李建有，張水鋒，張思玉

（南京森林警察學(xué)院森林消防學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 無人機的結(jié)構(gòu)組成與分類

無人機主要由結(jié)構(gòu)支撐模塊、動力模塊、飛行控制模塊和功能任務(wù)模塊構(gòu)成。無人機的參數(shù)是對無人機性能不同角度的量化，是無人機性能的一種間接體現(xiàn)。各個模塊對無人機的性能及用途起決定性的影響，同時也決定著無人機的分類。例如：在結(jié)構(gòu)支撐模塊方面，無人機在林業(yè)應(yīng)用中按外觀主要分為固定翼和旋翼無人機[1]；在動力模塊方面，無人機按驅(qū)動方式分為電力驅(qū)動無人機和燃料驅(qū)動無人機等。雖然從某一單一模塊來比較，無人機之間具有很大的差異，但是無人機的分類并不只局限于對單一模塊的考慮。決定無人機性能和功能的因子很多，例如載重、飛行速度、飛行高度和抗風(fēng)能力等。

對無人機進(jìn)行分類的意義在于方便我們根據(jù)不同的性能需求來選擇無人機，以提高無人機與其任務(wù)范圍的契合度。例如，攝影航拍需要的無人機一般穩(wěn)定性高、好控制，在執(zhí)行單一航拍任務(wù)時對載重要求不高。市面上大部分航拍無人機以輕旋翼無人機為主，載重較小一般小于3 kg，具有穩(wěn)定，定位精度高，操控靈活等優(yōu)點。在農(nóng)業(yè)植保方面，無人機的載重及航時較為人們所關(guān)注，植保無人機的主要訴求是大載重、長航時，因此采用以燃料為驅(qū)動方式的無人機較多，該類無人機在載重、航時方面能力突出。當(dāng)然無人機所執(zhí)行的任務(wù)不可能都是單一的，尤其是在森林消防領(lǐng)域。按照無人機功能的不同可將無人機分為航拍無人機、熱紅外監(jiān)測無人機、宣傳無人機、通信無人機和運輸無人機等。根據(jù)森林防火不同的任務(wù)需求，研發(fā)設(shè)計和選擇與森林防火領(lǐng)域需求契合度高的無人機，對無人機在森林消防領(lǐng)域的運用開發(fā)和前景研究中具有深遠(yuǎn)意義。

2 無人機與航空護林

無人機巡護是航空護林的一部分。作為航空護林的新興力量，無人機與傳統(tǒng)航空護林相比在小范圍巡護方面有著相當(dāng)大的優(yōu)勢，能有效彌補或解決航空護林存在的部分缺陷及問題。

傳統(tǒng)航空護林一般主要靠有人駕駛飛機巡護監(jiān)測，主要適用于大范圍巡護，具有巡航速度快，覆蓋范圍廣等優(yōu)勢[2]。但有人駕駛飛機受氣候影響較大，飛行隱患多，發(fā)生事故的損失與影響大。就目前而言，我國森林航空消防正處于起步階段，我國用于航空護林的飛機總量不足，航空護林站密度偏低但航次使用頻率高，特別是在森林防火期航空護林的壓力較大。要想解決這些問題需要長時間的準(zhǔn)備和巨大的投入，進(jìn)展較為緩慢。

無人機造價低，起降要求低，具有全天候、超低空觀測的巡航優(yōu)勢，機動靈活。無人機不需要專用的起落場地，降落方式可采用垂直降落、滑行降落、傘降等方式。與傳統(tǒng)航空護林相比，無人機主要適用在小范圍區(qū)域進(jìn)行低空巡護。森林防火領(lǐng)域使用的無人機一般主要由地方防火部門或林業(yè)部門管控，這使得一線防火部門具有空中巡護自主權(quán)，無人機巡護也相對更具有針對性，在空中進(jìn)行小范圍林火監(jiān)測更加便利，目的性更加明確。在應(yīng)對火災(zāi)范圍較小、造成損失不大、不適宜動用有人駕駛飛機的一般火災(zāi)及初起火，無人機的優(yōu)勢是最明顯的。

3 無人機在森林消防中的主要應(yīng)用

無人機在森林消防領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，涉及森林防火的各個方面。在森林火災(zāi)預(yù)警監(jiān)測、火災(zāi)發(fā)生時的撲救輔助、余火監(jiān)測、災(zāi)后損失評估等方面都可以發(fā)揮重要作用。提高森林消防的科技化和信息化水平，對更加便捷高效的撲滅森林火災(zāi)無人機具有積極的推動作用。

3.1 災(zāi)前林火預(yù)防與監(jiān)測

在我國森林火災(zāi)監(jiān)測主要有地面巡護、瞭望臺監(jiān)測、遠(yuǎn)程監(jiān)測、航空監(jiān)測、衛(wèi)星監(jiān)測5個層次。地面巡護投入人力大，巡護范圍窄，巡護盲區(qū)多；瞭望臺監(jiān)測條件較為簡陋和艱苦，我國大面積林區(qū)瞭望塔數(shù)量不足，密度小；遠(yuǎn)程監(jiān)控該系統(tǒng)的應(yīng)用水平及火情瞭望的覆蓋率不高，大部分林區(qū)都難以覆蓋，設(shè)備折舊快，后期維護投入大；航空監(jiān)測資金投入多，受天氣因素影響大；衛(wèi)星監(jiān)測時效性不高，空間分辨率較低，識別能力有限等。無人機快捷靈活，機動性能好，巡護范圍廣，資金投入時效性高。采用無人機監(jiān)測不僅可以覆蓋大部分盲區(qū)，除此以外還可以提高地方防火部門的自主性。無人機監(jiān)測作為新的林火監(jiān)測方式，可以有效減輕現(xiàn)階段林火監(jiān)測所存在困難。

以無人機為平臺，結(jié)合圖像識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、可見光及紅外等通道與地面巡護協(xié)作，建立天上看，地下巡的立體監(jiān)測模式。對林區(qū)進(jìn)行林火監(jiān)測，對林內(nèi)人員進(jìn)行監(jiān)督，還能夠進(jìn)行森林防火宣傳。貴州天柱縣成立的“無人機飛行中隊”,向全縣人民空中廣播森林防火公告和開展護林巡查。浙江省寧波市有關(guān)部門研發(fā)的無人機微波高空喊話系統(tǒng)，使無人機能夠?qū)崿F(xiàn)在獲取圖像資料的同時，對森林消防巡查過程中發(fā)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離違章用火行為進(jìn)行及時勸阻，方便在運營商信號覆蓋欠佳的地區(qū)對巡山護林人員進(jìn)行語音指引。

在高山峽谷森林地區(qū)，小氣候直接影響著該地區(qū)的氣象因子及植被等，尤其是對林火的影響不容小覷[3]。由于小氣候顯著的各個區(qū)域氣象因子，植被，火險等級不一致，不同時刻，不同空間林火行為變化莫測。運用無人機獲取各個局部區(qū)域的火險因子數(shù)據(jù)并進(jìn)行火險等級分析對比，對火險等級較高區(qū)域進(jìn)行重點監(jiān)測和防治。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，可運用無人機對火行為進(jìn)行實時監(jiān)測，為火災(zāi)預(yù)防、撲救排兵布陣提供參考和依據(jù)，使防火更具有目的性和針對性。采用無人機遙感技術(shù)，結(jié)合計算機圖形處理對地形進(jìn)行分析并實現(xiàn)可視化[4]。有利于防火部門直觀了解林區(qū)地形狀況，方便森林防火規(guī)劃，撲火預(yù)案的制定，在火災(zāi)撲救過程中尋找有利時機撲滅森林火災(zāi)。

3.2 災(zāi)中撲救輔助

在火災(zāi)發(fā)生時，無人機能輔助撲救。無人機可對火場進(jìn)行跟蹤航拍，傳回火災(zāi)圖像資料，有助于指揮者全面了解火場動態(tài)狀況，對指揮者掌握火情，制定撲火方案起到輔助作用。無人機在距離火場較近的上空，可以對火災(zāi)區(qū)域氣象變化進(jìn)行監(jiān)測，對火場態(tài)勢、火勢蔓延的判斷及撲火力量的部署提供依據(jù)和方向。在廣西百色右江區(qū)龍川鎮(zhèn)那合村六陋屯突發(fā)的森林火災(zāi)中，火災(zāi)發(fā)生地點地處深山，火點觀測不到，無法對火勢進(jìn)行判別。右江區(qū)林業(yè)局工作人員運用無人機對火情進(jìn)行偵察，僅用十分鐘，便完成了火場的火勢、地形、范圍等偵察任務(wù)，對撲火方案的審定起到很好的輔助作用。在高山地區(qū)，由于交通不便撲火隊員在短時間內(nèi)難以到達(dá)，或在陡崖、懸崖等地形復(fù)雜、撲火隊員進(jìn)行作業(yè)時危險因素多的地帶，運用無人機懸停精度高、機動靈活等特點，對滅火彈進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計適合無人機空投的滅火彈及彈射裝置進(jìn)行無人機載彈滅火，對目標(biāo)點實施精確打擊。南安森林防火裝備的無人機可以飛2 km遠(yuǎn)精準(zhǔn)投放10 kg滅火彈，進(jìn)行載彈滅火。

在原始林區(qū)，通訊基站往往覆蓋不到，通信指揮車又難以到達(dá)，對講機“脫網(wǎng)”距離有限，衛(wèi)星通信又難以構(gòu)建起火場指揮通信網(wǎng)，為火場指揮通信帶來極大的不便。以無人機為搭載平臺，搭載微型基站可以臨時構(gòu)建起火場通信指揮網(wǎng)，使火場無線電通訊暢通，也可配合搭載廣播等通信設(shè)備，實現(xiàn)指揮部與滅火作戰(zhàn)單位之間的信息互換，便于指令的傳達(dá)。在九寨溝地震后，中國移動在九寨溝災(zāi)區(qū)使用無人機高空基站，解決了震后災(zāi)區(qū)的通信問題。這種無人機高空基站是利用無人機懸停在空中100 m，可以保障周邊方圓50 km以內(nèi)的手機都能有4G信號。

在交通不便的高山或偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以采用無人機輸送藥品、食物等急需的物資，以縮短物資輸送時間，解燃眉之急。美國無人機創(chuàng)業(yè)公司開發(fā)的Zipline無人機，啟動全球商用無人機服務(wù)，按需為邊遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)療人員配送疫苗、藥物和血液，現(xiàn)已為盧旺達(dá)全國21處輸血設(shè)施點配送血液。在我國西南林區(qū)，高山林立，大多數(shù)情況下物資輸送只能靠人力進(jìn)行，應(yīng)急物資的時效性較差，無人機技術(shù)的運用將大大縮短輕量急需物資的運輸時間，提高運輸效率。

在陌生地域，采用無人機對水源、地形等進(jìn)行偵察，協(xié)助撲火方案及戰(zhàn)術(shù)的制定。在夜間，采用無人機搭載紅外設(shè)備對地形進(jìn)行預(yù)先偵察。在山地等復(fù)雜地形條件下采用無人機進(jìn)行導(dǎo)航[5]，可以有效避免撲火隊員因?qū)Φ匦蔚牟皇煜ず鸵归g視距短造成人員傷亡。

3.3 災(zāi)后余火監(jiān)測

現(xiàn)階段對于余火還沒有較好的管理辦法，明火撲滅后主要依靠撲火隊伍留守火場，對余火進(jìn)行監(jiān)測巡守。在余火清理過程中，情況錯綜復(fù)雜，尤其是在受災(zāi)面積較大，林情復(fù)雜，森林可燃物載量大的火場中，余火清理特別困難。余火一般以陰燃為主，較為隱蔽，常常只有少量青煙甚至無煙。由于熱輻射作用，火場及周邊可燃物含水率下降，可燃物變得干燥；一旦復(fù)燃，火災(zāi)迅速蔓延，火勢大。許多大火災(zāi)就是由于余火死灰復(fù)燃造成的，火災(zāi)危害大。

目前余火清理的主要靠防火隊員或群眾進(jìn)行巡邏清理。采用這種方式，一方面投入的人力多，另一方面人力巡守具有被動性。只有余火擴大到一定范圍，或者發(fā)煙量變大產(chǎn)生明火才能被發(fā)現(xiàn)。在很多時候，當(dāng)明火被發(fā)現(xiàn)時已經(jīng)重新引起了森林火災(zāi)。采用無人機搭載紅外監(jiān)測或傳感器系統(tǒng)等，根據(jù)火的特點，從空中對火場進(jìn)行監(jiān)測，溫度或光感數(shù)據(jù)經(jīng)過分析處理與火場地形圖疊加，就能夠直觀地看出火場熱值分布，標(biāo)出較容易復(fù)燃區(qū)域，使撲火隊員對余火清理具有方向性，有效提高余火清理效率，降低余火復(fù)燃率，減輕余火清理難度。

3.4 災(zāi)后調(diào)查與評估

林火調(diào)查與評估包括起火點和起火原因的調(diào)查非常講究時效性。在發(fā)生火災(zāi)時，介入得越早對起火點、起火原因的調(diào)查就越有利。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，火場環(huán)境是極其危險的，若此時調(diào)查人員直接近火場，安全隱患較多。采用無人機可以在第一時間內(nèi)直接對火場及周邊情況進(jìn)行監(jiān)測，從而大大縮小起火點調(diào)查范圍，甚至有時候可以用無人機直接捕捉到涉案人員活動畫面，為森林火災(zāi)案件的偵破提供便利。

火災(zāi)撲滅后要對受災(zāi)情況及損失進(jìn)行評估，火場面積測算與受災(zāi)林木種類及林木蓄積測算是評估中的重要組成部分。過火區(qū)域形狀較為復(fù)雜，而且受坡度地形等因素的影響，要想較為準(zhǔn)確地測算火場面積難度較大?，F(xiàn)在，無人機搭載GPS測算面積，已經(jīng)在實際中運用；傾斜攝影等新技術(shù)逐漸發(fā)展，已有部分公司開發(fā)出相關(guān)的產(chǎn)品。將無人機作為搭載平臺以新型測量技術(shù)為依托，有利于實現(xiàn)火場面積測算的便捷化和精細(xì)化。

火災(zāi)發(fā)生后，植被受到毀滅性打擊，特別是在火強度大、火烈度強的嚴(yán)重受災(zāi)區(qū)，植被基本被燒光。這些區(qū)域內(nèi)林木種類和林木蓄積的確定尤為困難。運用無人機遙感技術(shù)對林木蓄積量進(jìn)行測算[6]或運用無人機遙感系統(tǒng)結(jié)合圖像識別技術(shù)[7]對林木種類進(jìn)行識別，可以對火場植被信息進(jìn)行實時采集。火災(zāi)結(jié)束后，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，在很大程度上可以大大減輕火災(zāi)調(diào)查評估的工作量。隨著科技的發(fā)展，在林木種類和林木蓄積識別的精準(zhǔn)度方面會有很大的提高，使火災(zāi)評估更貼近實際值。

4 無人機在森林消防領(lǐng)域應(yīng)用前景

總而言之，無人機是森林消防的有力助手，無人機在森林消防領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景。現(xiàn)階段在我國多個省份無人機已經(jīng)開始被運用到森林防火領(lǐng)域，很多地區(qū)都組建了無人機大隊、無人機中隊等。無人機在森林防火領(lǐng)域中發(fā)揮的作用也日漸多樣化。

無人機作為一個空中搭載平臺，搭載設(shè)備的技術(shù)更新，不斷完善著無人機的功能，在森林消防的各個過程中發(fā)揮巨大作用。在監(jiān)測撲救方面，無人機充當(dāng)著指揮者的“眼睛”，通過搭載儀器設(shè)備，及時掌握火場狀況，輔助指揮決策，特別是在應(yīng)對地下火和余火監(jiān)測方面有著巨大的發(fā)展前景和研究價值。在相關(guān)技術(shù)發(fā)展中，無人機并不是獨立使用的。無人機作為搭載平臺，隨之配套輔助的還有各個軟硬件系統(tǒng)。開發(fā)構(gòu)建基于無人機搭載平臺的系統(tǒng)，把無人機更好的融于森林消防的各個方面，為森林防火工作提供便利。

隨著人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，人工智能技術(shù)已經(jīng)滲透到我們生活的方方面面[8]。將人工智能技術(shù)運用于森林消防領(lǐng)域是今后的發(fā)展趨勢。近幾年3D打印技術(shù)迅猛發(fā)展，日漸成熟，將3D打印和人工智能技術(shù)運用到無人機領(lǐng)域?qū)蟠蠼档蜔o人機的造價，提高無人機的性能和執(zhí)行任務(wù)的能力[9]，使無人機在森林消防方面貢獻(xiàn)巨大力量。

5 當(dāng)前無人機在森林防火領(lǐng)域待解決問題

在當(dāng)前，無人機存在著許多亟待解決的技術(shù)難題。在續(xù)航方面，航時較短，能源和動力問題是制約無人機發(fā)展的瓶頸。一般以燃料為動力續(xù)航時間相對較長，但是存在的危險性也較大。若使用燃料無人機，無形中攜帶了一個火源。就目前科技而言，民用無人機的穩(wěn)定性不是很好。在火場中，可能在煙氣中飛翔時，由于供氧不足容易引起發(fā)動機熄火，墜機率較高。一旦墜機易形成火源，引發(fā)森林火災(zāi)。今后，無人機動力提供主要為電能?，F(xiàn)在以電力為動力的無人機是運用最為廣泛的無人機，但是其續(xù)航時間太短是其致命的短板。如何解決無人機電池續(xù)航能力也是現(xiàn)在無人機領(lǐng)域研究重點和難點。

在無人機材料和設(shè)計方面，采用什么樣的材料能夠減輕飛機質(zhì)量，提高載重，增強飛機的抗風(fēng)能力，在防火方面還需考慮無人機的耐溫能力，如何增強無人機的耐摔性能，提高無人機穩(wěn)定性等問題也有待解決。

在飛行控制方面，飛行控制精度還有待提高，無人機的墜機率較高，尤其是固定翼無人機，操作技術(shù)要求較高，飛行控制難度較大。改善飛行控制系統(tǒng)，減小飛行操作難度，實現(xiàn)無人機人工智能也是需要解決的問題和研究放方向。

無人機是一個搭載平臺，無人機具備的功能主要由無人機搭載的設(shè)備及系統(tǒng)來實現(xiàn)。無人機在森林消防領(lǐng)域的發(fā)展速度除自身外，與各新型技術(shù)有著很大的聯(lián)系。在發(fā)展無人機的同時也要對無人機的功能進(jìn)行探索，將新科技融入森林消防無人機領(lǐng)域來，實現(xiàn)無人機在森林防火領(lǐng)域的飛速發(fā)展。

[1]王振師,周宇飛,李小川,等.無人機在森林防火中的應(yīng)用分析[J].林業(yè)與環(huán)境科學(xué),2016,(01):31-35.

[2]魏振宇.對我國航空護林發(fā)展問題的思考[J].黑龍江科學(xué),2014,(10):56.

[3]錢柯君,方逵.森林小氣候研究在森林防火中的應(yīng)用前景[J].農(nóng)村經(jīng)濟與科技,2015,(11):57-58.

[4]楊秀峰.基于無人機遙感數(shù)據(jù)的三維地形快速重建技術(shù)研究[D].鄭州：河南理工大學(xué),2014.

[5]王磊.復(fù)雜地形環(huán)境下的無人機導(dǎo)航問題研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[6]付凱婷.無人機遙感技術(shù)估算桉樹蓄積量的研究[D].南寧：廣西大學(xué),2015.

[7]唐晏.基于無人機采集圖像的植被識別方法研究[D].成都：成都理工大學(xué),2014.

[8]楊焱.人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢研究[J].信息與電腦(理論版),2012,(08):151-152.

[9]吳懷宇.3D打印三維智能數(shù)字化創(chuàng)造[3D Printing Three-Dimensional Creation Via Intelligent Digitization][M].北京：電子工業(yè)出版社,2015（第2版）.