李濱　王宏宇　楊笑天東北林業(yè)大學機電工程學院

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無人機系統(tǒng)在森林防火方面的應用及其發(fā)展

李濱王宏宇楊笑天
東北林業(yè)大學機電工程學院

根據(jù)我國林業(yè)環(huán)境的特點，對在森林防火中無人機系統(tǒng)的優(yōu)勢做出簡要概述。闡述了無人機系統(tǒng)的組成部分。國內外無人機在各個領域的應用和現(xiàn)狀。國內針對森林防火無人機系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚，與發(fā)達國家有一定差距。但隨著無人機系統(tǒng)的快速發(fā)展，未來我國無人機系統(tǒng)會對林業(yè)經(jīng)濟發(fā)展做出巨大貢獻。

森林防火 無人機系統(tǒng) 應用及發(fā)展

森林是人類生存必不可少的一部分，它不僅為人類的生產(chǎn)、生活提供所需的木材和各類林副產(chǎn)品，同時還為人類、動物和植物提供了良好的生存環(huán)境。因此，森林防火工作是與中國的生態(tài)文明建設和社會主義可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施密切相關，這項事業(yè)的成敗也將影響到中國的社會和諧，穩(wěn)定。

盡管我國疆域遼闊，人口繁多，森林資源總量大，但人均森林覆蓋率較低、且類型繁雜，森林防火的工作既要面臨著不利的氣候、地理環(huán)境等條件，也要時刻面臨著火源難以掌控，可燃物超載，防控能力不足等實際困難，形勢十分嚴峻。森林火災一旦發(fā)生，將直接影響到我國的森林資源、國土生態(tài)的保護，會造成人民群眾生命財產(chǎn)的巨大損失，阻礙我國的經(jīng)濟發(fā)展，并且影響社會的和諧與穩(wěn)定。因此我們必須要未雨綢繆，防患于未然。

一般采用派人實地巡邏考察，這種方式勞動強度大，遇到險峻茂密的森林十分危險，既浪費了大量的人力和物力，也很難觀測到準確的火點。雖然我國相繼建立了東北航空護林中心和西南航空護林總站來進行空中護林防火，但有人駕駛飛機拍攝的圖像大多數(shù)時候很難滿足高精度，高分辨率的要求，特別是容易受到氣候天氣的影響。而對小林區(qū)來說，也容易造成人力，資源的浪費，還不能滿足定點觀測的要求。無人機的應用解決了這些不足，無人機系統(tǒng)應用于森林防火中具有續(xù)航能力強、操縱方便、影像實時傳輸，機動靈活、功能多樣化、應 急快速、實時巡查能力強等特點。尤其是在地形， 天氣較復雜的林區(qū)更能顯示出它的優(yōu)勢。

1　無人機系統(tǒng)簡介

傳統(tǒng)的無人機（UAV）系統(tǒng)一般叫做靶機。也就是不需要飛行員駕駛的飛行器，主要由無人駕駛飛機、無人靶機和遙控飛行器組成。然而現(xiàn)代人們則通俗的把它們稱為“無人機”。一般一架典型的無人機系統(tǒng)大體上包括一個或幾個地面控制系統(tǒng)或控制站、飛行器、有效載荷及數(shù)據(jù)鏈路、有效載荷、發(fā)射及回收系統(tǒng)、地面處理和維護系統(tǒng)等。

飛行器是整個無人機系統(tǒng)中的重要部分，包括機體、推進裝置、飛行控制子系統(tǒng)、電力系統(tǒng)。飛行數(shù)據(jù)終端裝備在機體內，它是通訊數(shù)據(jù)鏈路的機載部分。機載中的有效載荷是獨立的，可以完成不同的任務。而飛行器的機翼可以是固定式、旋轉式和風管式。

地面控制站是無人機系統(tǒng)的“指揮中心”，無人機傳輸來的圖像和視頻指令和數(shù)據(jù)在這里進行處理和顯示。

地面控制站由任務規(guī)劃設備、控制顯控 臺、圖像及遙測設施、計算機及信號處理器、地面數(shù)據(jù)終端，通訊設備、環(huán)境控制和生存能力保護設 備組成。

發(fā)射回收方式有很多種：在固定場地上進行常規(guī)起飛及降落，利用彈射的方式發(fā)射并利用著陸攔阻網(wǎng)進行截獲回收、空中投放并利用降落傘回收等。由于受到地域限制，發(fā)射和回收的設備及方式也有不同。機載中的有效載荷是無人機應用的主要原因。在這個子系統(tǒng)中一般包含用于偵查的各種成像設備，還有更為精密高端的電子系統(tǒng)和各類傳感器。

數(shù)據(jù)鏈路則是無人機系統(tǒng)中一個關鍵的子系統(tǒng)，它能根據(jù)需要進行持續(xù)不斷的雙向通信。上行鏈路主要能對無人機的飛行路線進行控制并對有效載荷下達任務指令。下行鏈路主要接收指令、傳輸飛行狀態(tài)信息并能提供高數(shù)據(jù)率的視頻圖像信息頻道。

地面支援設備近些年變得十分重要不僅包括各種地面發(fā)射回收所需的設備還包括測試和維護設備。

2　國內外無人機的應用

2.1國內外無人機的軍事應用

1917年，世界上第一架無人機呈現(xiàn)世人，時隔 近日已經(jīng)有100多年的歷史了，由于技術的迅猛革新和戰(zhàn)爭的日益需要，無人機已逐漸成為世界各國國防裝備實力競爭的一個重要部分。今天，在偵察衛(wèi)星、空中預警機、軍用戰(zhàn)斗機的蓬勃發(fā)展下，無人機依然能夠標新立異，爭得一席之地，可見其擁有無法比擬的獨特性能。1933年世界上首次將有人駕駛飛機改裝成靶機取名為“蜂后”號，并試飛成功。 美國在1939年開始研制靶機，并研制出了多種類型。 在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國人把靶機技術與遙控機結合，在德國庇內門德基地研制成世界上第一枚飛航式V-1型導彈。戰(zhàn)后各國迅速發(fā)展導彈技術，這卻促進了無人機的發(fā)展。

20世紀六、七十年代，在美越戰(zhàn)爭期間，越南防空火力兇猛無比，美軍飛機和人員損失慘重。為減少人員和飛機傷亡，美軍首次使用“火蜂”無人偵察機和“QH-50”系列無人機來執(zhí)行偵察和電子情報等任務。大大降低了飛行員和飛機的損失率。

以色列在中東戰(zhàn)爭中創(chuàng)新的使用無人機來支援地面作戰(zhàn)。1973年以色列沿蘇伊士運河大量使用 “BQM-74C石雞”多用途無人機摧毀了埃及沿運河部署的低空導彈基地，并最終扭轉了被動的戰(zhàn)局。 以色列對無人機的成功運用引起各國的高度重視，加之無人機用途廣、造價低、“零傷亡”等優(yōu)勢也引發(fā)了各國的研究和購買熱潮，這更是加快了無人機的發(fā)展和使用。1991年初在海灣戰(zhàn)爭中，多個國家投入大量無人機參戰(zhàn)，不僅數(shù)量多、持續(xù)時間長， 而且種類、型號明顯增多。美軍的“先鋒”無人偵察機在海灣戰(zhàn)爭中使用最多的一種，共有六個無人機連參戰(zhàn)，共執(zhí)行522次飛行任務，為更好的了解伊拉克后方軍事目標分布、防空系統(tǒng)狀況、軍事部署等提供了主要依據(jù)。如今美國的無人機技術已十分成熟，其中以“捕食者”、“先鋒”、“獵人”、和“全球鷹”最具代表性。

以色列的無人機更是發(fā)展較早，其中第一代的“偵察兵”，第二代的“先鋒”，第三代的“搜索者”也具有一定的代表意義。

近二三十年來，無人機憑借著其機動快速的響應能力、高穩(wěn)定性、綜合應用能力、地表數(shù)據(jù)的快速獲取和建模能力、突出的時效性和性價比等優(yōu)點，在諸多軍事領域的應用中取得了成功，并獲得了全世界的青睞。

我國無人機的發(fā)展已有四十多年，隨著長空一號、長虹高空高速無人偵察機、T-6通用型無人機、Z-5系列無人偵察機、“翼龍”無人機等相繼研發(fā)成功，激發(fā)我國科技人員對未來中國無人機事業(yè)的美好憧憬和展望，也給我國無人機事業(yè)增添了濃墨重彩的一筆。我國由中國航天科技工業(yè)集團系統(tǒng)研制的名為WJ-600的無人機首次以實體形式展現(xiàn)在公眾的面前，這款可隱身可實施高速突防的無人機即代表了中國在智能控制軍用航空器領域的最新技術。 中國也是第二個掌握長航時高空偵察無人機的國家，例如成都飛機工業(yè)集團設計制造的翔龍無人機，毫不遜色于美國的全球鷹。還有可以比肩美國X-47B、俄羅斯電鰩、歐洲神經(jīng)元、英國雷神無人機的利劍隱身艦載無人機。此外，中國還擁有可以媲美美國大型無人作戰(zhàn)機MQ-9“死神”的彩虹-4無人機。其它各種用于反恐、消防等各個領域的無人機更是種類齊備，包羅萬象。

2.2國內外無人機的民用現(xiàn)狀

警用配備無人機應該是無人機民用的最直接的體現(xiàn)。由于無人機機身小、長航時、不受地域限制，不易被發(fā)現(xiàn)，且可攜帶穩(wěn)定的高分辨率的監(jiān)控設備，對反恐、緝毒、刑事調查等方面具有很強的實用性。 2011年12月10日，美國北達科他州警方在一次行動中， 利用“捕食者”B無人機的監(jiān)視，最終成功抓捕罪犯， 這在美國歷史上有記載的警方行動中使用無人機還屬首次。

對于重大自然災害的救援，無人機也發(fā)揮著巨大的作用。由于偵察環(huán)境惡劣，使得載人飛機和救生直升機難以獲得受災區(qū)域的清晰影像和準確信息， 延誤最佳救災時機從而導致重大人員傷亡。無人機則可以在復雜的氣候條件下進行巡航偵察，傳送災區(qū)內高分辨率的視頻影像信息，且不用考慮是否可以安全返航，這樣大型無人機就可以及時有效的運送救災物資并執(zhí)行空投任務。

日本在農業(yè)方面很早就應用了無人機。早在 1983年初，日本政府為了解決日益減少的農業(yè)人口問題與雅馬哈公司發(fā)展簽訂合約，要求公司開發(fā)用于播撒農藥的無人直升機。之后該公司麾下的RMax無人直升機由于其農業(yè)作業(yè)的高效性已經(jīng)逐漸被市場化，并且最終成為了稻田作業(yè)中的一把“利器”。

此外無人機在地質勘探、氣象觀察、交通疏導、重大自然災害通訊中繼、災情偵察、野生動物保護、核生化污染區(qū)的取樣與監(jiān)測、新技術與新設備的試驗驗證等科研領域也有廣闊的應用前景。

2.3國內外無人機在森林防火中的應用

森林火災一直是當今世界各國為之頭疼的自然災害。如果處置不當，會對國家和人民造成毀滅性的傷害。傳統(tǒng)的森林滅火有直接撲打法、風力滅火法、化學藥劑滅火法、水滅火法、爆炸滅火法等幾種常用方法。但其時效性和高效性卻無法與無人機相比。

近些年國內外有很好的實例值得我們研究。

2006年10月，在加州美國航空航天局（NASA）和 美國林業(yè)局利用“牽牛星（Al tai r）”無人機在森林大火上空航行了兩次。并且使用NASA艾姆斯研究中心提供的紅外掃描儀—機載紅外災害評估系統(tǒng)（AIRDAS）發(fā)現(xiàn)了主要的火災點，并將數(shù)據(jù)傳送到地面站，大約 每30分鐘即時的火災圖像就會向地面中心傳輸，讓消防人員更好的掌控局勢。此次任務也標志著美國聯(lián)邦航空局（FAA）首次準許執(zhí)行在國家空域內的第一個民用無人機任務。

當前，在美國，無人機系統(tǒng)應用到森林防火等民用領域的現(xiàn)象已經(jīng)十分普遍，可森林防火無人機在中國還未大范圍普及應用，尤其是我國利用無人機系統(tǒng)對森林火情進行監(jiān)測反饋尚處于起始階段， 還受到各方面不利條件的制約。正是因為當前我國有全方位監(jiān)測體系不健全，火場通信聯(lián)絡不順暢，森林防火道路網(wǎng)密度過低，森林航空消防覆蓋面過窄，機源及裝備緊缺，缺乏夜間航行和低能見度條件下的飛行能力等不利因素的存在，所以遠不能滿足實際的工作需要。

但成功案例屢見不鮮：齊齊哈爾大學的李春林等相關研究人員共同研制林火監(jiān)測無人飛艇。

廣西桂林航龍科訊電子有限公司充分發(fā)揮自主創(chuàng)新能力，利用新研發(fā)的無人機對漓江的百里畫廊林區(qū)，成功地進行了航拍并實現(xiàn)視頻實時監(jiān)控，這在中國還是首例。

2013年6月3日，在內蒙古大興安嶺林區(qū)根河航空護林站，我國自主研發(fā)的Z5型無人直升機首航成功，這也是我國中型無人機首次應用于林業(yè)系統(tǒng)。該機配有防火智能遙感監(jiān)控系統(tǒng)，可實時反饋檢測數(shù)據(jù)，為快速探測定位森林火災的方位和綜合指揮調度提供依據(jù)。

武漢智能鳥公司研制了森林防火無人機系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以森林火情監(jiān)測為主，將無人機技術、 GPS全球定位系統(tǒng)、高清數(shù)字圖像處理與傳輸技術等高精尖技術綜合融入于森林資源管理中的高科技產(chǎn)物。

3　無人機系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢

在未來幾年甚至幾十年內，在軍用領域內全世界各國將會投入大量的人力財力來發(fā)展無人機，重點是研發(fā)中、高空且長航時無人偵察機和攻擊機。

同時，為應對戰(zhàn)爭需要，未來軍用無人機的發(fā)展方向會從低空、短時間續(xù)航向高空、長時間續(xù)航發(fā)展；隱形無人機也將會是未來的發(fā)展趨勢；從實時戰(zhàn)術偵察向空中預警方向發(fā)展。同時隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、人民需求的增多以及無人機技術的突飛猛進，在民用和商用領域無人機的運用正逐漸顯露出來。一方面，雖然民用無人機優(yōu)勢明顯但其安全問題仍然需要解決，因為在技術上沒有人駕駛飛機，當故障發(fā)生時，飛機自身不能瞬時調整及故障排除，從而導致無人機容易摔機，所以無人機的安全性差，事故率高。另一方面無人機已經(jīng)作為一種新型飛行管制對象，給空中交通的正常運行和管理帶來了新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)實中民用無人機活動管理依然存在很多難點。除了以上兩點還有無人機系統(tǒng)中發(fā)動機的動力技術難題，提高無人機的搭載能力，無人機控制水平，研發(fā)新型機身材料以降低自重等問題。

在森林防火方面①無人機升降技術不夠完善，抗風性能不穩(wěn)定，續(xù)航時間不長。②在森林防火調查中，應根據(jù)所監(jiān)測到的圖像、來分析數(shù)據(jù)，但精度可能會受到限制，同時，效率也不高。所以預計在未來十到二十年內，這些問題都可以得到有效的解決。無人機勢必會應用于我國的資源環(huán)境保護、 國防安全、農業(yè)發(fā)展、科技創(chuàng)新發(fā)明等種種領域。

4　結語

無人機系統(tǒng)是對當前森林火災監(jiān)測手段的有力補充，有益于我國在森林防火方面取得長足的進步。但由于我國無人機系統(tǒng)在森林防火方面的應用起步較晚，與發(fā)達國家有些差距。不過隨著無人機在林業(yè)及各個領域應用的不斷深入，無人機系統(tǒng)必將會為我國林業(yè)特別是森林防火方面的工作，促進我國林業(yè)經(jīng)濟發(fā)展做出積極地貢獻。

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