楊 蘭 孟凡燁

(國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

根據(jù)全國綠化委員會(huì)辦公室發(fā)布的《2019年中國國土綠化狀況公報(bào)》顯示，2019年我國共完成造林706.7萬公頃、森林撫育773.3萬公頃，種草改良草原314.7萬公頃。截至目前，全國森林覆蓋率達(dá)22.96%，森林面積達(dá)2.2億公頃。但樹木的生長發(fā)育周期短則兩至三年，長則可達(dá)數(shù)十年，在森林大火襲擊后短時(shí)間以內(nèi)難以復(fù)原。如果森林火災(zāi)在一定區(qū)域內(nèi)多次發(fā)生，森林中的動(dòng)物、植物資源將受到毀滅性的打擊，森林的荒蕪化成為必然趨勢(shì)，森林中的生態(tài)平衡將遭到巨大破壞。為此，森林火災(zāi)的防控是森林保護(hù)工作的重要組成部分之一。

2019年，全國共發(fā)生森林火災(zāi)2345起，其中重大火災(zāi)8起、特大火災(zāi)1起，受害森林面積達(dá)135.05km2，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(shì)[1]。2019年，受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，全球森林火災(zāi)多發(fā)高發(fā)。我國部分地區(qū)也遭遇了50年不遇的極度干旱，高溫大風(fēng)干雷暴等極端天氣明顯增多，森林火災(zāi)形勢(shì)十分嚴(yán)峻。因此，森林防火形勢(shì)十分嚴(yán)峻，如何提高森林火災(zāi)防控水平成為我國林業(yè)建設(shè)工作亟待解決的問題[2]。

1 國內(nèi)外林火防控技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 護(hù)林員巡檢與觀測(cè)塔

依靠人工與觀測(cè)塔是國內(nèi)外比較常見的森林火災(zāi)防控手段。在一些國家和地區(qū)，仍需要依靠護(hù)林員與觀測(cè)塔等手段對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行防控。護(hù)林員可借助摩托車、越野車等工具進(jìn)入森林進(jìn)行巡檢。但是，護(hù)林員在巡檢過程中受到林木嚴(yán)重阻礙和遮擋，影響視線，只能看到一定區(qū)域內(nèi)的情況，并且護(hù)林員巡視花費(fèi)時(shí)間較多，工作量大，但是效率低下，難以實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)傳輸，森林中作業(yè)難度較大，護(hù)林員也很難到達(dá)一些危險(xiǎn)的區(qū)域。如果遇到突然發(fā)生的森林大火還可能造成護(hù)林員的傷亡。而觀測(cè)塔只能觀測(cè)一定的范圍，存在觀測(cè)死角，且對(duì)后期的維護(hù)要求較高。觀測(cè)塔如圖1所示。

圖1 觀測(cè)塔

1.2 衛(wèi)星遙感

森林火災(zāi)中利用衛(wèi)星遙感防控技術(shù)主要是通過衛(wèi)星圖中發(fā)生火情的位置與周圍的區(qū)別來識(shí)別火災(zāi)。國外衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林火災(zāi)防控方面起步較早，美國NASA可識(shí)別全球范圍的森林火災(zāi)或識(shí)別指定區(qū)域內(nèi)的森林火災(zāi)，還可監(jiān)控森林火災(zāi)面積以及溫室氣體排放量。近年來，通過極軌衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)是我國目前針對(duì)森林火災(zāi)防控的衛(wèi)主要手段，雖然衛(wèi)星用于森林火災(zāi)防控監(jiān)控范圍廣、對(duì)于突發(fā)的森林火災(zāi)識(shí)別率高，但由于空間分辨率較低、受天氣及云層的影響較大、無法全天候防控、防控實(shí)時(shí)性差等缺陷制約了衛(wèi)星遙感技術(shù)在森林火災(zāi)防控方面的發(fā)展[3]。

1.3 飛機(jī)防控

應(yīng)用飛機(jī)進(jìn)行森林火災(zāi)防控是較為有效的森林火災(zāi)防控手段，可分為兩種方式，一種是傳統(tǒng)的飛行員駕駛飛機(jī)巡檢防控，另一種是無人飛機(jī)巡檢防控。傳統(tǒng)飛機(jī)巡檢主要依靠人工觀測(cè)森林火災(zāi)情況，優(yōu)點(diǎn)是火災(zāi)發(fā)生時(shí)可裝載滅火材料直接噴灑滅火。我國現(xiàn)在多采用直升機(jī)用于森林火災(zāi)防控，機(jī)型主要為M-26、K32等。但是，森林火災(zāi)防控面積較大，人工駕駛的成本難以控制，發(fā)生意外時(shí)，飛行員的人身安全將受到威脅。在我國森林火災(zāi)防控的現(xiàn)實(shí)情況下，相比人工駕駛，無人機(jī)更具優(yōu)勢(shì)，其已受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。部分省市地區(qū)充分發(fā)揮小型無人飛機(jī)機(jī)動(dòng)靈活、操作簡單等特點(diǎn)，將無人機(jī)作為森林火災(zāi)防控的主要發(fā)展目標(biāo)，己經(jīng)取得了良好的防控成效，并將無人機(jī)與計(jì)算機(jī)視覺識(shí)別技術(shù)結(jié)合，使森林火災(zāi)防控得到了迅速發(fā)展，判別火災(zāi)的準(zhǔn)確率也得到大幅的提高。K32型直升機(jī)如圖2所示。

圖2 K32型直升機(jī)

2 森林火災(zāi)中應(yīng)用無人機(jī)存在的優(yōu)勢(shì)

2.1 火情偵察

森林火災(zāi)多發(fā)生在地貌復(fù)雜的森林山區(qū)，山區(qū)較為復(fù)雜的地貌使得通訊信號(hào)難以發(fā)出，如果在森林火災(zāi)情況難以查明的條件下貿(mào)然派遣人員進(jìn)入火場，會(huì)增加防控工作人員的危險(xiǎn)性。因此，可以通過多旋翼無人機(jī)搭載攝像設(shè)備在高空進(jìn)行實(shí)時(shí)森林火災(zāi)情況偵察，并將拍攝圖像結(jié)合計(jì)算機(jī)視頻識(shí)別技術(shù)，分析森林火災(zāi)現(xiàn)場情況，制訂救援方案，再由防控工作人員進(jìn)入現(xiàn)場，將出現(xiàn)人員傷亡的幾率降至最低[4]。

2.2 余火監(jiān)控

在森林火災(zāi)中，當(dāng)明火被撲滅之后，防控人員還需要對(duì)清理余火，防止復(fù)燃造成不必要的損失。當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)的面積比較大的時(shí)候，由于林區(qū)的復(fù)雜地貌，堆積的可燃物較多，采用人工排查的方式進(jìn)行余火監(jiān)控耗時(shí)耗力。通常情況下余火只有少量青煙甚至無煙，難以通過肉眼進(jìn)行辨別，而當(dāng)余火逐漸燃燒，漸漸變成明火的時(shí)候，可能已經(jīng)重新形成二次森林火災(zāi)[5]。多旋翼無人機(jī)可以通過紅外傳感器等設(shè)備識(shí)別余火，溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過處理與森林火災(zāi)發(fā)生位置地形圖疊加，標(biāo)出可能存在余火的位置，使得余火清理變得高效、便捷。

2.3 災(zāi)后調(diào)查

發(fā)生森林火災(zāi)后，需要對(duì)森林火災(zāi)的發(fā)生區(qū)域進(jìn)行評(píng)估。由于地貌條件一般比較復(fù)雜，人工評(píng)估結(jié)果普遍精確度較低。利用多旋翼無人機(jī)則可以在空中進(jìn)行拍攝,輔以GPS定位系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)視頻識(shí)別技術(shù),可對(duì)森林火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的輪廓、面積、森林受損情況進(jìn)行計(jì)算,為災(zāi)后評(píng)估提供技術(shù)支持，并且還能夠分析森林火災(zāi)原因，加快森林火災(zāi)調(diào)查進(jìn)度。

3 森林火災(zāi)中多旋翼無人機(jī)的主要應(yīng)用分析

3.1 關(guān)于森林火災(zāi)情況的調(diào)查

森林火災(zāi)損失大，但由于著火點(diǎn)隱蔽性高，夜間林火難以發(fā)現(xiàn)，因此早發(fā)現(xiàn)、早撲滅在森林火災(zāi)防控工作中就具有重要意義。多旋翼無人機(jī)的“快、全、細(xì)”特點(diǎn)，發(fā)揮出了其智能化和信息化的優(yōu)勢(shì)。在裝配前視紅外儀、高分辨率相機(jī)、攝像機(jī)等設(shè)備的同時(shí)還配有圖像傳輸裝置，可在森林區(qū)域執(zhí)行長時(shí)間防控任務(wù)。發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，多旋翼無人機(jī)可進(jìn)入森林火災(zāi)現(xiàn)場作業(yè)，利用裝配的設(shè)備和影像傳輸裝置完成偵查和火災(zāi)探測(cè)，將森林火災(zāi)信息發(fā)送給防控工作人員，指明森林火災(zāi)發(fā)生的位置信息以及火災(zāi)情況，有助于森林火災(zāi)防控并及時(shí)撲滅林火，提高滅火效率，降低森林資源損失與人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡[6]。

3.2 森林火災(zāi)預(yù)防

多旋翼無人機(jī)除了用于森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)的防控工作，還可用于監(jiān)測(cè)森林中的可燃物堆積情況和氣象資料，監(jiān)測(cè)林區(qū)的可疑火源等。這些信息將大大提高森林火災(zāi)險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性。

3.3 森林火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

以多旋翼無人機(jī)為平臺(tái)，結(jié)合可裝配的各種模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)森林火災(zāi)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)實(shí)際情況，多旋翼無人機(jī)上可裝配有攝像機(jī)、實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)和GPS等裝置，將實(shí)時(shí)拍攝的森林火災(zāi)圖像經(jīng)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)傳送給計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，并將拍攝時(shí)的位置信息和多旋翼無人機(jī)的角度等信息一同傳輸。接收到多旋翼無人機(jī)傳輸信息的地面工作站則對(duì)圖像及位置信息進(jìn)行分析，找到森林火災(zāi)的位置并能夠了解初步情況。在實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)保持通訊良好的狀態(tài)下，多旋翼無人機(jī)與地面工作站可以進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，當(dāng)?shù)孛婀ぷ髡痉揽厝藛T可向多旋翼無人機(jī)發(fā)出不同方案的飛行命令時(shí)，則可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)發(fā)展情況。

4 森林火災(zāi)中應(yīng)用多旋翼無人機(jī)的局限性

雖然多旋翼無人機(jī)在森林火災(zāi)防控工作中展現(xiàn)出了廣闊的前景，國內(nèi)外研究者們也做了大量研究，多旋翼無人機(jī)在森林火災(zāi)防控方面的實(shí)用性得到了極大的提高，但平穩(wěn)性、抗震性、載荷能力、續(xù)航時(shí)間、多傳感器融合技術(shù)、獲取的圖像質(zhì)量等方面的問題仍然制約了多旋翼無人機(jī)的發(fā)展。風(fēng)力對(duì)多旋翼無人機(jī)在飛行作業(yè)時(shí)影響較大，大風(fēng)天氣時(shí)多旋翼無人機(jī)穩(wěn)定性較差。在進(jìn)行森林火災(zāi)現(xiàn)場監(jiān)控時(shí)，由于氣流紊亂等原因，多旋翼無人機(jī)的有效性及飛行安全性均是目前亟需解決的問題。

5 多旋翼無人機(jī)林火防控未來的發(fā)展趨勢(shì)

未來的多旋翼無人機(jī)林火防控中，應(yīng)結(jié)合多旋翼無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在森林火災(zāi)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、多旋翼無人機(jī)與地面人員配合以及多旋翼無人機(jī)與載人直升機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)等方面不斷積累經(jīng)驗(yàn)，發(fā)揮無人機(jī)在森林火災(zāi)防控的巨大優(yōu)勢(shì)。

多旋翼無人機(jī)的續(xù)航能力需要大幅提高，尤其是在森林區(qū)域的復(fù)雜地貌條件下，保證多旋翼無人機(jī)的續(xù)航能力，使得多旋翼無人機(jī)能夠在指定區(qū)域執(zhí)行林火防控任務(wù)。

為無人機(jī)裝配滅火器具，并加裝滅火彈投送功能，與地面人員配合。森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，人員行進(jìn)困難，再攜帶滅火器具，嚴(yán)重影響了滅火進(jìn)度。而采用多旋翼無人機(jī)進(jìn)行投送，可以減少地面人員的體力消耗，而對(duì)于無人的森林火災(zāi)則可以直接投放滅火彈。