无人机中低空监测系统在森林防火中的应用分析

我国森林资源较为贫乏，森林覆盖率约为13%左右，人均森林占有面积仅为世界平均值的1/6，但森林大火每年都有发生，如何解决森林防火的问题，又成为林业工作的重中之重。目前，国外森林防火中应用了较多的新技术和新设备，国内在此方面的应用需求也日益增加，对森林保护的投入逐渐加大，先后运用卫星进行资源普查、森林火场监视，而使用无人机系统对森林火情监测则还是初始阶段。

无人机中低空监测系统具有机动快速、使用成本低、维护操作简单等技术特点，具有对地快速实时巡察监测能力，是一种新型的中低空实时电视成像和红外成像快速获取系统。在对车、人无法到达地带的资源环境监测、森林火灾监测及救援指挥等方面具有其独特的优势。

林业是全国生态建设的主体，在保持经济和社会发展中有着不可或缺的作用，在生物的进化过程中起着巨大的作用。我国拥有森林面积1.75亿公顷，森林蓄积量为124.56亿立方米，森林覆盖率为18.21%，既是森林资源大国，又是森林火灾多发国家。国家林业局防火办提供的资料表明，1950年-2007年，我国平均每年发生森林火灾22566次，年均受害森林面积近97.75万公顷。为扑救林火耗费了大量人力、物力和财力， 森林火灾对森林资源和生态环境的破坏所造成的损失难以估量。

因此，如何将高科技手段应用到森林资源监测，对火情早发现、早预报、早扑救，变有灾为无灾、变大灾为小灾已成为森林防火工作的一项迫在眉睫、亟待解决的重大课题。

1、国际通常森林防火技术

德国投入使用的Fire-Watch System森林火灾自动预警系统是一种应用数码摄像技术的森林火灾自动预警系统，它能够及时识别与定位森林火灾，是当前全欧洲最新的技术。该系统经过了多年的实地试验。2002年在勃兰登堡州、梅克伦堡-切波莫瑞州与萨克森州安装了24套这种摄像系统以及7套第二代Fire-Watch装置，此后该林区共发生了近120次森林火灾，没有一次漏报。Fire-Watch System正常监测半径10公里，最远可达40 km，安装该系统每套需7.5万欧元。

美国利用“大地”卫星在离地面大约705公里的轨道上绕地球运转，探测地面上的高温地区、浓烟地带以及火灾遗址。美国使用驾驶林火预警飞机进行24小时监测，虽获得了成功，但耗费了巨额资金。

加拿大采用从卫星上发射电磁射线检测林区温度，当检测出林区局部温度上升到150℃~200℃，红外线波长达3.7微米时，便是火灾前兆，立即测定具体温度，采取措施及时防火。同时，加拿大林区采用多架配备先进的直升飞机轮流监测森林火灾，飞行费每小时需5000-6000欧元。

2006 年10 月，美国航空航天局（NASA）和美国林业局在加州使用“牵牛星（Altair）”无人机在森林大火上空进行了两次飞行。使用NASA 艾姆斯研究中心提供的红外扫描器查明了主要火灾点，并将数据发送给地面站，大约每隔30 分钟就向地面中继传输火灾图像，几乎实时为消防人员提供了态势感知能力。此次任务的完成也标志着美国联邦航空局（FAA）首次批准民用无人机在国家空域内执行任务。

国外的技术有的虽然可靠，但需要借助高空卫星，且施工太复杂;有的技术方案基础实施投资太大，多达几十万美元，投入成本过高，这些难以满足我国森林资源监测的实际需要。

2、国内林业防火解决方案

该系统是以森林火情监测为主， 将GPS技术、数字图像传输技术等高新技术综合应用于森林资源管理中的高科技产品。 该无人机系统有如下特点：

1）自主知识产权，价格更便宜。

2）数字云台结合GPS，火点精确定位;

3）点哪飞哪，具备傻瓜式操作，一键式回收;

4）清晰摄像头，清晰成像，实时了解火险数据;

5）即时监控，可执行夜航任务;

6）无线数字传输，避免野外架线;

7）快速转移，可大范围在森林区域进行防火侦察;

特别是在森林火灾发生时火场上空能见度极低，即使是航护飞机能达到火场上空，观察员也无法详细观察到地面火场情况，而在这种情况下飞行又存着安全隐患。无人机能够克服航护飞机的这一不足，通过搭载摄像设备和影像传输设备，可随时执行火警侦察和火场探测任务。地面人员通过接收来自无人机的微波信号，随时掌握火场动态信息。无人机可以全天候地在空中对林区进行勘查，及时发现火情、报告火场位置、采取行动将火灾消灭在初期;无人机配备彩色CCD 任务载荷，按预定航迹对林区进行空中巡查。并将空中巡查获取的图像数据实时传回地面测控站，地面测控站将实时图像通过网络传给防火值班部门。对于可疑点或区域，通过遥控指令可改变无人机飞行航迹及飞行高度进行详查，详查图像通过无线链路实时传回地面。对已出现火情的地区进行空中火情态势观察，使灭火指挥部门迅速有效地组织、布署灭火队伍，提高灭火作战效率，防止救火人员的伤亡。

无人机配备彩色CCD 任务载荷或红外探测任务载荷可在距地面800 到2000米飞行高度对地面火场进行实时观察，将获取的图像数据实时传回地面。为地面消防部门第一时间提供火场地理坐标（经、纬度）、火场面积、火场边界、火场蔓延趋势等火场态势情报，使消防部队迅速调配人员进行重点区域灭火工作，及时通知消防人员撤离危险地区，并根据火场图像资料为消防人员提供撤离路径。

该套系统也可为一线消防队伍配备地面便携式图像接收设备。无人机获取的空中观察火场图像在机上通过广播方式向地面发送，一线消防部队可在火场的任何区域实时接收到态势图像和数据，进一步提高消防部队的消防效率。对已消灭明火的区域进行空中勘查，及时发现存在的暗火，有效地防止火灾复燃。依靠空中火情观察人员的肉眼无法观察到到火场暗火的情况。在过火面积较大时，采用地面人员查找暗火方式，要使用大量人员且不利于人员安全。无人机配备红外探测任务设备，在过火地区空中对地面进行红外探测，红外探测设备可穿透烟雾敏感到地表的温度情况，采用制冷红外探测任务设备可增加红外探测距离、提高敏感温度精度。空中无人机使用红外探测任务载荷可获取火场区域完整的地面温度分布状态图像，火场红外探测图像实时传回地面。可使消防指挥及时了解灭火效果，及时调配消防人员对隐患点或区域进行重点防范消灭暗火。通过安装彩色CCD 任务载荷的无人机对过火地区的空中观测，可获取森林火灾损毁评估的实时图像，并可对重点区域获取更为详细的图像数据。

可以看出，无人机的应用重点解决在地面巡护无法顾及的偏远地区发生林火的早期发现以及对重大森林火灾现场的各种动态信息的准确把握和及时了解，也可以解决飞机巡护无法夜航、烟雾造成能见度降低无法飞行等问题。作为现有林业监测手段的有力补充，无人机显示出其它手段无法比拟的优越性，在林业火灾的监测、预防、扑救、灾后评估等方面必将得到广泛的应用。

同时，无人机系统也可用于人工增雨，其以使用简便，机动性好，便于投放，又没有人员安全的风险等特点而见长，因此特别适合森林防火作业中的人工增雨。无人机共携带10 枚增雨焰条，通过挂架挂载在机腹与起落架中间。飞行中点燃某枚焰条由地面遥控进行控制，并通过遥测信息显示焰条是否已点的状态。每次可同时根椐情况同时点燃多根发烟管。根据有人机人工降雨作业投放碘化银数量与作业区域的关系，10枚增雨焰条的碘化银含量即可满足100 平方公里的人工降雨作业区域要求。当前我国的火情望、监测体系不健全，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，远不能满足实际工作需要。而无人机具有续航时间长、影像实时传输、高危地区探测，成本低、机动灵活等特点，对气象的要求低，且没有机场、飞行员及飞机保养等费用的支出，使用维护成本远远低于有人机。无人机作为当前林火监测手段的有力补充，能够在森林防火和森林消防等方面得到长足的发展。目前无人机在林业中的应用尚处于初始阶段，没有形成规模，随着无人机在林业不同领域应用的不断深入，将为我国林业特别是森林防火工作，促进林业经济发展作出积极的贡献。

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