呂林俊

摘 要 洮河自然保護區(qū)位于生態(tài)脆弱的甘肅省，其森林防火預警任務對維護當地生態(tài)穩(wěn)定至關重要，而無人機系統(tǒng)已經成為這一任務中不可或缺的工具。無人機的高度機動性使其能夠應對多樣的地形，在實時監(jiān)測和數據收集方面提供了支持。然而，無人機系統(tǒng)也面臨續(xù)航能力、飛行控制精度、荷載能力和穩(wěn)定性等挑戰(zhàn)，為克服這些問題，提高無人機系統(tǒng)在洮河自然保護區(qū)的應用效果，提出改進續(xù)航技術、提高飛行控制精度、增加有效荷載和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方法。

關鍵詞 森林防火；無人機系統(tǒng)；甘肅省洮河國家級自然保護區(qū)

中圖分類號：S762.3 文獻標志碼：C DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.20.014

火災對生態(tài)系統(tǒng)和經濟社會造成的破壞通常是毀滅性的。作為甘肅省生態(tài)系統(tǒng)的重要護衛(wèi)者之一，洮河自然保護區(qū)有著保護和維護其豐富的生物多樣性和森林資源的使命。近年來，無人機技術已成為完善森林防火預警和火災應對的有力工具。無人機系統(tǒng)不僅提供了高度機動性以適應多樣地形，還通過實時監(jiān)測和數據收集，提供了多樣性的信息支持，包括數據采集、災情監(jiān)測、輔助滅火和災后余火監(jiān)測，這些都是確保森林防火高效管理的關鍵環(huán)節(jié)。然而，無人機系統(tǒng)在森林防火預警的應用中也面臨一些挑戰(zhàn)，如續(xù)航能力、飛行控制精度、荷載能力和穩(wěn)定性等方面的限制。

1 無人機系統(tǒng)在洮河自然保護區(qū)森林防火中的應用

1.1 高度機動性

洮河自然保護區(qū)是甘肅省重要的自然生態(tài)保護區(qū)，其豐富的森林資源對于維持生態(tài)平衡和地區(qū)居民的生計至關重要。然而，這一地區(qū)也面臨頻繁的森林火災威脅，為更好地應對此挑戰(zhàn)，無人機系統(tǒng)在洮河自然保護區(qū)的森林防火預警和監(jiān)測方面扮演著日益重要的角色[1]。洮河自然保護區(qū)的地形復雜多樣，包括山脈、丘陵、濕地和河流等，傳統(tǒng)的森林防火監(jiān)測方式難以應對這種挑戰(zhàn)。無人機系統(tǒng)的高度機動性賦予其在這一地區(qū)的獨特優(yōu)勢，使無人機能夠在迅速發(fā)現潛在火災威脅的同時，覆蓋更廣泛的區(qū)域[2]。

1.2 實時監(jiān)測和數據收集

無人機系統(tǒng)具有實時監(jiān)測和數據收集的能力，這在森林防火中至關重要。無人機配備了各種傳感器，包括紅外熱像儀和高分辨率相機，可以用于檢測火源、監(jiān)測火勢的擴散和識別潛在的火災危險區(qū)域[3]。這些傳感器能夠在火情初期探測到微小的火源，提供了寶貴的時間窗口，使防火部門能夠及早采取行動。表1體現了無人機系統(tǒng)對洮河自然保護區(qū)某次初期火情的快速識別能力。

1.3 提高數據采集的多樣性

無人機系統(tǒng)還能夠實現多樣化的數據采集，包括溫度、濕度、風速、大氣質量和空氣組分等環(huán)境數據。這種多維度數據的收集不僅有助于全面地了解火情，還能夠提供更多信息，以便更好地制訂應急響應計劃。例如，溫度和濕度數據可以幫助預測火勢的發(fā)展趨勢，而大氣質量數據則對防火人員的健康和安全至關重要。

1.4 災情監(jiān)測及輔助滅火

一旦發(fā)生火情，無人機系統(tǒng)可以迅速介入并發(fā)揮作用[4]。它們可以提供災情監(jiān)測，以幫助消防人員更好地了解火勢的發(fā)展，指導滅火行動的實施。實時數據傳輸使指揮中心能夠迅速做出決策，將資源分配到最需要的地方。無人機還可以用于輔助滅火，通過攜帶水箱或火霧劑，從空中對火源進行針對性撲滅，有效降低滅火難度和危險性[5]。

2017年，洮河自然保護區(qū)引入高精度地理定位技術，實現了智能巡檢，有效管理森林防火系統(tǒng)。無人機系統(tǒng)通過在線巡檢和風險防控平臺，實時監(jiān)測和收集數據，確保及時發(fā)現火點并上傳信息，從而快速應對火災。2018年7月15日，無人機系統(tǒng)配備的地理定位信息顯示，卓尼縣白隆崗等3處存在森林火災隱患點，并發(fā)現了小面積的森林火災。森林防護員利用地理定位設備迅速標注著火點，并通過智能化巡檢平臺上傳相關信息。智能化網聯森林防護預警平臺及時接收這些標注的著火點，結合地理信息分析系統(tǒng)，實現精準定位，調集森林防火員進行隔離控制和早期撲滅，有效遏制了火勢的蔓延，防止了火災的擴大（表2）。

1.5 災后余火監(jiān)測

無人機可以用于評估火災對生態(tài)系統(tǒng)的影響，通過捕捉受損植被的圖像，幫助科學家和生態(tài)學家了解火災的影響，為制定后續(xù)的生態(tài)修復計劃提供支持。這對于保護洮河自然保護區(qū)的生態(tài)平衡至關重要，有助于快速恢復受損的生態(tài)系統(tǒng)。

2 存在的問題

2.1 續(xù)航能力不足

洮河自然保護區(qū)地域廣闊，因此需要長時間的巡視和監(jiān)測。然而，許多商用無人機的續(xù)航時間相對有限，通常在0.5～2.0 h，這在面對大面積森林地區(qū)時稍顯不足。

2.2 飛行控制精度不足

在洮河自然保護區(qū)進行森林防火預警和監(jiān)測時，無人機的飛行控制精度至關重要。不足的飛行控制精度可能導致多種問題，包括定位誤差、避障失敗等。定位誤差可能阻礙無人機準確到達目標位置，從而影響監(jiān)測數據的精確性。同時，森林內地形復雜，障礙物類型多，不足的飛行控制精度可能導致無人機與這些障礙物發(fā)生碰撞，危及飛行安全和設備完整性。

2.3 荷載不足

不同的監(jiān)測任務需要不同類型的傳感器和荷載設備，而有些無人機的荷載能力有限，無法滿足多樣化的監(jiān)測需求。在洮河自然保護區(qū)的森林防火預警中，可能需要搭載各種傳感器，如紅外熱像儀、高分辨率相機、氣象傳感器和滅火裝置。而荷載不足可能引發(fā)多種問題，包括數據采集限制、面積覆蓋不足及任務多樣性受限。有限的荷載能力限制了無人機攜帶傳感器、相機和其他設備的種類和數量，影響了數據采集的多樣性和質量。同時，由于荷載不足，無人機可能需要頻繁返回基地以更換電池，限制了監(jiān)測范圍的覆蓋面積。而無法滿足不同任務需求的荷載能力也限制了無人機的多功能性。

2.4 穩(wěn)定性不足

在強風等惡劣天氣條件下，無人機的穩(wěn)定性可能受到影響，降低了其在這些天氣條件下的可用性。不足的穩(wěn)定性可能導致多種問題，如飛行不穩(wěn)定、數據采集質量下降及操控困難。

3 應對策略

3.1 改進續(xù)航技術

延長飛行時間可以確保無人機更長時間地保持在監(jiān)測區(qū)域，及時檢測潛在的火源或火勢。1）采用更高容量的電池技術，以提高無人機的續(xù)航時間。通過研發(fā)新一代電池技術、提高能量密度和充電效率實現。另外，考慮使用可充電燃料電池等先進能源技術，以進一步延長續(xù)航時間。2）優(yōu)化飛行路徑規(guī)劃，以減少能量消耗。采用智能路徑規(guī)劃算法，優(yōu)化無人機的巡視路徑，以避免不必要的飛行，從而減少能源消耗。3）引入太陽能充電裝置，在飛行過程中為無人機充電。

3.2 提高飛行控制精度

1）使用先進的導航系統(tǒng)，如差分GPS或慣性導航系統(tǒng)，提高無人機的飛行控制精度。這些系統(tǒng)可以提供更準確的位置和姿態(tài)信息，使無人機能夠更好地適應復雜地形。2）引入遙感技術，如激光雷達或立體視覺系統(tǒng)，提高對地形的感知能力。這可以幫助無人機更好地避開障礙物，確保飛行的穩(wěn)定性。3）提供專門的培訓和認證體系，確保操作員具備高水平的飛行技能，以應對復雜的地形和氣象條件。

3.3 增加有效荷載

改進無人機的結構和設計，采用輕質材料、更強大的電機，創(chuàng)新機身設計，以提強其有效荷載能力；發(fā)展模塊化的荷載系統(tǒng)，使其能夠根據不同任務的需求進行快速更換和升級，以提高無人機的多功能性，適應不同的監(jiān)測任務需求；研究和開發(fā)更高效的傳感器和監(jiān)測設備，以減小其體積和重量，從而減輕無人機荷載的負擔。

3.4 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性

1）引入飛行穩(wěn)定性增強技術，如更高級的飛行控制系統(tǒng)和自穩(wěn)定裝置，幫助無人機在不穩(wěn)定的氣象條件下保持穩(wěn)定飛行，減少外部不穩(wěn)定因素對飛行的影響。2）提供實時氣象數據和風速警報系統(tǒng)，使操作員能夠更好地規(guī)劃和調整飛行任務，以適應不同氣象條件。3）開展系統(tǒng)可靠性測試和維護，確保無人機的各個部件和系統(tǒng)都處于良好狀態(tài)，減少飛行中可能出現的問題。

4 結語

無人機系統(tǒng)在洮河自然保護區(qū)多樣的地形中展現了出色的機動性，通過實時監(jiān)測和數據收集，提供了關鍵的信息支持，包括數據采集、災情監(jiān)測、輔助滅火和災后余火監(jiān)測。盡管面臨續(xù)航能力不足、飛行控制精度不足、荷載限制和穩(wěn)定性不足等挑戰(zhàn)，但改進續(xù)航技術、提高飛行控制精度、增加有效荷載和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方式可以解決這些問題。通過不斷創(chuàng)新和改進，無人機系統(tǒng)將繼續(xù)在森林防火管理中發(fā)揮重要作用，有助于保護生態(tài)環(huán)境，減少火災風險，并為可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。

參考文獻：

[1] 宋鴻.無人機系統(tǒng)在森林防火預警中的應用探索[J].中國林業(yè)產業(yè)，2023（1）：62-63.

[2] 楊阿龍，李鐵男，王俊，等.無人機和衛(wèi)星遙感技術在河湖監(jiān)管中的應用[J].中國水利，2023（13）：52-55.

[3] 李明亮.洮河國家級自然保護區(qū)自然資源及保護建議[J].現代農業(yè)科技，2019（15）：160-161.

[4] 張東林.甘肅洮河國家級自然保護區(qū)森林火災特征及其防火對策[J].廣東蠶業(yè)，2022，56（9）：29-31.

[5] 康家鑫，劉大為，謝方平，等.南方農業(yè)機械化大數據平臺建設及發(fā)展[J].時代農機，2017，44（10）：24-26.