劉玉潔，呂振義，劉亞京，呂文紅

（1山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590；2深圳市科衛(wèi)泰實業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518126）

1 引言

森林火災具有“速度快，突發(fā)性強，破壞性大”的特點，是世界八大自然災害之一。一旦發(fā)生火情，火災將迅速向四周蔓延，救災處置難度大，是森林的最大威脅[1]。

2014-2018年，我國發(fā)生森林火災14 374起，受害森林面積達 79 085.59 hm2，傷亡 259 人[2，3]，損失慘重。隨著全球氣候暖干化的發(fā)展,中國氣候出現(xiàn)持續(xù)高溫、干旱的頻率增加,林火數(shù)量和過火面積有逐年上升的趨勢[3]。因此，森林防火形勢十分嚴峻，提高森林火災防控水平成為我國林業(yè)建設工作的重中之重。

無人機具有便于攜帶和布防、展開迅速、造價低廉、使用成本低的優(yōu)勢，能夠從空中實時監(jiān)控森林火災的具體情況，及時發(fā)現(xiàn)人工難以覺察到的小區(qū)域著火點，避免火災的進一步擴大，因此，近年來在林火防控中得到廣泛應用。

1998年，呂厚誼[4]預計無人機未來在森林防火、氣象觀測、大地測量等民用領域會有用武之地。2004年，陳軍[5]提出現(xiàn)有消防技術手段單一，無法完全應對高層建筑火災、交通火災、大型輸油管道火災、核電站險情救援以及森林火災的問題，需要更為有效的滅火手段，消防民用無人機技術已經(jīng)成熟，是目前最可行和有效的方案。2007年，于洋[6]提出傳統(tǒng)直升機受氣候影響較大，飛行隱患大，無法保證駕駛員的安全，而無人機采用遠程操控或自主巡航，不存在人員傷亡的危險，能夠獨立在森林上空進行火情偵察工作。2009年，楊斌等[7]提出根據(jù)森林火災煙的光譜特性，在顏色特征識別的基礎上，建立分析識別模型，使用線性噪聲清除方法，滿足實時性的要求，解決無人機遙感在森林火災監(jiān)測中的自動識別問題。2012年，馬瑞生等[8]提出實時視頻傳輸和無人機技術結合起來，形成無人機林火監(jiān)控平臺。2015年，張增等[9]使用無人機遙感的高分辨率圖像進行森林火災的檢測，首先使用RGB顏色空間確定可疑的火災區(qū)域，排除大部分的無火圖像，再利用HSV顏色空間進行圖像分割，最后在灰度共生和火災邊緣識別的基礎上進行火災區(qū)域的多維特征提取，并利用支持向量機完成火災識別過程。2017年，張慶杰等[10]根據(jù)林火與森林在顏色、亮度上存在顯著差異，利用視覺顯著性算法確定林火的疑似區(qū)域，之后基于協(xié)方差矩陣提取疑似區(qū)域的時空分塊圖像的顏色、紋理和幀間差分特征，最后利用支持向量機進行訓練和分類，按照一定的判據(jù)進行林火監(jiān)測。同年，黃子健[11]通過分析航空抖動的原因，結合電子穩(wěn)定原理，提出了基于光流法的電子穩(wěn)像算法，提高圖像傳輸質量；與此同時，研究了森林火災紅外圖像的特點，選取圓形度、面積、變化率和紋理特征作為火焰特征，設計了基于支持向量機的紅外圖像火災識別。

在林火監(jiān)測技術發(fā)展的過程中，應用無人機定位技術和圖像處理技術提高林火檢測準確性的研究也在不斷發(fā)展。

2014年何誠等[12]提出利用GPS和微波測距對森林著火點進行精準定位的方法，解決了旋翼無人機在飛行過程中實時精準定位森林著火點的難題。郭偉等[13]認為森林環(huán)境復雜，傳統(tǒng)火災監(jiān)控方法不能滿足現(xiàn)代林火監(jiān)控的要求，從而在無人機和動態(tài)特征分析的基礎上，提出視頻圖像火災監(jiān)控算法；同年，趙偉等[14]提出在無人機圖像采集和改進后的BP神經(jīng)網(wǎng)絡同支持向量機分類器結合基礎上的圖像識別方法，以此來提升火災圖像收集的準確度。2016年，趙飛[15]提出利用GPS和搭載攝像機的雙無人機定位方法，通過模擬火災燃燒試驗，以無人機及飛控系統(tǒng)為主要手段獲取無人機實際飛行參數(shù)、無人機航空攝影林火數(shù)據(jù),以地面PTK GPS高精度定位系統(tǒng)和全站儀+PDA（筆記本電腦）進行火點精準定位,對雙無人機定位精度進行檢驗，能夠準確、快速地定位著火點。2019年，單會見[16]提出改進無人機煙火識別算法，在顏色指數(shù)的基礎上改進算法，根據(jù)無人機在飛行過程中實時傳回的視頻圖像，結合林火定位算法，精確定位森林火災的發(fā)生情況。同年，陳燕紅[17]提出采用局部二值模型特征提取與支持向量機分類結合的方法進行煙霧檢測，對林火進行初步判斷，建立CNN-9及CNN-17模型，實現(xiàn)了基于CNN的煙霧及火焰檢測，并對圖像進行預處理，提高了林火監(jiān)測的準確率，還以Squeeze Net為骨干網(wǎng)絡對優(yōu)化的模型進行火焰區(qū)域分割。

這些研究表明，無人機應用到森林火災的過程中，逐漸與各種先進的圖像識別技術結合，并不斷提高無人機在林火防控中的圖像傳輸精度和準確度，以滿足現(xiàn)代森林防火對無人機提出的更高要求。

2 無人機在林火防控中的應用

20世紀60年代起，直升機逐步應用于護林和林火防控。目前主要開展空中巡護、吊桶灑水作業(yè)、索降滅火等工作。由于森林大火多發(fā)生在山區(qū)，海拔高、氣候條件復雜，直升機受氣候影響大，飛行隱患多，在這種惡劣環(huán)境下飛行，會危害直升機上救援人員的人身安全。無人機具有機動靈活、便于攜帶和布防、展開迅速、造價低廉、使用成本低的優(yōu)勢，它能夠克服惡劣天氣狀況，協(xié)助消防員執(zhí)行火災撲救工作，不需要將操作人員置于危險之中。因此，近年來無人機開始被逐漸地應用到林火防控領域，并得以迅速發(fā)展。

2.1 無人機性能簡介

民用無人機種類多樣，有旋翼、固定翼、混合翼等，其中，旋翼無人機又可以分為多旋翼與單旋翼。多旋翼無人機因其機動靈活、操作簡單、安全性高、成本較低等優(yōu)點得到廣泛應用。由于工作環(huán)境不同，無人機又分為工業(yè)級無人機和消費型無人機。表1以多旋翼無人機為例，對工業(yè)級與消費型無人機進行性能對比。

由表1可以看出，消費型無人機的續(xù)航時間理論上僅有30 min，在高海拔地區(qū)的實際續(xù)航時間更短，并且它的抗風性能差，難以適應高原地區(qū)的工作環(huán)境。工業(yè)級無人機續(xù)航時間長、飛行距離遠、載重量大、抗風能力強、適合各種惡劣天氣和地形，能夠在高海拔、地形條件復雜的林區(qū)執(zhí)行日常巡邏工作，也能在森林火災發(fā)生時完成火情偵察的任務。因此，一般在防控森林火災中所使用的無人機通常都是工業(yè)級無人機。

表1 多旋翼無人機性能比較

2.2 無人機林火防控案例

2011年3月31日，廣東省仁化縣紅山鎮(zhèn)長珠坑，利用小型旋翼無人飛行器監(jiān)測煉山林火，所拍攝的實時影像數(shù)據(jù)能夠直觀地反映林火發(fā)生、發(fā)展過程中的火烈度、蔓延方向和過火面積，結合對山地環(huán)境、地表可燃物和氣象因子的調查數(shù)據(jù)，為災后評估提供有力技術支撐[18]。

2014年4月26日，立陶宛風景區(qū)發(fā)生大火之后利用eBee無人機進行災后數(shù)據(jù)的收集，相關專業(yè)人員根據(jù)無人機收集的數(shù)據(jù)，繪出火災區(qū)域準確的正射影像圖，計算出準確的受災植被總面積和損失[19]。

2016年3月2日，甘肅省迭部縣達拉林場發(fā)生森林火災。KWT-Z6M折疊式六旋翼無人機拍攝并實時傳輸火點周圍地形及環(huán)境，同時將著火點的經(jīng)緯度發(fā)給直升機，協(xié)助直升機進行水箱空投滅火[20]。

2018年11月8日，美國加州北部多地發(fā)生山火，運用EcoDrone UAS-4熱成像無人機繪制大火肆虐的區(qū)域。消防員根據(jù)傳回的圖片，制定應對策略，為撲滅火工作提供了有力的技術支持[21]。

2019年3月30日，北京市密云區(qū)東紹渠鎮(zhèn)高各莊村村南發(fā)生山火。消防員采用ZT-3V復合翼無人機協(xié)助火災偵察工作，在無人機上搭載紅外視頻在高空進行實時監(jiān)控，將實時視頻傳送至指揮中心，協(xié)助地面指揮人員制訂最佳救援方案。在大火撲滅之后，無人機掛載紅外吊艙繼續(xù)工作，徹查復燃點。無人機對滅火工作全程進行有效追蹤[22]。

2019年4月8日，四川涼山州木里火災復燃，消防人員利用ZC-3V復合翼無人機搭載30倍變焦的三軸穩(wěn)定雙光光電吊艙進行復燃火災的監(jiān)控工作，實時傳回清晰畫面，幫助消防人員及時準確地把握現(xiàn)場情況[23]。

2019年4月16日，陜西商洛森林大火，科衛(wèi)泰KWT-X6L-15大型六旋翼無人機在火場上空進行火情偵查，搭載30倍變集云臺，將火場位置、輪廓、蔓延方向以及滅火人員所在區(qū)域等圖像信息清晰地傳送給指揮員，為火災的高效撲救提供了有力支撐[24]。

通過上述案例可以看出，無人機在林火防控中發(fā)揮的作用主要是火情偵察、災后勘察和災情評估。

2.3 無人機在林火防控中的優(yōu)勢

1）火情偵察，科學決策。森林火災多發(fā)生在山區(qū)。由于山中地形復雜，通信不便且氣候條件多變，如果消防人員在著火情況不明的條件下貿然進入現(xiàn)場，很可能會有意外情況發(fā)生，危及消防員自身安全。因此，可以先利用無人機搭載攝像設備在高空進行實時火情偵察，將拍攝圖像及時傳送給指揮人員，制訂出科學有效的救援方案，再由消防員進入現(xiàn)場，能夠大幅度減少救援人員的傷亡。

2）余火監(jiān)控，提早發(fā)現(xiàn)復燃點。明火撲滅之后需要對余火進行清理，防止余火復燃，重新形成森林大火。當著火面積很大時，再加上林區(qū)條件復雜，可燃物多，人工進行余火監(jiān)控比較困難。并且余火十分隱蔽，通常只有青煙或者無煙，只有當余火逐漸燃燒，漸漸變成明火的時候，才能夠被人注意到。這個時候可能已經(jīng)重新形成森林大火，造成二次災害。無人機可以搭載紅外監(jiān)控和傳感器等設備在高空進行余火監(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，能夠直觀地看出火場熱值分布，標出較容易復燃區(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，降低余火復燃率，減輕余火清理難度。

3）災后調查，精確評估。森林火災發(fā)生過后，需要對實際的受災區(qū)域進行實地勘察和損失評估。受到地形條件的約束，人工勘察結果往往并不精確。利用無人機空中拍攝的照片,結合地理信息系統(tǒng)和GPS全球定位系統(tǒng),可確定火場的輪廓、面積、林木受損情況,為災后評估提供技術支持[25]。同時，無人機能夠輔助確定著火原因，提高災后事故調查效率。

2.4 無人機在林火防控中的局限

1）無人機環(huán)境監(jiān)測能力有待提高。目前，無人機沒有準確測量風速、風向和預警的功能，也不能對當前極端氣候發(fā)出實時警報。山區(qū)是森林火災的多發(fā)區(qū)，且地形復雜、環(huán)境多變，在森林火災的救援過程中，很有可能會因為環(huán)境的變化，出現(xiàn)一些突發(fā)情況。在林火的撲救工作中，無人機的作用主要局限在森林上空進行火情監(jiān)控，不具備監(jiān)測林火周圍環(huán)境變化（如風力、風向等）的能力。在四川涼山州木里火災救援過程中，就是由于無法預測的山中風向突變，導致“爆燃”發(fā)生，帶來無法挽回的損失和人員傷亡。

2）載重能力小。無人機在高原地區(qū)難以搭載足夠的滅火彈、水箱等滅火器具，以實現(xiàn)無人化的林火處置。高原地區(qū)發(fā)生森林火災時，一般需要依靠消防員背負消防器具到達火災現(xiàn)場，對消防員的體力消耗較大，耗費救援時間，增加了救援難度。

3）續(xù)航時間較短。目前應用最廣泛的多旋翼無人機主要是靠鋰電池供電，而鋰電池無法做到100%均衡充電和放電，功率大的電池的充電時間又比較長。這些是限制無人機續(xù)航時間的主要因素。進行通信中繼的無人機更需要長時間的續(xù)航能力。在高原地區(qū)，氧氣稀薄，無人機的效率會大幅度下降，在4000 m海拔的高原上最多能夠飛行50 min。

固定翼無人機在高空盤飛，抗風能力有限又會影響到載人飛機的作業(yè)。小型系留式無人機雖然可以連續(xù)滯空24 h，但是目前其工作高度最多達300 m，無法擔任高海拔地區(qū)的林火防控工作。

4）抗干擾能力有待提高。無人機在進行火災救援工作時，容易受到現(xiàn)場其他救火設備的電磁干擾而發(fā)生墜機事故或者不能夠正常使用，影響救援，增加火災撲救損失。無人機依靠控制器（遙控器）進行數(shù)據(jù)傳輸、通信，本身具有一定的抗電磁干擾的能力，但是超過抗電磁干擾的限值，就會導致無人機控制失靈。

3 林火防控中無人機發(fā)展趨勢

未來的無人機林火防控中，應結合無人機技術的發(fā)展，在火災環(huán)境信息監(jiān)測、無人機與消防員協(xié)同作戰(zhàn)以及無人機與載人直升機協(xié)同作戰(zhàn)等方面不斷積累經(jīng)驗，發(fā)揮無人機在林火防控全過程的優(yōu)勢。

1）提高環(huán)境監(jiān)測能力。無人機執(zhí)行林火偵查任務過程中，檢測環(huán)境（風力、風向、溫度等）變化情況，并能夠將風速變化情況實時傳遞給地面工作人員，預估森林火災的演變趨勢，提前發(fā)現(xiàn)異常情況，輔助救援人員科學決策，減少人員傷亡和財產損失。

2）提高無人機的續(xù)航性能，尤其是在高原地區(qū)惡劣的工作環(huán)境中，為進行中繼通信的無人機提供長時間的續(xù)航能力，以確保無人機能夠更好地執(zhí)行林火防控任務。

3）具備滅火器具和滅火彈投送功能，與消防員協(xié)同工作。在高原地區(qū)，由于空氣稀薄，撲火隊員爬山非常吃力，再攜帶滅火器具，會更加困難。采用無人機進行器具投送，可以有效降低消防員的勞動強度。對于確定無人的小型火點可以直接用無人機投放滅火彈。

4）與載人直升機協(xié)同工作，取長補短，共同發(fā)揮作用。直升機負載能力強，續(xù)航里程長，但在森林火災發(fā)生時，空中的能見度會降低，載人直升機無法確定火災的具體情況。無人機能夠搭載攝像設備和影像傳輸設備進行火情偵察和傳輸，可以彌補載人直升機的缺陷。因此，多機種相互協(xié)同，取長補短，將大幅度提高林火撲救效率，降低人員傷亡。