无人直升机在南方林区森林防火中的应用研究

邢建武

(浙江省航空护林管理站，浙江 杭州 310020)

无人机相对于有人机具有机动快速、使用成本低、维护操作简单等技术特点，其可以弥补现阶段我国航空护林有人机的许多不足，并通过搭载不同的任务载荷可以在巡护飞行、火场侦察、热点核查、防火宣传以及复杂天气飞行、夜间飞行、灵活作业等方面发挥独特优势，且经济实用。无人机应用于森林防火是新形势下航空护林的有益探索，是提高森林防火智能化水平的必然要求，是实现大规模森林防火无人机系统化运行的必然趋势。

随着我国无人机技术的快速发展，无人机已属于成熟的货架产品，国内自主知识产权的产品在国内外均有相关机型的应用，具备完善的生产、运营、售后体系，厂家也可提供给用户完备的无人机运行和维护服务，可确保森林防火无人机系统的正常运行。无论从技术成熟度、市场服务保障能力，还是航空护林场站自身条件等方面，都具备了森林防火无人机系统建设条件，可保证无人机应用的顺利实施。

森林火灾是世界八大自然灾害之一，对森林资源、土质、水质造成巨大伤害，对野生动物、人民生命财产安全等构成了威胁。全球每年平均发生森林火灾20多万起，我国2017年共发生森林火灾3 223起，受害森林面积约2.5万hm2；
2018年共发生森林火灾2 478起，受害森林面积约1.6万hm2，因灾造成人员伤亡39人(其中死亡23人)；
2019年森林火灾已造成39人死亡。

随着生态文明建设的快速发展，森林防火工作越来越受到重视。在我国，航空护林应用于森林防火已有60余年，优势越来越明显，有人飞机在航空护林中的优势作用已得到充分发挥，但受天气条件、日落时间、飞机续航时间等因素的影响，现有的航空护林飞机不能全天候飞行，有效作业时间受到多方面限制。

纵观国际航空护林的发展方向，更集中在无人机在航空护林中的应用(图1)，通过使用无人机加强对森林的日常巡查，可及时发现险情，维护防火设施，大幅减少人员在巡护和灭火过程中的实地参与，保障护林人员的安全，降低综合成本。

图1 航空护林无人直升机

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。在夜间、能见度低、火场天气复杂等条件下，有人飞机不能起飞或不能抵达火场区域时，可发动无人机起飞抵达火场，在无人机飞行过程中摄像头全程录像，并将拍摄现场回传到地面控制站，可以快速获取人员难以到达位置的火场信息，替代有人飞机执行巡逻报警、火场侦察等任务，使指挥部门及时了解现场的实际情况，正确做出扑火决策，可有效弥补有人飞机的短板。无人机与有人机相互配合，相互补充，将进一步提升航空护林在森林火灾预防和扑救方面的作战能力。

综上所述，森林防火无人机具有以下优势特点：(1)能够获取火情分析必要的数据，如火场范围、风向及发展趋势等；
(2)可实时监控火情发展趋势，对火线及火头有明确识别；
(3)可连续长时间、高负荷运行，避免了人员疲劳问题；
(4)可以飞行到烟雾上空等危险区域进行详情侦察、监控；
(5)可以昼夜全天候作业；
(6)使用维护成本低；
(7)规避了航空作业人员伤亡风险；
(8)可与有人机协同配合作业，互相补充。

20世纪50—60年代以来，无人机在军事方面已有了成功的应用经验，随着近年来电子技术等科技领域的高速发展，无人机在民用领域的应用也有了跨越式的增长。无人机的构型包括固定翼、直升机、多旋翼以及其他多种复合形式，起飞重量从数百克到数吨不等。适合森林防火应用，具备垂直起降能力的无人机主要有直升机、多旋翼、垂直起降固定翼等机型，从载荷和巡航的综合能力上比较，无人直升机较为突出。

目前，国内部分林区开始尝试采用无人机进行森林防火作业，但基本上采用小型旋翼无人机，一般控制距离10 km左右，一次升空巡护时间不大于1 h。如深圳市野生动植物保护管理处、河北承德市森林防火指挥中心、重庆市森林航空护林站等。这些地区巡护作业距离普遍较近，作业范围小，地理环境相对较好。

2011年3月31日在广东省仁化县红山镇竹坑利用小型旋翼无人机所拍摄的实时影像数据能直观反映林火发生发展过程中的火强度，蔓延方向和过火面积，结合对山地环境地表可燃物和气象因子的调查数据能为扑火方案提供辅助决策，为灾后评估提供有力的技术支撑(图2)。

图2 无人机火场监控

2016年在吉林省航空护林中心、塔河航空护林站、幸福航空护林站进行无人机巡护试点，主要探索的是针对东北大面积林区使用的大型固定翼无人机。大型固定翼无人机具有航时长、航程远等优点，通过搭载通信设备能够实现卫星通信，适用于超远距离(900 km以上)的火场侦察及大范围区域的巡护。同时，无人机强大的带载能力允许其携带灭火物资，在发现火情的第一时间开展灭火作业。

国外方面，无人机应用于森林消防起步较早，图3为针对森林灭火中关于无人机多时间、多空间高分辨率信息获取的研究。尤其是美国，由于其无人机起步早、发展快，在无人机护林方面也较早地获得了成功应用。图4是由美国著有起重机之称K-MAX直升机改装的无人驾驶直升机，在博伊西东部吊水进行灭火。图5是西班牙公司Nitrofirex研发的用于森林消防的无人机。

图3 无人机多时间、多空间高分辨率信息获取

图4 无人机K-MAX吊桶洒水灭火

图5 Nitrofirex研发的森林消防无人机

南方林区多山地的地形地貌特点更适合无人直升机开展森林防火工作。相较于无人固定翼飞机，无人直升机最大的优点在于可以垂直起降，不需要专用的跑道，部署更加灵活。同时，无人直升机弥补了多旋翼无人机航程小、航时短、带载弱的缺点，可实现区域固定航线巡查与监视等功能。

3.1 巡护飞行

常规的巡护飞行是航空护林站的日常主要工作。传统的地面巡护由于林区地形复杂，道路交通不便，效率较低；
卫星监测分辨率低、时效性不足；
有人机受天气影响大，难以实现实时动态监测。无人直升机系统不仅具有能够快速到达目标区域的特点，而且起飞前的准备时间短，反应速度快，巡护效率高。

3.2 火情监测

森林火灾发生后，掌握准确的火场信息是科学指挥扑救林火的前提条件。采用无人直升机平台搭载可见光相机(摄像机)、红外成像仪等设备载荷，无论白天还是夜间均可飞抵火场上空，对火场实施不间断的动态监测，进行火场定位、确定火场范围、监控火场蔓延等操作，并通过卫星通信系统将视频数据回传至指挥中心，地面指挥中心既可以看到火场的实时图像，同时也可以利用数据处理系统将实时采集的图像与地理信息系统叠加处理，构建三维地形图，对灾情进行全面掌控。

3.3 应急通讯

森林火灾发生地一般地处通讯不畅的偏远地区，会对火灾扑救信息指令的传达造成障碍，容易贻误扑火战机，甚至给地面扑火人员造成不必要的伤害。在火灾扑救中，可用无人直升机搭载短波、超短波等通信中继设备，在火场上空延固定航线飞行、盘旋或悬停，建立临时通讯网络，保证现场救灾人员和后方指挥人员之间的实时通讯。

3.4 灾情评估

无人直升机常规巡护时可将检测到的植被等情况进行储存和更新，火灾发生后，可以准确查清火灾面积，定量评估损失程度，同时与常规航空巡护中同一区域的林木生长情况进行对比分析，使评估结果独立、客观、公正，再配合人员调查，可有效减少评估过程中发生的纠纷。

4.1 总体研究思路

充分调研并学习国内外研究成果和成功经验，重点解决目前无人机在南方林区森林防火应用中的通信问题，实现有人机与无人机协调作业模式，着重探索、发现和解决实际应用中的具体问题，在应用实践中开拓创新。

4.2 总体研究方案

无人直升机在南方林区森林防火中应用的总体研究方案如图6所示。

图6 无人直升机应用于南方林区森林防火的总体研究方案

4.3 总体研究技术路线

总体研究技术路线是通过解决无人直升机在南方山地林区森林防火应用的通信问题、有人机对无人直升机操控问题以及有人机与无人直升机的协同航路规划等，按照南方森林防火需求对无人直升机进行选型，并集成无人直升机防火作业系统，验证无人直升机系统在森林防火中应用上述技术的可行性并探索应用模式。

4.3.1飞行高度

浙江省地势自西南向东北呈阶梯状倾斜。西南多为千米以上的群山盘结，其中位于龙泉市境内的黄茅尖海拔1 929 m，为全省最高峰。地形以丘陵山地为主，占全省总面积的70.4%，林区山峰高度为500～2 000 m，火情巡查监测时，需要无人直升机具有较高的监视效率，也就是能够监测的范围尽可能大，在发现火情时要尽可能地观察清晰，这涉及载荷指标与平台作业高度，要求飞机既能在3 000 m高空实现护林大范围巡航作业要求，又能满足1 000 m以下低空高清晰搜寻、定位、侦查火情的要求。

4.3.2巡航速度

飞行速度应达到一定要求。考虑到现阶段无人直升机飞行速度以及实际作业过程中的准备(系统展开)时间，确定无人直升机巡航速度需在120 km/h以上，考虑到一定的天气条件及安全冗余度，所选机型要具备最大150 km/h以上飞行速度能力。

同时考虑到实际作业需要，无人直升机应具备不低于1 h的连续悬停能力。

4.3.3续航能力

飞机护林巡护飞行作业半径一般为200～300 km，若以120 km/h的速度飞行，至少需要5 h的续航时间，600 km的续航能力。

4.3.4实用载荷能力

无人直升机的载荷能力包括搭载可见光摄像(照相)机、红外成像仪、高光谱成像仪、激光雷达等设备，以及后续扩展设备。因此，所需机型应具备120 kg以上的载荷能力。

4.3.5通信链路性能

为保证飞机巡护过程中及时发现火情以及对突发状况进行及时处理，要求森林巡护无人直升机系统具备影像数据实时回传能力。对于中远程大范围作业的无人直升机，视距测控链路传输距离需达到150 km；
由于山区海拔高，超过200 km的远距离作业，需要借助卫星数据链路子系统来达到实施传输的要求，以获取高清图像、视频信息，下行数据传输链路具备2～4 Mbps传输速率要求。为确保安全飞行不受影响，数据传输系统应具备一定的抗电磁干扰能力。

4.3.6气候条件适应能力

浙江省林区气候条件复杂、变化无常，无人直升机要具备一定的高低温适应能力，能在-10～40 ℃温度范围内正常工作；
具备一定的抗风能力，能在6级风条件下安全飞行，在4级侧风条件下顺利起降；
具备一定的抗雨能力，能在中雨条件下安全飞行；
具备夜航飞行能力。

4.4 试验测试

4.4.1地面测试

集成系统在地面进行基本飞行操控功能测试、通信能力测试、规划能力测试。

4.4.2平台能力测试

在试验场测试无人直升机飞行能力指标包括飞行高度、速度、载重能力、航时、航程等。

4.4.3通信能力测试

在南方林区测试无人直升机的山区地形、风场等环境适应能力、飞行稳定性以及山地林区有遮挡情况下的通信能力。

4.4.4任务演示飞行测试

遵循由近及远逐渐拓展范围的原则，先进行100 km以内任务演练飞行，测试有人机对无人机的操控能力，以及有人机/无人机的动态航路规划和远距离下无人机与地面站的通信能力测试。

将无人直升机应用于南方森林林区防火符合国家林业建设和生态保护要求，标志着林业建设的发展进步，也将促进森林航空消防能力的提升，加强对无人直升机与有人机相互配合、相互补充研究，不断探索航空护林新方法、新技术、新手段在实际领域中的应用，前景广阔，是符合我国国情的现代化航空护林事业发展的有益探索。随着无人直升机在南方森林防火中的应用和推广，将进一步发挥航空护林优势，增强森林火灾的应急处理和森林防火的快速反应能力，全面提升南方林区预防和控制森林火灾的综合能力和现代化水平。