梁 寧，袁新利，劉曉東

（河北小五臺山國家級自然保護區(qū)管理局，河北 張家口075700）

森林是以喬木為主體的生物群落，是由集中的喬木與其他動物、植物、微生物和土壤之間的相互依賴性以及與環(huán)境相互作用形成的整個生態(tài)系統(tǒng)。它物種豐富、結(jié)構(gòu)復雜、功能多樣，被稱為“地球之肺”。森林與其所處的非生物環(huán)境有機地結(jié)合在一起，形成一個完整的生態(tài)結(jié)構(gòu)。森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，也是全球生物圈的重要組成部分。它是地球上的基因庫、碳庫、水庫和能量庫，是人類生存和發(fā)展的重要資源來源和可依賴的環(huán)境。

自地球上的森林出現(xiàn)以來，森林火災就伴隨發(fā)生。世界上每年森森火災超過20萬次，燒毀森林面積占世界森林總面積的1‰以上。在我國，火災嚴重的時候每年平均發(fā)生1萬多起森林火災，燒毀森林幾十萬至上百萬公頃，約占全國森林面積的5‰～8‰。

亞馬遜雨林森林火災不僅燒毀和燒傷樹木，而且直接減少了森林面積，嚴重破壞了森林結(jié)構(gòu)和森林環(huán)境，導致森林生態(tài)系統(tǒng)失衡，森林生物量下降，生產(chǎn)力減弱，益獸益鳥減少，甚至造成人類和動物的傷亡。實際上，近年來，野火在各個大洲肆無忌憚地燃燒著。2019年6月份，美國加州大火，燒毀林地890 hm2；2019年7月份，寒冷北極圈內(nèi)的野火竟然超過100處。

1 森林防火監(jiān)測方法介紹

傳統(tǒng)的森林防火方法包括4種：地面巡邏、塔觀測、衛(wèi)星遙感和飛機巡邏。地面巡邏，依靠地面人工巡邏來探測森林火災，耗時耗力，效率低下；塔俯瞰，依靠森林保護工作人員在塔上觀察，以探測森林火災，觀察范圍有限，勞動力密集；衛(wèi)星遙感依賴于地球衛(wèi)星的遙感圖像來檢測和分析森林地區(qū)的森林火災，這種方法成本高，并且由于衛(wèi)星遙感圖像尺度相對宏觀，不可能及時發(fā)現(xiàn)和準確定位森林火災點，容易錯過報告，延誤撲滅火災的時機；飛機巡邏，雇用直升機或?qū)I(yè)飛行員駕駛的小型飛機進行飛行偵察，費用高，不適合日常高頻飛行、偵察。

隨著無人機技術(shù)的創(chuàng)新和普及，其精準、直觀、全面的火場分析數(shù)據(jù)的特點，使無人機進行森林防火巡查已經(jīng)成為趨勢。因此，通過無人機任務規(guī)劃功能，采用無人機抵近偵查及折線型和往返型的偵查方式對森林進行巡檢。因無人機載荷偵查覆蓋面積較大、偵查圖像質(zhì)量高及航程時間較長等特點，在對森林巡檢過程中可以降低巡檢任務的人工消耗和成本，有效提高森林巡防效率。無人機技術(shù)產(chǎn)生以來，世界各國紛紛將無人機技術(shù)應用于森林火災的監(jiān)控和救災工作當中，并且收獲了理想的效果[1]。

2 無人機概念和技術(shù)優(yōu)勢

2.1 無人機的概念

在許多人看來，無人機是一種新興事物，然而無人機的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了漫長的歷史。無人機是無人駕駛飛機的簡稱（Unmanned Aerial Vehicles），是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置的不載人飛機，包括無人直升機、固定翼機、多旋翼飛行器、無人飛艇、無人傘翼機。從某種角度來看，無人機可以在無人駕駛的條件下完成復雜空中飛行任務和各種負載任務，可以被看作是“空中機器人”。

2.2 無人機的優(yōu)勢

森林火災很多時候都猝不及防，它具有人為性和多樣性的特點。在消防救災中，結(jié)合無人機回傳的實時圖像和紅外熱成像信息，通過空中對復雜地形和復雜結(jié)構(gòu)建筑進行火災隱患巡查、現(xiàn)場救助指揮、火情偵測及防控成為森林消防新的選擇。

調(diào)查火災現(xiàn)場的受災情況是一件非常危險的行動,在將地面救災人員派往現(xiàn)場之前，對火勢的評估至關(guān)重要。快速部署無人機巡查，并將火災現(xiàn)場的空中狀況傳送到地面指揮單位，為指揮單位提供第一手救災數(shù)據(jù)。

2019年3月底，北京密云、平谷地區(qū)突發(fā)森林火災，來自北京零度智控的ZT-3v復合翼無人機接到指令后迅速響應，飛抵火災現(xiàn)場上空偵察火情。據(jù)此次全程參與密云救災的零度智控董事長楊建軍介紹，在救災過程中，參與搶險的ZT-3v復合翼無人機為政府和決策機構(gòu)提供了大火初期、中期和末期的可見光、紅外視頻實時監(jiān)控，協(xié)助地面指揮工作部署安排。在山火救援工作中，ZT-3v無人機先搭載三軸30倍光電吊艙迅速起飛至火場上空，利用高空視角優(yōu)勢，第一時間將火勢蔓延情況的視頻實時傳送到指揮人員手中，協(xié)助指揮人員擬定最佳救援方案。這次無人機參與山火救災成為一個典型案例。

在森林防火行業(yè)，機種主要有固定翼和多旋翼兩種。由于固定翼無人機轉(zhuǎn)彎半徑大，起飛和著陸要求高，飛行高度高，而多旋翼無人機具有飛行靈活、現(xiàn)場適應性強、低空飛行、多重飛行模式，可實現(xiàn)路徑規(guī)劃自動飛行等優(yōu)點。同時，火災發(fā)生時會產(chǎn)生強烈垂直氣流運動，形成火場風，嚴重威脅無人機飛行安全。因此，無人機參與火災搶險要盡量選用動力強勁、結(jié)構(gòu)堅固的無人機裝備。多旋翼是最佳選擇。

在災后救援中，無人機可搭載紅外吊艙繼續(xù)執(zhí)行任務，深夜徹查復燃點，在火場一線上空持續(xù)巡查，防止重點區(qū)域死灰復燃。無人機確保了救援工作的安全,以航拍的形式，避免了可能發(fā)生塌方的危險區(qū)域,為合理分配救援力量，確定救災重點區(qū)域、選擇安全救援路線以及災后重建選址等提供了有價值的參考。

無人機防火監(jiān)測能做到“快速、完整、精細”。無人機按照既定的路線自主飛行，無須通信車跟隨，凸顯物聯(lián)網(wǎng)時代的智能化和信息化特點，且機動性更強，成本相對較低，能夠全天時、全天候、無死角地監(jiān)測林區(qū)，自動識別可疑人、車目標，對重點目標盤旋、跟蹤，轉(zhuǎn)角、變焦實施持續(xù)監(jiān)視。通過載荷系統(tǒng)使無人機具備在極端環(huán)境(煙、塵、霧)中，提供極佳的遠距離目標探測和識別能力，實時地監(jiān)測可燃物狀態(tài)，智能分析火災隱患，現(xiàn)時回傳數(shù)據(jù)報告可疑地區(qū)位置，為消防指揮部有效滅火提供數(shù)據(jù)支持。

3 無人機在森林防火中的應用

相比載人飛行器，無人機本身風險較小，使用成本較低,它們廣泛用于民用領(lǐng)域。在森林防火應用領(lǐng)域，主要有全天候火情監(jiān)測，火場態(tài)勢實時監(jiān)控，遠距離中繼通信，輔助應急救援等應用形式。

3.1 全天候火災監(jiān)測

固定翼無人機具有快速飛行和長飛行距離特點。通過裝載高分辨率可見光、紅外攝像機和其他偵察設備，固定翼無人機可以根據(jù)預定航跡進行森林區(qū)域空中巡查。一旦發(fā)現(xiàn)火情，則采用紅外和可見光兩種相機同時雙向進行比對、識別，并在發(fā)現(xiàn)火情后，將比對、識別結(jié)果回傳至地面站。通過定位的方法進行三維展示，以達到實時檢測，且實現(xiàn)所見即所得，即根據(jù)無人機拍攝的火情直接定位到火情發(fā)生的具體位置，并在三維地球上直觀展示位置結(jié)果，同時估算火場面積并通過拼接算法形成大面積火場態(tài)勢。這樣可以做到及時發(fā)現(xiàn)火情,并進行火情預警、報告火情信息，便于及時展開行動，將財產(chǎn)損失和人員傷亡降到最低。對于可疑區(qū)域，地面控制人員通過遙控無人機的飛行狀態(tài)和改變飛行軌跡，對目標區(qū)域進行詳細偵查[2]。

3.2 火災情況的實時監(jiān)控

多旋翼無人偵察機配備彩色CCD任務負載或紅外探測器，可在距地面500 m高度對地面火場進行懸停觀察，特別是當車輛和人員無法到達預定的偵察位置時，及時利用無人機快速飛抵火災現(xiàn)場，實時獲取火情信息，為撲火隊伍規(guī)劃最佳行進路線提供依據(jù)[3]。

無人機機體可配備風向、風速儀等設備，收集火場區(qū)域、火災燃燒程度、火場風向和風速等信息，以便輔助指揮員確定過火范圍、發(fā)展趨勢和蔓延方向。旋翼無人機主要用于近距離火災探測，采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性良好?，F(xiàn)下市面上的無人機多半只有25至30分鐘的續(xù)航力，韓國公司Meta-Vista成功研發(fā)出打破先前無人機飛行時間世界紀錄的機體，達到了12小時7分5秒的飛行時間，比以往記錄增加近3倍，顯示燃料電池的使用對提高續(xù)航力的重要性。

3.3 遠程中繼通信

森林地理環(huán)境復雜，山高林密，信號容易堵塞。利用具有中繼通信設備的無人機飛行平臺，可以保證通信鏈路暢通，并且可以快速建立覆蓋任務區(qū)域的指揮系統(tǒng)和通信系統(tǒng)。

建立起來的信息平臺不僅可以滿足各級指揮員的火場信息需求，也可實現(xiàn)現(xiàn)場單兵攜帶Pad共享林火動態(tài)信息的功能。由于目前無人機搭載功能有限，用于無人機機載的輕小型遠距離圖傳、數(shù)傳、語音中繼設備技術(shù)還不完善，還需進一步研發(fā)和集成[4]。其中，無人機的數(shù)據(jù)資源處理能力對森林防火監(jiān)測和火災撲救都有重要影響，如果數(shù)據(jù)資源處理能力偏低，會嚴重影響滅火效率。無人機的數(shù)據(jù)資源處理要做到對所有數(shù)據(jù)進行有效處理，因此要促進其終端設備性能的更新升級，并對機載有效性進行分析，結(jié)合無人機配件特征，處理森林防火業(yè)務。在引擎固定條件下，對傳輸數(shù)據(jù)應用技術(shù)加以完善，提高無人機的數(shù)據(jù)處理能力和傳輸效率[5]。

隨著5G商用時代來臨，無人機全新的應用場景正在出現(xiàn)。2019年3月31日，中國聯(lián)通在上海崇明島完成了面向商用的5G工業(yè)無人機中低空、超視距、高速飛行試驗。中國聯(lián)通研究院高級專家周曉龍介紹說：“這次試驗重點驗證了5G的中低空覆蓋、高速移動性、基站切換、邊緣計算協(xié)同等性能，是首次以正式商用為目標的5G工業(yè)無人機應用案例?！?G技術(shù)給無人機行業(yè)發(fā)展帶來的變化主要體現(xiàn)在5G的高帶寬和低時延兩大技術(shù)特點上，可滿足5G無人機實時操控和4K/8K視頻實時回傳，還能支持VR/AR技術(shù)，給用戶帶來超高清的體驗。

3.4 輔助應急救援

通過在無人機上集成航拍測繪模塊,可對火災現(xiàn)場的地形進行應急測繪，為滅火和救援提供強有力的支持。同時，可在無人機上集成語音、擴音模塊傳達指令，在復雜的火災環(huán)境中實現(xiàn)空中呼叫和指令傳輸，及時通知消防員撤離危險區(qū)域并提供疏散路徑。無人機可用于協(xié)助拋繩或攜帶關(guān)鍵設備（救生繩、呼吸器等），為消防員提供救生通道。隨著近兩年無人機技術(shù)的進步，無人機已從過去“只是空中偵察火情”升級為在火災搶險中能拼能打的“單兵”。目前，國內(nèi)已經(jīng)有3種物流無人機可以載重1.5 t以上，可以用于空中灑水或者滅火劑，提升了森林航空消防直接滅火的能力。

3.5 其他使用形式

目前，無人機在森林防火滅火中運用最多的仍為火場偵查和情報搜集，但也有一些新的嘗試，如運用無人機噴灑化學滅火劑形成阻火帶滅火、在指揮人員的操控下發(fā)射滅火彈輔助滅火、攜帶增雨焰條進行人工增雨等。根據(jù)目前的技術(shù)水平和應用手段，無人機與衛(wèi)星遙感、載人飛機巡護、地面瞭望塔和人工巡邏防護等監(jiān)測方法有效結(jié)合，形成空地一體化綜合監(jiān)測網(wǎng)絡仍是主要的發(fā)展趨勢[6]。

法國巴黎圣母院不幸遭到大火洗禮，矗立850年的尖塔被烈火吞噬，玫瑰花窗及2/3屋頂燒毀，全球民眾感到十分惋惜。在歷經(jīng)10多個小時的撲救后，大火被熄滅。行動中，借兩臺DJI無人機之力取得現(xiàn)場的熱成像數(shù)據(jù)，更有效率地協(xié)助救援任務。據(jù)當?shù)貍髅綀蟮?，消防人員在撲滅圣母院大火時使用了2臺DJI商用無人機，包括Mavic Pro（更像是Mavic 2行業(yè)雙光版）及Matrice M210，兩機均具備熱成像傳感器。它們協(xié)助救援人員在空中追蹤大火的蔓延趨勢及追尋火源。法國Libération報道，無人機捕捉的熱成像影像有助消防決定最有效地向哪個位置灌水，而且待在空中有利位置可指導救火。直升機的靈活性和成本都被無人機比下去。

4 無人機遙感技術(shù)

無人機遙感（Unmanned Aerial Vehicle Remote Sensing)，即利用先進的無人駕駛飛行器技術(shù)、遙感傳感器技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、通信技術(shù)、GPS差分定位技術(shù)和遙感應用技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、智能化、專用化快速獲取自然環(huán)境、森林火災災區(qū)等空間遙感信息，并可實時探測地面煙霧擴散分布情況，有效實施消防預警和現(xiàn)場偵測，為迅速、準確預防和處置災情提供精確指導。

5 無人機煙霧識別系統(tǒng)

無人機遙感圖像的煙霧識別系統(tǒng)是一種明顯優(yōu)于傳統(tǒng)森林防火方法的新型技術(shù)手段。無論在視線可見或是夜間、暴雨、高溫、臺風、泥石流等惡劣環(huán)境下，或是山岳、峽谷、溝壑等極端地理環(huán)境中，甚至是易燃易爆、塌陷、有毒等嚴重事故災害現(xiàn)場，高清相機、紅外成像都可以交替結(jié)合煙霧識別模塊第一時間發(fā)現(xiàn)火情，將森林火災扼殺在萌芽狀態(tài)，有效地規(guī)避傳統(tǒng)森林防火救援方式中存在的短板[7]。一般而言，巡視監(jiān)測的對象有火焰和煙霧兩個基本目標，因為在林火早期并不容易監(jiān)測到大量的火焰，煙霧卻是森林火災早期最顯著的視覺現(xiàn)象。“先有煙，后有火”，所以監(jiān)測煙霧能最早發(fā)現(xiàn)林火的可能性，更具有研究價值。近年來隨著無人機技術(shù)的發(fā)展和成熟，通過無人機遙感圖像進行自動煙霧識別成為森林防火的新型技術(shù)手段，其優(yōu)點在于費用低、效率高，自動識別林火前期的煙霧特征并進行預警處理[8]。

6 無人機在國內(nèi)外運用現(xiàn)狀

6.1 國外運用情況

2019年6月，土耳其政府在伊茲密爾鄭重舉行了試飛活動，由科達無人機擔當本次試飛活動的主角。通過科達無人機掛載的熱成像云臺攝像機，可以在數(shù)百平方公里的大范圍內(nèi)迅速定位起火點，判斷火災蔓延趨勢，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步回傳，為指揮中心科學調(diào)派資源，實現(xiàn)應急救援快速響應提供精準的圖像視頻依據(jù)。

6.2 國內(nèi)運用情況

工業(yè)無人機快速發(fā)展，在農(nóng)林等應用領(lǐng)域已成為重要的巡檢巡邏工具，但無人機的作業(yè)運用都是通過飛手操控來完成，在炎炎夏日飛手的長時間作業(yè)也是非常辛苦。另外，現(xiàn)如今專業(yè)的飛手人員招聘越來越難。因此，針對這樣的情況，上海復亞智能科技有限公司研發(fā)了全自動飛行系統(tǒng)，從而減少人員的投入，并且實現(xiàn)了無人機全自動自主作業(yè)的能力。復亞的方法是借助AI算法，讓無人機在飛行過程中，能夠?qū)崟r調(diào)整云臺姿態(tài)及拍攝參數(shù)，獲得精準清晰的拍攝畫面，并實現(xiàn)實時視頻回傳，協(xié)助開展火情判斷[9]。

7 無人機在森林防滅火運用中存在的問題

雖然無人機市場逐漸興起，產(chǎn)品應用得到認可，但是目前行業(yè)的發(fā)展還遠未成熟。具體來說，許多消防無人機并非真正的專業(yè)產(chǎn)品，而是簡單地改裝或直接使用消費無人機。換句話說，消防無人機行業(yè)還沒有一個相應的標準來對產(chǎn)品進行界定，缺乏規(guī)范性約束，導致產(chǎn)品品質(zhì)參差不齊。由于消費級無人機本身立足于航拍性能，一些消防無人機的偵查、巡查功能沒有什么問題，但是在更專業(yè)的檢測、滅火等環(huán)節(jié)，消防無人機還需要強化模塊配置能力，繼續(xù)完善相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。

8 討論與結(jié)論

可以預見，無人機在許多領(lǐng)域都將發(fā)揮著不可替代的作用。但值得注意的是，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，森林防火技術(shù)越來越先進，無人機要在森林防火工作中充分發(fā)揮重要作用，就需要對無人機系統(tǒng)進行不斷優(yōu)化和創(chuàng)新。就無人機系統(tǒng)本身而言，其未來發(fā)展方向應該是自身的不斷優(yōu)化。首先，解決無人機發(fā)動機的動力技術(shù)問題，太陽能發(fā)動機能有效利用能源，滿足長期避難無人機的需求，前景廣闊。其次，提高無人機的承載能力，加載更多設備，從而提高智能搜索能力。再次，增強相關(guān)數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)陌踩院涂煽啃裕岣邤?shù)據(jù)加密和抗干擾能力。然后，專注于軟件問題，寬帶和大數(shù)據(jù)量的傳輸是無人機的發(fā)展趨勢和必然要求。目前，無人機主要使用K u/K a頻段、C/X頻段和L頻段進行通信。最后還有，加快開發(fā)新型非金屬復合材料的步伐，減輕無人機的重量，增加靈活性。在產(chǎn)業(yè)推廣和行業(yè)管理方面，有必要解決無人機使用成本高，服務和管理系統(tǒng)不完善的問題，為中國新興無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造有利條件[10]。