无人直升机在森林防火中运用分析

闫向民

摘 要： 为解决传统森林防火工作中存在的全天候监测能力不足、灾情响应预测滞后问题，规避由防火不当引发的火灾蔓延、损失加重问题，保障森林火灾管控效能的提升，对无人直升机技术进行了深入系统研究。先简要分析无人直升机在森林防火中的运用方向，然后归纳无人直升机森林防火运用策略，提出科学确定飞行高度、优化调整航行参数、提高飞行适应能力、提前开展飞行测试等建议，希望能为森林防火工作提供借鉴。

关键词： 无人直升机 森林防火 巡护飞行 火情监测

中图分类号： S762.3文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）04-0057-03

Analysis of the Application of Unmanned Helicopters in Forest Fire Prevention

YAN Xiangmin

Shibalibao Nature Reserve Station， Qilian Mountain Management and Protection Center of National Nature Reserve in Gansu Province， Wuwei， Gansu Province， 733109 China

Abstract： In order to solve the problems of the insufficient all-weather monitoring capability and lagging disaster response prediction in traditional forest fire prevention work， avoid the problems of fire spread and loss aggravation caused by improper fire prevention， and ensure the improvement of forest fire control efficiency， the article introduces unmanned helicopter technology and conducts in-depth and systematic research on it. This paper first briefly analyzes the application direction of unmanned helicopters in forest fire prevention， then summarizes available strategies for applying unmanned helicopters in forest fire prevention， and proposes suggestions such as scientifically determining flight altitude， optimizing and adjusting navigation parameters， improving flight adaptability and conducting flight tests in advance， hoping to provide reference for forest fire prevention work.

Key Words： Unmanned helicopter； Forest fire prevention； Patrol flight； Fire monitoring

森林是以乔木为主体，其他植物、动物、微生物相互制约、相互依存形成的自然生态系统，具有调节气候、防风固沙、涵养水源等多种功能，是各国自然资源保护的重点对象。近年来我国经济增速放缓，产业格局升级迭代趋势明朗，双碳政策、环保政策稳步推广和实施，各地对于森林资源的保护力度明显增强。如何提高森林经营防护效能，如何降低森林火灾风险和隐患，成为了诸多建设者、管理者关注的焦点问题，有必要通过技术创新、设备更新提质增效。

1 无人直升机在森林防火中的运用方向

1.1 应用于巡护飞行

森林巡护是提高森林防火响应、优化森林防火效能的重要手段，传统模式中多依赖人工完成巡护操作，巡护效果较好但人员工作负担较重，容易出现巡护遗漏问题。而无人直升机可以搭载各类遥感设备和成像装置，巡护效率更高、准确度更高。常见的巡护搭载设备包含以下几项：（1）可见光相机。主要用于获取地面影像情况，要求分辨率不低于1 920×1 080，帧率≥30 fps，采集到的数据可以实时传送回监控中心，同时显示曝光时刻的经纬度、高度、时刻等，方便森林管理人员及时发现地表火灾隐患。（2）红外热成像相机。是监控火灾火情的主要设备装置，要求分辨率不小于640×480，探测距离大于500 m，且25 ℃环境下火情热灵敏度小于50 mk，通常可以满足-20～120℃范围内的火灾温度预警。（3）多光谱成像相机。由于不同地物对电磁波的反射能力不同，因此在多光谱成像相机视角内，呈现出的色带也会有所差异，凭借无人直升机搭载多光谱成像拍摄，能够较好地发现异常问题，为森林火灾监控预测提供依据。

1.2 应用于火情监测

1.3 应用于应急通讯

森林火灾起火迅猛、蔓延极快，再加上所处地区较为偏远，经常会发生通讯补偿的情况，可能会阻碍火灾指挥、火灾调度信息的传送，造成战机贻误等问题，此时还可以借助无人直升机实现火场的加强通讯，在无人直升机机上装载短波、超短波等通信中继设备，与指挥中心远程建立连接，通过悬停、盘旋等方式保持信号畅通，保证现场救援和后方指挥之间的实时通讯。可搭载的通讯系统类型是十分多样的，如IVSAT通信卫星系统，该系统设备简单、体积轻便、组网灵活。系统内主要包含HUB主站、远端小站IVSAT以及通信卫星，其中主站是整个系统的枢纽核心，装配有3.5～ 8 mKu波段天线，或者7～13 mC波段天线，能够在HPA高功率放大器、LNA低噪声放大器等的支持下，完成与主计算机的连接。无人直升机上装配的主要是远端小站IVSAT，实际运行过程中远端小站可以通过天线向卫星、主站传送数据，通信效率极高。再如无线移动多媒体JoMobile机载图传系统，机载设备为远端站，可以与消防指挥车载设备即中心站建立联系，采用320、340 MHz超短波频段，空中传输距离最大可到70 km。

1.4 应用于灾情评估

森林火灾的破坏性较大，灾情实时变化较为迅速，需要进行动态化的数据监控和趋势预测，传统模式下由于缺乏必要的数据支持，很难保证预测效果，但无人直升机机动性强、支持全天候作业，完全可以为灾情预测评估提供支持。应用环节要先搭建FARSITE模型，将现场可燃物因子、地形因子、气象因子等输入到模型当中去，与无人机遥感影像配合完成评估。其中气象数据应当包含每日时10 m平均风向、10 m平均风速[2]，以及每日最高最低温湿度、降水量等；地形数据应当包含林区坡度、坡向、纬度、海拔等，可以直接从林区GIS系统中下载DEM数据产品，做好图层的镶嵌和剪裁；可燃物因子则与林冠覆盖度息息相关，覆盖度较高说明林区植被茂密、湿度偏大，覆盖度较低说明植被稀疏、易燃性较高。模型搭建完毕后与无人直升机采集的遥感图像整合，即可获得不同阶段的火灾蔓延趋势分析结果。此外，火灾过后往往需要进行专门性的资源清查和灾情评估，实践中也可以借助无人直升机进行清查评估，在非接触前提下进行林间影像采集，统计林地、草地、湖泊沼泽各自的过火面积，统计不同过火区域的植被分布情况。

2 无人直升机在森林防火中的运用策略

为直观说明无人直升机在森林防火中的运用策略，文章引入某混交森林防火巡护实操案例辅助阐述。案例森林广布丘陵山地，海拔825.4～1 736.2 m，占地13 326 hm2，林内栽植有常绿阔叶树种、针阔叶树种等，植被覆盖率达到86%以上。下面对案例林区的无人直升机森林防火巡航操作要点进行梳理归纳。

2.1 提高飞行适应能力

当前可用的无人直升机类型规格较为多样，要结合森林防火巡护的实际需求进行比较和选择，切实提高无人直升机的飞行适应能力。用于防火巡护的无人直升机通常的巡护载荷不能小于1 500 g，以便搭载可见光相机、红外成像仪等，抗风能力应当大于6级，要能够保证飞行姿势、飞行高度、飞行速度的稳定灵敏控制。对于海拔高度在1 500 m以上，工作环境温度在-20～40℃范围内的林区，无人直升机的单架次续航时间应当满足要求，多旋翼一般需要大于40 min[3-4]。为提高无人直升机森林防火巡护的机动性和灵活性，直升机设备应当满足自主设置巡护航线的功能，要按照系统既定的航迹完成巡回监控任务和图像采集任务，图像质量和数量均要符合设计要求，对于地面监控站发出的实时遥控指令，无人直升机也必须响应及时，能够自主完成数据的接收和存储。

2.2 科学规划任务航线

无人直升机正式应用环节，需要着重做好航线的规划，要提前根据巡护任务确定目标区域，在遥感影像图、地形图上做好标记，通过叠加操作明确巡护区域分界线坐标位置、海拔高程点等，完成无人直升机巡护底图的绘制。然后根据森林火险的常发形式，确定航线的具体类型，常见的包括点状、蛇形、环形、条带状等，注意多台无人直升机同时航行作业时，航向重叠度不要少于53%，旁向重叠度不要少于15%，以此确保巡护全覆盖[4]，避免出现巡护死角。注意起降点要优先选择平坦区域，大风、暴雪、暴雨等恶劣天气下严禁使用无人直升机巡航。规划确定的任务航线应当全面覆盖林内可燃物，最好采用多元数据采集装置，如可见光相机、热成像相机、多光谱成像相机等。发现疑似火点、烟点后，无人直升机要及时传回相关的位置信息、影像信息、时间信息等，辅助工作人员判别评估。

2.3 优化调整航行参数

航行参数对火情监测的效果影响较大，因此使用无人直升机进行森林防火巡护时，还应当优化调整航行参数，确保航行任务的高质量达成。要特别关注飞行速度问题，对于多旋翼直升机来说，飞行速度一般不宜大于5 m/s。飞行高度同样会影响无人直升机作业效能，若林区地形较为平坦，直升机可以适当低飞以采集清晰影像，若地形起伏较大，则要及时变高飞行，安全高度通常为距地面100 m，也要防止飞行过低造成的影像录入不全的问题。操作无人直升机的驾驶员应当通过专门的资格认证，且熟悉林区范围内的地形地势情况、林业资源分布情况，每日连续操作巡护时间不能超过6 h。森林过火后地物色彩以灰黑色为主，组织巡护要尽量选在早9点至下午3点时间段内，此时的光照强度较大，采集到的影像质量相对更高。

2.4 提前开展飞行测试

森林火灾危害大且蔓延迅速，实际操作过程中还应做好前期飞行测试工作，本次共设置了3项测试内容，其中“地面测试”的主要目的是评估无人直升机操控性能，确保其外观完好、零构件运行正常，不会出现异常振动、异常噪声问题。“通信能力测试”的主要目的是评估无人直升机的通信能力，看其是否能够适应林区地形、风场，能否克服林区遮挡物带来的干扰问题，能否在保持稳定飞行的同时完成数据的高质量传输。在前述测试完成的基础上，还需要进行专门的“任务演示飞行测试”。对于护林巡护飞行任务来说，作业半径通常在200～300 km范围内，因此可以在100 km范围内进行任务演练飞行[5]，集成测试无人直升机的飞行表现，并找出其中的异常问题进行纠正和调整，为后期的森林火灾巡护提供支持。

3 结语

综上所述，无人直升机具有操作简便、机动灵活的显著优势，应用于森林防火工作中，能够有效提高火情监控效能，为火灾防控和抢险救援提供依据，实践中务必要给予充分重视。要积极探索遥感监控技术、GIS技术、GPS技术等融合应用的可能性，切实提高无人直升机定位巡护能力，使其更好地服务于火情监测、应急通讯和灾情评估。同时在飞行监测中科学规划任务航线、科学确定航行速度等参数，做好试飞调整工作，为森林防火效能的优化奠定坚实基础。

参考文献

[1]李喜庆.基于无人机遥感的森林参数信息提取研究进展[J].林业科技情报，2023，55（2）：177-180.

[2]盛霞.无人机遥感技术在森林树种调查中的应用研究[J].林业科技情报，2023，55（2）：181-184.

[3]邢建武.无人直升机在南方林区森林防火中的应用研究[J].林业调查规划，2022，47（4）：96-101.

[4]李攀，刘维，宁锐，等.浮空通信中继平台在森林消防队伍指挥通信中的应用研究[J].中国电子科学研究院学报，2021，16（1）：68-71.

[5]梅蓉.森林环境下的无人直升机安全飞行控制[J].上海交通大学学报，2020，54（9）：994-999.