高原重载无人机在青藏高原森林草原防火中的应用

刘维栋 宋传晓 孙凤文

（青海省森林草原防火预警监测和物资储备中心,青海 西宁 810008）

青海作为青藏高原重要核心区域，是“中华水塔”“三江之源”，最大的价值在生态、最大的责任在生态、最大的潜力也在生态，生态地位特殊而重要。独特的山水林田湖草沙冰自然资源是青海推进绿色发展,全面建成小康社会的基础和条件。进入新时代，青海把保护生态作为“国之大者”“省之大要”，全面贯彻“把青藏高原打造成为全国乃至国际生态文明高地”重大要求，全力打造生态文明思想实践新高地和生态安全屏障的新高地，全方位推动青藏高原生态系统保护和修复工作，尤其是在森林草原防灭火方面，利用高原重载无人机[1]，实现对国土空间全时全域立体监控监管，有效提升了青藏高原森林草原防火现代化管理水平。

1 高原重载无人机概况及优势

1.1 高原重载无人机概况

2020年，为突破无人机在高海拔地区续航短、载重低、故障多等瓶颈，青海省林草局联合无人机科研公司开展科技攻关，围绕高海拔、长续航、大重载无人机[2]在青藏高原森林草原防火、防灾减灾救灾等方面进行深度开发研究，研发出“青海省‘567’（海拔5 000 m、续航6 h、载重70 kg）无人机技术体系”，由高原重油监测无人机、高原重载消防无人机、高原单兵便携式侦察无人机3 款机型组成，取得高原重载无人机相关操作系统软件著作权10 项,实用新型专利5 项。3 款高原重载无人机在青海省森林草原防灭火工作中发挥了积极作用。

1.1.1 高原重油监测无人机 高原重油监测无人机是一种活动半径在700～1 000 km范围内的监测预警无人机。最高作业海拔5 000 m以上，搭载三光吊舱、北斗通讯，通过热成像，光感仪，激光雷达[3]覆盖整个监测区域。采用重油[4]引擎作为动力来源，有效航时大于10 h。通过巡航点设置进行无人飞行，对大面积林区、草原进行全天候监测。能做到第一时间发现火情，并通过实时通讯将数据传输至智慧消防系统，实现对监测区域的数据化、可视化。主要用于日常巡逻监测或重要时期常态化监测。其主要有三个特点：一是重油热效率高，油耗低，成本低，比汽油发动机降低30%～50%；二是重油长时间储存不易挥发、不易变质、不易燃烧，露天燃烧温度在260～315 ℃，燃点高，不会因追击或其他意外坠机发生爆炸事故，使用安全；三是重油能保证无人机发动机在低温、低压等高空环境下稳定运行，降低机械故障率。

1.1.2 高原重载消防无人机 高原重载消防无人机[5]最高作业海拔5 000 m以上，载重70 kg，航时30 min。通过模块化挂载方式可实现挂载9 颗灭火弹或救援物资进行精准投放。同时，利用10 架组成的无人机机群作业方式能显著提高森林草原火灾灭火成功率与灭火面积，并可对重点部位火点进行密集投弹做到集中力量攻坚打击。单架次灭火面积100 m2，10 架次机群灭火面积1 200 m2。搭载的灭火弹可通过高度设定在火源上方爆破使干粉充分扩散增加灭火效率。

1.1.3 高原单兵便携式侦察无人机 高原单兵侦察无人机[6]灵活轻便，部署迅速。最高作业海拔5 000 以上，航时120 min以上，具有长航时和单人可背负优点。可作为火情现场环境监测无人机为现场指挥员提供高空第一视野。或在重油巡航机监测报告火点位置后，单兵侦察无人机迅速抵达火点位置，通过高成像分辨镜头为指挥室提供实时画面，为后续作业提供关键数据。并可挂载喊话器、照明设备等用于应急辅助。

1.2 高原重载无人机优势

青海因受高海拔、高寒、干旱、大风等气候条件影响，自然生态表现出脆弱、敏感和不稳定性，若发生森林草原火灾，生态系统很难修复。历年来，青海农事用火、民俗用火、生产用火频繁。因地广人稀，加之卫星监测、视频监控、人工巡护存在短板，对火情早发现、早报告、早处置的能力不足[7]，发生森林草原火灾的机率较高。2021年通过应用高原重载无人机开展森林草原防灭火工作，火情火灾多发势头得到有效遏制，高原重载无人机发挥了重大作用，呈现出多项优势。

1.2.1 操作简单，实用高效 1）实用高效。高原重油监测无人机航时长、速度快、距离远、载荷大，起降方式不受场地和空域限制，在山区、丘陵、丛林等复杂地形顺利作业。因森林草原防火重点区域主要分布在城市周边新造林地、退耕还林地和国有林场，监测巡护面积大，高原重油监测无人机连续飞行监测时长可达到6～10 h，监测面积每小时达到4 667 hm2以上。2）智能化程度高[8-9]。双GPS，双磁罗盘冗余设计，保障飞行任务；具有ECU飞行电脑功能，实时监测飞行高度、速度、油压、油温等，精确控制发动机雾化喷油及火花塞工作及其他控制作业。搭载工业级或专业级垂直起降固定翼飞控与捷联惯导系统及专业的航拍航测、巡检地面站软件，保证无人机全程自主飞行，无需操作人员干预，完成自主起飞、高空云中飞行状态转换、自主巡航、自主降落等功能。并支持100 个航点的自动航线规划。

1.2.2 成本降低，效率提高 高原重载无人机多用于对元旦、春节、清明等重要时段、对国家公园、国有林场、旅游景点、城市面山、坟茔公墓、庙宇道观、烧香祭祀等重要区域的重点巡护[10]。在高海拔、低温大风气象条件下，利用无人机机动灵活的特点，通过搭载的摄像头，可高空俯瞰林区，可视距离远，监测面积大，大大缓解了巡护人员不足的压力。当火灾发生时，对火场大小、火势、发展趋势、扑火队伍行进路线、紧急避险区域和紧急避险撤离路线等进行全面侦查。即最大限度缩短侦查时间，又可以有效避免侦查人员伤亡。

2 高原重载无人机在青海森林草原防灭火中的应用

2022年，青海省紧紧围绕三江源、祁连山、青海湖、柴达木、湟水谷地“五大生态板块”，按照“固移结合、防救统一”原则，在点、线、面上科学搭配高原重油监测无人机、高原重载消防无人机、高原单兵便携式侦察无人机，3 种机型密切配合、无缝衔接，解决了地面视频监控范围有限、无法跟踪火情，人工巡护周期长、效率低，人工扑救难、安全性低[11]的工作难点、盲点、堵点，实现了高原森林草原防灭火无人机从无到有、从有到优、从优到精、从精到强的有效转变，填补了青藏高原森林草原防灭火高载重无人机空白，为森林草原资源巡护和防灭火提供了重要技术、装备保障，为高原高寒高海拔地区无人机防灭火应用提供了有益借鉴。

2.1 违规用火巡护监测

根据全省森林草原火灾风险普查风险评估、防治区划和林草资源分布，将森林草原火灾风险区域划分为35 个巡护网格，在防火期采用8 架高原重油固定翼无人机搭载三光吊舱（热成像+30 倍光学变焦+激光测距），按照前期设定的飞行航线[12]，定期完成巡护监测任务，及时发现巡护区域内违法焚烧垃圾、秸秆等违规用火和火情火险，进行火情的智能识别及预警[13]，实时传输影像信息，为指挥中心决策部署提供依据，2023年，在春季和秋季农事高峰期，采用8 架高原重油无人机巡护监测80 余架次，及时处置林农结合地带违规焚烧秸秆、杂草等违规用火12 次。

2.2 林草火情动态监控

利用高原重油无人机巡护发现森林草原火情后，图传到指挥中心，指挥中心立即调度无人机操作人员，迅速使用高原单兵便携式侦察无人机，围绕火场定点盘旋侦查，实时获取火点位置、火场蔓延范围、风力风向气象信息、火情火势信息、人员分布信息、空中气体监测数据，将视频信息、数据监测信息等通过中继站、5 G网络等传输手段传回到生态管护员移动端和各级森林草原防火指挥部门终端[14]。通过数据分析、影像识别，直观判断着火位置、火情发展蔓延趋势，为指挥部门提供可靠准备的决策部署依据，确定最优的灭火位置，迅速调配扑救力量进入重点区域展开扑救。夜间，搭载照明系统、喊话系统，为扑救人员安全撤离提供最佳路线，保障扑救人员人身安全。

2.3 违法行为警示教育

在每年的春节、清明等重要时间节点，利用高原单兵侦察无人机搭载语音传输和扩音模块，对城市面山、坟茔集中区进行重点巡护，在巡航过程中，对发现的违规民俗用火、农事用火、生产用火行为，及时录像取证，喊话制止[15]，并在空中进行防火宣传教育，做到防患于未然。

2.4 前期扑救余火处置

通过高原单兵侦察无人机确定起火点以后，以5架高原重载消防无人机为编队，搭载70 kg9 弹头灭火弹到达火场，通过雷达精准定位，距离树冠2 m的高度处爆破，增大灭火面积。森林草原火灾扑灭以后，利用高原单兵侦察无人机对余火复燃进行监测预警。通过搭载红外热成像仪，对火场范围内进行巡航监测，根据回传的火场热力值，分析判断可能复燃的位置，及时调度扑救人员对余火进行清理，减少余火复燃，提升森林草原灭火效率。

2.5 火灾灾损勘查评估

森林草原火灾扑救工作结束后，灾损调查与评估组利用高原重油监测无人机和高原单兵侦察无人机高低、远近配合，对森林草原受灾区域进行航片拍摄，将拍摄数据进行模型建模处理，对比分析火灾前后灾区的正射影像图，依据森林草原资源库数据，测量森林草原受灾面积、测算受灾植被损失量，快速、高效地完成灾情勘查和定损等工作，提高了评估效率和准确性，更加精准有效的制定生态恢复方案和开展恢复状况核查等工作。2022年，在果洛州达日县、海西州天峻县草原地下火科技攻关项目中，利用高原重油监测无人机和高原单兵侦察无人机倾斜摄影建模，建成了携带GIS信息[13]的三维实景模型，这有助于草原地下火发生、蔓延的研究。

3 结语

高原重载无人机在青海的推广使用，有效提升了无人机在青藏高原森林草原防灭火中的应用水平，提高了对森林草原火灾的事前预防能力、事中扑救能力、事后定损能力，为有效保护林草资源安全和人民群众生命财产提供了有力保障。然而，高原重载无人机在森林草原防火应用中，还有一些专业飞行人员培训难、设备维护难、运维资金保障难等问题亟待解决。比如无人机购买保险因没有相关标准和依据，购买保险不科学、不合理；基层专业飞行人员培训拿证后，因工作变动，飞手队伍不稳定。总之，高原重载无人机技术的推广使用，有利于提升森林草原防火的监测预警能力，具有在青藏高原良好的应用推广空间和发展潜力。