無(wú)人機(jī)中低空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用分析

我國(guó)森林資源較為貧乏，森林覆蓋率約為13%左右，人均森林占有面積僅為世界平均值的1/6，但森林大火每年都有發(fā)生，如何解決森林防火的問(wèn)題，又成為林業(yè)工作的重中之重。目前，國(guó)外森林防火中應(yīng)用了較多的新技術(shù)和新設(shè)備，國(guó)內(nèi)在此方面的應(yīng)用需求也日益增加，對(duì)森林保護(hù)的投入逐漸加大，先后運(yùn)用衛(wèi)星進(jìn)行資源普查、森林火場(chǎng)監(jiān)視，而使用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)森林火情監(jiān)測(cè)則還是初始階段。

無(wú)人機(jī)中低空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有機(jī)動(dòng)快速、使用成本低、維護(hù)操作簡(jiǎn)單等技術(shù)特點(diǎn)，具有對(duì)地快速實(shí)時(shí)巡察監(jiān)測(cè)能力，是一種新型的中低空實(shí)時(shí)電視成像和紅外成像快速獲取系統(tǒng)。在對(duì)車(chē)、人無(wú)法到達(dá)地帶的資源環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)及救援指揮等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

林業(yè)是全國(guó)生態(tài)建設(shè)的主體，在保持經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中有著不可或缺的作用，在生物的進(jìn)化過(guò)程中起著巨大的作用。我國(guó)擁有森林面積1.75億公頃，森林蓄積量為124.56億立方米，森林覆蓋率為18.21%，既是森林資源大國(guó)，又是森林火災(zāi)多發(fā)國(guó)家。國(guó)家林業(yè)局防火辦提供的資料表明，1950年-2007年，我國(guó)平均每年發(fā)生森林火災(zāi)22566次，年均受害森林面積近97.75萬(wàn)公頃。為撲救林火耗費(fèi)了大量人力、物力和財(cái)力， 森林火災(zāi)對(duì)森林資源和生態(tài)環(huán)境的破壞所造成的損失難以估量。

因此，如何將高科技手段應(yīng)用到森林資源監(jiān)測(cè)，對(duì)火情早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)報(bào)、早撲救，變有災(zāi)為無(wú)災(zāi)、變大災(zāi)為小災(zāi)已成為森林防火工作的一項(xiàng)迫在眉睫、亟待解決的重大課題。

1、國(guó)際通常森林防火技術(shù)

德國(guó)投入使用的Fire-Watch System森林火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)是一種應(yīng)用數(shù)碼攝像技術(shù)的森林火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，它能夠及時(shí)識(shí)別與定位森林火災(zāi)，是當(dāng)前全歐洲最新的技術(shù)。該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了多年的實(shí)地試驗(yàn)。2002年在勃蘭登堡州、梅克倫堡-切波莫瑞州與薩克森州安裝了24套這種攝像系統(tǒng)以及7套第二代Fire-Watch裝置，此后該林區(qū)共發(fā)生了近120次森林火災(zāi)，沒(méi)有一次漏報(bào)。Fire-Watch System正常監(jiān)測(cè)半徑10公里，最遠(yuǎn)可達(dá)40 km，安裝該系統(tǒng)每套需7.5萬(wàn)歐元。

美國(guó)利用“大地”衛(wèi)星在離地面大約705公里的軌道上繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，探測(cè)地面上的高溫地區(qū)、濃煙地帶以及火災(zāi)遺址。美國(guó)使用駕駛林火預(yù)警飛機(jī)進(jìn)行24小時(shí)監(jiān)測(cè)，雖獲得了成功，但耗費(fèi)了巨額資金。

加拿大采用從衛(wèi)星上發(fā)射電磁射線檢測(cè)林區(qū)溫度，當(dāng)檢測(cè)出林區(qū)局部溫度上升到150℃~200℃，紅外線波長(zhǎng)達(dá)3.7微米時(shí)，便是火災(zāi)前兆，立即測(cè)定具體溫度，采取措施及時(shí)防火。同時(shí)，加拿大林區(qū)采用多架配備先進(jìn)的直升飛機(jī)輪流監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)，飛行費(fèi)每小時(shí)需5000-6000歐元。

2006 年10 月，美國(guó)航空航天局（NASA）和美國(guó)林業(yè)局在加州使用“牽牛星（Altair）”無(wú)人機(jī)在森林大火上空進(jìn)行了兩次飛行。使用NASA 艾姆斯研究中心提供的紅外掃描器查明了主要火災(zāi)點(diǎn)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站，大約每隔30 分鐘就向地面中繼傳輸火災(zāi)圖像，幾乎實(shí)時(shí)為消防人員提供了態(tài)勢(shì)感知能力。此次任務(wù)的完成也標(biāo)志著美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）首次批準(zhǔn)民用無(wú)人機(jī)在國(guó)家空域內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。

國(guó)外的技術(shù)有的雖然可靠，但需要借助高空衛(wèi)星，且施工太復(fù)雜;有的技術(shù)方案基礎(chǔ)實(shí)施投資太大，多達(dá)幾十萬(wàn)美元，投入成本過(guò)高，這些難以滿足我國(guó)森林資源監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要。

2、國(guó)內(nèi)林業(yè)防火解決方案

該系統(tǒng)是以森林火情監(jiān)測(cè)為主， 將GPS技術(shù)、數(shù)字圖像傳輸技術(shù)等高新技術(shù)綜合應(yīng)用于森林資源管理中的高科技產(chǎn)品。 該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1）自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，價(jià)格更便宜。

2）數(shù)字云臺(tái)結(jié)合GPS，火點(diǎn)精確定位;

3）點(diǎn)哪飛哪，具備傻瓜式操作，一鍵式回收;

4）清晰攝像頭，清晰成像，實(shí)時(shí)了解火險(xiǎn)數(shù)據(jù);

5）即時(shí)監(jiān)控，可執(zhí)行夜航任務(wù);

6）無(wú)線數(shù)字傳輸，避免野外架線;

7）快速轉(zhuǎn)移，可大范圍在森林區(qū)域進(jìn)行防火偵察;

特別是在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)火場(chǎng)上空能見(jiàn)度極低，即使是航護(hù)飛機(jī)能達(dá)到火場(chǎng)上空，觀察員也無(wú)法詳細(xì)觀察到地面火場(chǎng)情況，而在這種情況下飛行又存著安全隱患。無(wú)人機(jī)能夠克服航護(hù)飛機(jī)的這一不足，通過(guò)搭載攝像設(shè)備和影像傳輸設(shè)備，可隨時(shí)執(zhí)行火警偵察和火場(chǎng)探測(cè)任務(wù)。地面人員通過(guò)接收來(lái)自無(wú)人機(jī)的微波信號(hào)，隨時(shí)掌握火場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息。無(wú)人機(jī)可以全天候地在空中對(duì)林區(qū)進(jìn)行勘查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情、報(bào)告火場(chǎng)位置、采取行動(dòng)將火災(zāi)消滅在初期;無(wú)人機(jī)配備彩色CCD 任務(wù)載荷，按預(yù)定航跡對(duì)林區(qū)進(jìn)行空中巡查。并將空中巡查獲取的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回地面測(cè)控站，地面測(cè)控站將實(shí)時(shí)圖像通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給防火值班部門(mén)。對(duì)于可疑點(diǎn)或區(qū)域，通過(guò)遙控指令可改變無(wú)人機(jī)飛行航跡及飛行高度進(jìn)行詳查，詳查圖像通過(guò)無(wú)線鏈路實(shí)時(shí)傳回地面。對(duì)已出現(xiàn)火情的地區(qū)進(jìn)行空中火情態(tài)勢(shì)觀察，使滅火指揮部門(mén)迅速有效地組織、布署滅火隊(duì)伍，提高滅火作戰(zhàn)效率，防止救火人員的傷亡。

無(wú)人機(jī)配備彩色CCD 任務(wù)載荷或紅外探測(cè)任務(wù)載荷可在距地面800 到2000米飛行高度對(duì)地面火場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，將獲取的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回地面。為地面消防部門(mén)第一時(shí)間提供火場(chǎng)地理坐標(biāo)（經(jīng)、緯度）、火場(chǎng)面積、火場(chǎng)邊界、火場(chǎng)蔓延趨勢(shì)等火場(chǎng)態(tài)勢(shì)情報(bào)，使消防部隊(duì)迅速調(diào)配人員進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域滅火工作，及時(shí)通知消防人員撤離危險(xiǎn)地區(qū)，并根據(jù)火場(chǎng)圖像資料為消防人員提供撤離路徑。

該套系統(tǒng)也可為一線消防隊(duì)伍配備地面便攜式圖像接收設(shè)備。無(wú)人機(jī)獲取的空中觀察火場(chǎng)圖像在機(jī)上通過(guò)廣播方式向地面發(fā)送，一線消防部隊(duì)可在火場(chǎng)的任何區(qū)域?qū)崟r(shí)接收到態(tài)勢(shì)圖像和數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高消防部隊(duì)的消防效率。對(duì)已消滅明火的區(qū)域進(jìn)行空中勘查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的暗火，有效地防止火災(zāi)復(fù)燃。依靠空中火情觀察人員的肉眼無(wú)法觀察到到火場(chǎng)暗火的情況。在過(guò)火面積較大時(shí)，采用地面人員查找暗火方式，要使用大量人員且不利于人員安全。無(wú)人機(jī)配備紅外探測(cè)任務(wù)設(shè)備，在過(guò)火地區(qū)空中對(duì)地面進(jìn)行紅外探測(cè)，紅外探測(cè)設(shè)備可穿透煙霧敏感到地表的溫度情況，采用制冷紅外探測(cè)任務(wù)設(shè)備可增加紅外探測(cè)距離、提高敏感溫度精度。空中無(wú)人機(jī)使用紅外探測(cè)任務(wù)載荷可獲取火場(chǎng)區(qū)域完整的地面溫度分布狀態(tài)圖像，火場(chǎng)紅外探測(cè)圖像實(shí)時(shí)傳回地面。可使消防指揮及時(shí)了解滅火效果，及時(shí)調(diào)配消防人員對(duì)隱患點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)防范消滅暗火。通過(guò)安裝彩色CCD 任務(wù)載荷的無(wú)人機(jī)對(duì)過(guò)火地區(qū)的空中觀測(cè)，可獲取森林火災(zāi)損毀評(píng)估的實(shí)時(shí)圖像，并可對(duì)重點(diǎn)區(qū)域獲取更為詳細(xì)的圖像數(shù)據(jù)。

可以看出，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用重點(diǎn)解決在地面巡護(hù)無(wú)法顧及的偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)生林火的早期發(fā)現(xiàn)以及對(duì)重大森林火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的各種動(dòng)態(tài)信息的準(zhǔn)確把握和及時(shí)了解，也可以解決飛機(jī)巡護(hù)無(wú)法夜航、煙霧造成能見(jiàn)度降低無(wú)法飛行等問(wèn)題。作為現(xiàn)有林業(yè)監(jiān)測(cè)手段的有力補(bǔ)充，無(wú)人機(jī)顯示出其它手段無(wú)法比擬的優(yōu)越性，在林業(yè)火災(zāi)的監(jiān)測(cè)、預(yù)防、撲救、災(zāi)后評(píng)估等方面必將得到廣泛的應(yīng)用。

同時(shí)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)也可用于人工增雨，其以使用簡(jiǎn)便，機(jī)動(dòng)性好，便于投放，又沒(méi)有人員安全的風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)而見(jiàn)長(zhǎng)，因此特別適合森林防火作業(yè)中的人工增雨。無(wú)人機(jī)共攜帶10 枚增雨焰條，通過(guò)掛架掛載在機(jī)腹與起落架中間。飛行中點(diǎn)燃某枚焰條由地面遙控進(jìn)行控制，并通過(guò)遙測(cè)信息顯示焰條是否已點(diǎn)的狀態(tài)。每次可同時(shí)根椐情況同時(shí)點(diǎn)燃多根發(fā)煙管。根據(jù)有人機(jī)人工降雨作業(yè)投放碘化銀數(shù)量與作業(yè)區(qū)域的關(guān)系，10枚增雨焰條的碘化銀含量即可滿足100 平方公里的人工降雨作業(yè)區(qū)域要求。當(dāng)前我國(guó)的火情望、監(jiān)測(cè)體系不健全，火場(chǎng)通信聯(lián)絡(luò)不暢，防火道網(wǎng)密度過(guò)低，森林航空消防覆蓋面不廣，機(jī)源緊缺，缺乏夜航和低能見(jiàn)度條件的飛行能力，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際工作需要。而無(wú)人機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)，成本低、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，對(duì)氣象的要求低，且沒(méi)有機(jī)場(chǎng)、飛行員及飛機(jī)保養(yǎng)等費(fèi)用的支出，使用維護(hù)成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于有人機(jī)。無(wú)人機(jī)作為當(dāng)前林火監(jiān)測(cè)手段的有力補(bǔ)充，能夠在森林防火和森林消防等方面得到長(zhǎng)足的發(fā)展。目前無(wú)人機(jī)在林業(yè)中的應(yīng)用尚處于初始階段，沒(méi)有形成規(guī)模，隨著無(wú)人機(jī)在林業(yè)不同領(lǐng)域應(yīng)用的不斷深入，將為我國(guó)林業(yè)特別是森林防火工作，促進(jìn)林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出積極的貢獻(xiàn)。

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