探讨无人机多种模块的组合运用。四是针对无人机实战应用领域开展专题调研，调研课题范围包括极端天气环境下无人机的压力测试、任务载荷的深度应用、不同机型实战性能对比等方面。

四、结束语

在森林火灾灭火救援工作中，无人机在火情侦察、火场态势感知、残火监护、灾后火调等阶段都发挥着积极作用。为最大程度发挥装备使用效能，实现人和装备的最优结合，要注意无人机配备类型和续航时间，强化不同场景下的设备使用操作，同时还应明确各岗位人员职责任务，建立经常性的战评复盘总结制度，加大人才培养力度，以期在森林火灾灭火救援工作中发挥更大作用。