关于无人机在森林防火监测方面的探究

2014-07-03崔新宇刘艳萍

科技与创新 2014年7期

崔新宇　刘艳萍

摘要：目前，我国使用无人机对森林火情进行监测、预警还停留在初始阶段。使用无人机系统检测森林火情，可以充分利用无人机的全自动性，将图像实时显示在计算机上，计算机通过识别确定其是否为火点，并进行精确的火点定位。

关键词：无人机；遥感；森林；防火

中图分类号：S762.6 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）07-0128-03

近年来，我国不断加大对森林防火的投入，但森林防火还停留在运用卫星进行资源普查和森林火场监视的基础层面，使用无人机系统对森林火情监测也只停留在初始阶段。当前，我国无人机产业不断进步，随着无人机市场的不断扩大和配套服务设施的日益完善，我国已经有能力利用无人机为国民经济建设服务，无人机将迎来它的春天。鉴于我国高原、山区面积占国土总面积的70%，森林资源多集中在广袤的山区，交通条件较差，人、车到达困难等情况，无人机较有人机而言，具有使用成本低、易于部署、方便、快捷等优势。

因此，将无人机系统应用在森林防火监测中，有助于提早发现森林火情，及时掌握火情信息，迅速部署防火力量，变有灾为无灾、变大灾为小灾。为了达到自动预警的目的，对森林进行全面的监测，提高防火、救灾的能力，减小森林火灾造成的危害是势在必行、刻不容缓的。

1 无人机

1.1 无人机发展简史

无人驾驶飞机又被称为无人机，它是一种有动力、可控制，由无线遥控设备或设定的自身程序进行操纵控制，能携带多种设备，执行多种任务，并能重复使用的无人驾驶航空器。与有人驾驶飞机相比，它具有结构简单、飞行稳定、使用成本低、使用安全、对环境要求低等优点。1917年，英国人研制成功了世界上第一架无人机，此后的40年便发展缓慢，到20世纪60年代其研制的步伐又开始加快。迄今为止，世界上已研制出几百种型号的无人机，并不断加大对新兴无人机的投入力度。随着空气动力学、自动控制、自主导航、计算机技术、遥感技术等领域的发展，无人机的发展取得了重大突破。进入21世纪以来，随着无人机在军事方面的应用不断成熟和现代信息技术的快速发展，无人机与现代信息技术相结合，在非军事领域的应用也越来越受到人们的关注。

1.2 无人机技术

无人机的应用技术，即根据森林防火的需要搭载相应的设备，比如高清CCD数码相机、多光谱成像仪、红外扫描仪等，具有成本低、能源消耗少的特点，尤其是具备多功能可重复使用等技术优势，减轻了人员风险，节约了人力、物力。近年来，无人机遥感技术不断进步，并在多领域取得了突破性的发展。无人机遥感的高时效、高分辨率等性能优势备受使用者的青睐，这大大扩大了应用范围和用户群，具有广阔的应用前景。无人机遥感在森林调查中主要应用在林火监测工作中。无人机加载相应的遥感设备，可以实现对林区的全天候监测，及时进行火情预警、报告火情信息，以便及时展开行动，将财产损失和人员伤亡降到最低。用于森林监测的无人机可按地面控制人员划定的路线进行空中巡查，实时将空中获取的影像数据等传回地面控制站，地面控制站进行处理分析后传给林火消防部门。对于可疑区域，地面控制人员通过遥控无人机的飞行状态和改变飞行轨迹，对目标区域进行详细侦查。对已经发现火情的地区，要部署无人机进行实时监控，森林消防部门迅速组织灭火队伍，提高灭火效率，减少人员伤亡，减少财产损失。

例如作为微型无人机的多轴飞行器，它利用多个旋翼作为飞行引擎来进行空中飞行，它的重量较轻，不受较大机翼的限制，具备自主起飞和降落的优势。多轴飞行器利用相应的机载遥感设备使图像显示在计算机上，通过识别系统确定是否为火点，并进行精确的火点定位。多轴飞行器技术迅速发展，不存在过多技术壁垒和限制，将它应用于森林防火中，可以及时获取火场信息，将林火的发展动态实时传回地面控制系统中，为地面扑火指挥提供可靠信息。

2 我国森林防火的形势和市场需求

2.1 我国森林防火的形势

森林在生长发育过程中常遇到各种自然灾害，而林火带来的危害是最严重的。森林是人类不可缺少的一部分，它不仅为人类的生存提供了必要的木材和各种林副产品，同时，还为人类和野生动物的生存提供了良好的环境保障。目前，我国拥有森林面积约2.08×107 hm2，森林蓄积量为1.513 7×109 m3，森林覆盖率为21.63%，平均每年发生森林火灾一万多次，年均受害森林面积有几十万至上百万公顷。我国地大物博，拥有丰富的林业资源，但与丰富的森林资源形成对比的还有多发、频发的森林火灾，给我国宝贵的森林资源造成了巨大的损失。从小处着眼，森林火灾严重影响了人民群众的生命、财产安全，影响生态环境，影响我国可持续发展战略的实施；从大处来看，林火救援不力将严重影响我国社会的和谐、稳定，影响我国在国际社会中的声誉。

因此，国家向来十分重视森林防火工作。森林防火事关人民群众身体健康和财产安全，事关森林安全和社会稳定，事关林业发展和社会主义现代化建设。森林火灾是一种易造成巨大损失、扑救难度大的自然灾害，所以，我们必须要未雨绸缪，防患于未然。

如果进行实地调查，一般要花费大量的人力和物力，尤其在经济发达地区的南方集体林区，如果要进行调查，劳动强度极大。特别是在有火源的地方进行传统的调查、监测更是一项危险的工作。而有人驾驶飞机拍摄的航空图像，大多数时候不能满足高精度、高分辨率的要求，尤其是易受环境影响，不容易获取高分辨率图像。有人驾驶飞机只能满足大面积监测的需要，对小区域林区来说，极易造成资源的浪费，有时也不能满足定点观测的需要。而无人机遥感技术解决了这方面的需求，可根据地面控制人员的要求，按预先设计的飞行路线和飞行高度，对目标区域进行中低空侦察，如果有需要，还可进行近距离抵近观测。由于在多数情况下可见光波段就可满足要求，无人机只需装载相应设备即可，这样做既减轻了无人机的载荷，又便于在环境复杂的林区起降。

2.2 我国森林防火的市场需求

中国地域辽阔，地形复杂，气候多样，森林火灾时有发生，如何解决森林防火的问题，已成为林业工作的当务之急。现代森林防火是以科学发展观为目标保护林业资源和森林生态系统，以实现林区的生态管理和森林的高效可持续发展，使社会、经济与生态、环境相协调。因此，将无人机应用于森林防火监测中，有助于及时发现林火（特别是初火和引火），做到早发现、早预报，迅速组织防火队伍，变有灾为无灾，变大灾为小灾。

从20世纪50年代起，我国无人机发展距今已有几十年的历史，先后研制出多种无人机。从市场总体需求分析，根据美国等先进国家的经验，按数量计算，民用无人机的市场需求占总需求的12%，微小型无人机占69.5%；按价值量计算，中长空航时、高长空航时无人机的市场需求总量占总需求量的60%.因此，立足于我国的防火形势和建设节约型社会的基本要求，中空长航时无人机和微小型无人机是较为合适的产品对象——上述产品的无人机平台技术不仅简单、成本较低，还可装载满足多样化需求的设备。

近几年来，我国在森林防火方面的需求日益增加，对森林资源保护的投入不断加大，先后运用卫星进行资源普查、森林火场监视等。综合以上几方面考虑，无人机森林防火具有无限的市场潜力。

3 无人机应用的价值、意义和效益

3.1 科学价值和意义

由于森林火灾具有人为性、多样性的特点，应用无人机于森林防火中具有使用成本低、快速部署、操纵方便、功能多样化等优势。此外，无人机系统在林区上空监测时具有快速、实时巡查的能力，尤其是在人、车无法到达的地区进行林火侦测时，无人机就显示出独特的优势。在对森林火灾进行监测和预防方面，它能克服复杂的天气和复杂的起降场地等困难，不存在人员安全的问题，可以达到甚至超过有人飞机的监测效果。无人机能进行多批次、不间断飞行，这得益于覆盖面积广、工作效率高、监控严密的飞行监控系统。此系统操作简单，指哪飞哪，好操作、易控制、便于回收，是森林防火人员的利器。如果对其加载设备进行升级，便可执行夜航任务，能随时执行林火侦察和火场探测任务。这样就可以让消防指挥人员及时部署消防队伍，实时了解火场态势和灭火效果，对重点区域进行防范，及时扑灭明火，消灭暗火。

森林火灾破坏性强，不易被发现，所以，及早发现火情并扑灭林火具有重要的意义。目前，我国用于森林防火的监测系统尚不健全，传统有人机在低空飞行的管制较为严格，消防覆盖面不广，能耗较大，不具备夜航和在浓烟或浓雾环境中飞行的能力。此外，还存在政府机构权责不清、火场通信不畅等问题，远不能满足实际工作的需要。作为现有林业监测手段的有力补充，无人机能做到“快、全、细”，显示出智能化和信息化。无人机的成本相对低廉；维护成本更是低于有人机；培养专业人员的费用也较有人机低；除了控制电路的脚本语言撰写需要专门的人员编写外，其他部分都容易量产。从我国的国情和防火形势看，用于森林防火的无人机将得到长足的发展。

3.2 社会与经济效益

林业资源对维护生态平衡意义重大，它不仅为人类提供了必要的木材，还为人类提供了良好的生存环境，在保持社会稳定和促进社会主义发展有着不可或缺的作用。因此，将无人机应用到森林防火监测工作中，不仅有利于维护林业安全，也会给经济与社会的可持续发展带来巨大效益。利用多轴飞行器既可以大大减少支出，降低成本，也可以降低森林火灾的发生率，保护大批森林资源，进而惠及普通百姓。同时，该产品的目标用户群主要是森林消防部门，无人机的优势显而易见，甚至在生活中对它也有较大需求。虽然，我国无人机应用于林火监测方面还处于初始阶段，尚未形成规模，但随着无人机技术和空气动力学、自动控制、自主导航、遥感技术等领域的不断发展，它可以大大推动我国森林防火工作，保护林业资源，为保持生态平衡作出贡献。

与此同时，运用无人机可以在很大程度上避免人工原始瞭望的局限性，实现林区监测的科学化和信息化，从而大大减少相关部门的人力、物力、财力，节约成本，提高林区管理的经济效益。

无人机飞行在林区上空，还可以对林区的动植物资源进行及时而准确的监控，甚至可以将无人机技术用于森林病虫害的防治、珍贵野生动植物的保护等工作中。无人机的应用有利于保护自然资源，保护生态环境；有利于发展林业，维护林区、社会的安定，进而优化环境，促进人们生活全面、健康、协调发展；有助于构建环境友好型社会，实现可持续发展。

4 无人机在我国森林预警中的应用的建议

4.1 推进无人机相应技术开发

随着无人机技术的不断开发和日益成熟，无人机被越来越多地应用于气象、监测、林业、农业等诸多行业中，并在空气动力学、自动控制、自主导航、遥感技术等领域取得了重大突破。比如我国在2008年的汶川地震灾害和2011年的云南盈江地震灾害发生后，装载有无人机监测系统的无人机赶赴灾区，获取了第一手的影像数据资料，为指挥救援和灾后财产受损评估等提供了宝贵的资料。

随着我国综合国力的日益增强，国家和政府高度重视科学技术的应用，不断加大对高科技手段的投入，无人机技术的发展和应用也得到了前所未有的发展。我国无人机的发展始于20世纪50年代，虽然起步晚，但进步相当快。20世纪末，西北工业大学、北京航空航天大学和南京航空航天大学的无人机研究迅速发展，并成立了专门机构进行研究，相继研发出具有国有知识产权的几十种型号、上千架无人机，比如“长空一号无人机”“长空二号无人机”“无侦五无人机”等。进入21世纪，我国已有大约300多家机构生产无人机。但是，我国无人机发展还停滞在初始阶段，批量化生产较少，目前只能满足用户的特殊订制要求或用户自己进行相应的技术开发。由此看来，无人机技术的开发与应用还有巨大的潜力和广阔的发展空间。

就无人机的用途来说，大多数人认为无人机仅应用于现代战争中，殊不知，无人机与我们的生活息息相关，拥有广阔的发展前景。比如在森林防火方面，在人员不能到达的偏远山区或发生火灾消防人员暂不能判明火势时，无人机将会发挥极大的作用。目前，无人机在美国民用领域的应用已经非常普遍，我国虽有成功的案例，但还未大范围普及使用，尤其我国使用无人机系统对森林火情监测还处于初始阶段。当前我国的监测体系尚不健全，火场通信联络不畅，防火道网密度过低，森林航空消防覆盖面不广，机源紧缺，缺乏夜航和低能见度条件的飞行能力，远不能满足实际的工作需要。

与有人驾驶飞机相比，用于森林防火的无人机不需要多人维护，只需几名人员即可完成日常任务。其适应性比有人驾驶飞机更好，可以很好地适应我国林业相对复杂的作业环境，能够深入到人员不能到达的偏远复杂危险区域进行侦察。无人机更易于部署，易于拆卸、组装、运输和部署。其成本低，便于大规模采购和部署，是无人机用于森林防火的关键原因之一。另外，无人机森林防火预警系统可配备给一线消防队伍，将无人机在中低空获取的图像实时传输到地面接收系统，一线消防队伍可根据收到的图像和数据进行分析、处理，以提高消防部队的灭火效率，减少人员伤亡。无人机可对消灭明火的林区进行空中监测，及时发现潜在的危险，有效防止火灾复燃。

总之，加强无人机森林防火技术的开发，将大大促进我国森林防火工作的有序进行。

4.2 加强队伍建设

无人机森林防火工作要想顺利开展，就要加强队伍建设，以保障日常任务的顺利进行。由于我国民用无人机的发展尚处于起步阶段，而有效开展森林防火工作又急需一批具备无人机驾驶和维护的专业人才，所以，应以政府部门为主，协助一些相关部门积极开展无人机队伍建设、人员培训、制度建设等工作，迅速形成生产力，从而为森林防火、气象监测、资源勘查和监测等提供有效的服务。

无人机队伍建设可分为两组进行：一组是无人机小组，负责无人机的操控、控制和维护，三四个人即可；另一组是无人机摄影数据处理小组，负责对无人机传输图像进行处理。所有人员都要进行一系列的正规培训，并学习相关的知识，培训合格后才可上岗。队伍建设离不开规章制度——只有好的规章制度，才能使无人机迅速形成生产力，为森林防火提供有效服务。同时，国家政府部门应出台相应的无人机岗位职责和规范，为队伍建设添砖加瓦。

5 讨论

通过探究发现，无人机在森林防火中的具体应用是完全可行的。任何新技术的诞生都符合社会发展的需要。在新技术的使用方面，森林消防部门要勇于接受新技术，使用新技术，这是森林防火的需要，更是社会主义现代化建设的需要。但要想让其发挥更大的作用，仍有一些问题需要解决：①无人机应改善升降技术，提高抗风性能，增加续航时间。在森林防火监测中，解决好升降技术问题，降低大型无人机对升降平台的要求，提高抗风性能，保证飞行的稳定性，增强无人机的续航时间，这是无人机在森林防火中亟待解决的关键问题。②在森林防火调查中，要根据监测的图像、数据进行分析，但精度可能会受限制，同时效率也不高。无人机航片分辨率取决于设备，利用无人机影像的高分辨率优势将对森林防火起到事半功倍的作用。同时，国家还要促进开放低空空域，完善飞行器的管理，保障森林防火工作的正常进行。

总之，将无人机部署到人、车无法到达的偏远地区，这样可以及时发现森林火情，迅速掌握林火态势和各种需要的信息。作为现有林业监测手段的有力补充，无人机能做到“快、全、细”，以争取侦查工作的主动权。无人机显示出有人机无法比拟的优越性，在森林防火监测中必将被广泛应用。

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