劉維棟 宋傳曉 孫鳳文

（青海省森林草原防火預(yù)警監(jiān)測(cè)和物資儲(chǔ)備中心,青海 西寧 810008）

青海作為青藏高原重要核心區(qū)域，是“中華水塔”“三江之源”，最大的價(jià)值在生態(tài)、最大的責(zé)任在生態(tài)、最大的潛力也在生態(tài)，生態(tài)地位特殊而重要。獨(dú)特的山水林田湖草沙冰自然資源是青海推進(jìn)綠色發(fā)展,全面建成小康社會(huì)的基礎(chǔ)和條件。進(jìn)入新時(shí)代，青海把保護(hù)生態(tài)作為“國(guó)之大者”“省之大要”，全面貫徹“把青藏高原打造成為全國(guó)乃至國(guó)際生態(tài)文明高地”重大要求，全力打造生態(tài)文明思想實(shí)踐新高地和生態(tài)安全屏障的新高地，全方位推動(dòng)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)和修復(fù)工作，尤其是在森林草原防滅火方面，利用高原重載無(wú)人機(jī)[1]，實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)土空間全時(shí)全域立體監(jiān)控監(jiān)管，有效提升了青藏高原森林草原防火現(xiàn)代化管理水平。

1 高原重載無(wú)人機(jī)概況及優(yōu)勢(shì)

1.1 高原重載無(wú)人機(jī)概況

2020年，為突破無(wú)人機(jī)在高海拔地區(qū)續(xù)航短、載重低、故障多等瓶頸，青海省林草局聯(lián)合無(wú)人機(jī)科研公司開展科技攻關(guān)，圍繞高海拔、長(zhǎng)續(xù)航、大重載無(wú)人機(jī)[2]在青藏高原森林草原防火、防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)等方面進(jìn)行深度開發(fā)研究，研發(fā)出“青海省‘567’（海拔5 000 m、續(xù)航6 h、載重70 kg）無(wú)人機(jī)技術(shù)體系”，由高原重油監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)、高原重載消防無(wú)人機(jī)、高原單兵便攜式偵察無(wú)人機(jī)3 款機(jī)型組成，取得高原重載無(wú)人機(jī)相關(guān)操作系統(tǒng)軟件著作權(quán)10 項(xiàng),實(shí)用新型專利5 項(xiàng)。3 款高原重載無(wú)人機(jī)在青海省森林草原防滅火工作中發(fā)揮了積極作用。

1.1.1 高原重油監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī) 高原重油監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)是一種活動(dòng)半徑在700～1 000 km范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)。最高作業(yè)海拔5 000 m以上，搭載三光吊艙、北斗通訊，通過熱成像，光感儀，激光雷達(dá)[3]覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域。采用重油[4]引擎作為動(dòng)力來源，有效航時(shí)大于10 h。通過巡航點(diǎn)設(shè)置進(jìn)行無(wú)人飛行，對(duì)大面積林區(qū)、草原進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)。能做到第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)火情，并通過實(shí)時(shí)通訊將數(shù)據(jù)傳輸至智慧消防系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)化、可視化。主要用于日常巡邏監(jiān)測(cè)或重要時(shí)期常態(tài)化監(jiān)測(cè)。其主要有三個(gè)特點(diǎn)：一是重油熱效率高，油耗低，成本低，比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)降低30%～50%；二是重油長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存不易揮發(fā)、不易變質(zhì)、不易燃燒，露天燃燒溫度在260～315 ℃，燃點(diǎn)高，不會(huì)因追擊或其他意外墜機(jī)發(fā)生爆炸事故，使用安全；三是重油能保證無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫、低壓等高空環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，降低機(jī)械故障率。

1.1.2 高原重載消防無(wú)人機(jī) 高原重載消防無(wú)人機(jī)[5]最高作業(yè)海拔5 000 m以上，載重70 kg，航時(shí)30 min。通過模塊化掛載方式可實(shí)現(xiàn)掛載9 顆滅火彈或救援物資進(jìn)行精準(zhǔn)投放。同時(shí)，利用10 架組成的無(wú)人機(jī)機(jī)群作業(yè)方式能顯著提高森林草原火災(zāi)滅火成功率與滅火面積，并可對(duì)重點(diǎn)部位火點(diǎn)進(jìn)行密集投彈做到集中力量攻堅(jiān)打擊。單架次滅火面積100 m2，10 架次機(jī)群滅火面積1 200 m2。搭載的滅火彈可通過高度設(shè)定在火源上方爆破使干粉充分?jǐn)U散增加滅火效率。

1.1.3 高原單兵便攜式偵察無(wú)人機(jī) 高原單兵偵察無(wú)人機(jī)[6]靈活輕便，部署迅速。最高作業(yè)海拔5 000 以上，航時(shí)120 min以上，具有長(zhǎng)航時(shí)和單人可背負(fù)優(yōu)點(diǎn)?？勺鳛榛鹎楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)指揮員提供高空第一視野?；蛟谥赜脱埠綑C(jī)監(jiān)測(cè)報(bào)告火點(diǎn)位置后，單兵偵察無(wú)人機(jī)迅速抵達(dá)火點(diǎn)位置，通過高成像分辨鏡頭為指揮室提供實(shí)時(shí)畫面，為后續(xù)作業(yè)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。并可掛載喊話器、照明設(shè)備等用于應(yīng)急輔助。

1.2 高原重載無(wú)人機(jī)優(yōu)勢(shì)

青海因受高海拔、高寒、干旱、大風(fēng)等氣候條件影響，自然生態(tài)表現(xiàn)出脆弱、敏感和不穩(wěn)定性，若發(fā)生森林草原火災(zāi)，生態(tài)系統(tǒng)很難修復(fù)。歷年來，青海農(nóng)事用火、民俗用火、生產(chǎn)用火頻繁。因地廣人稀，加之衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、人工巡護(hù)存在短板，對(duì)火情早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)告、早處置的能力不足[7]，發(fā)生森林草原火災(zāi)的機(jī)率較高。2021年通過應(yīng)用高原重載無(wú)人機(jī)開展森林草原防滅火工作，火情火災(zāi)多發(fā)勢(shì)頭得到有效遏制，高原重載無(wú)人機(jī)發(fā)揮了重大作用，呈現(xiàn)出多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

1.2.1 操作簡(jiǎn)單，實(shí)用高效 1）實(shí)用高效。高原重油監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)航時(shí)長(zhǎng)、速度快、距離遠(yuǎn)、載荷大，起降方式不受場(chǎng)地和空域限制，在山區(qū)、丘陵、叢林等復(fù)雜地形順利作業(yè)。因森林草原防火重點(diǎn)區(qū)域主要分布在城市周邊新造林地、退耕還林地和國(guó)有林場(chǎng)，監(jiān)測(cè)巡護(hù)面積大，高原重油監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)連續(xù)飛行監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)可達(dá)到6～10 h，監(jiān)測(cè)面積每小時(shí)達(dá)到4 667 hm2以上。2）智能化程度高[8-9]。雙GPS，雙磁羅盤冗余設(shè)計(jì)，保障飛行任務(wù)；具有ECU飛行電腦功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行高度、速度、油壓、油溫等，精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)霧化噴油及火花塞工作及其他控制作業(yè)。搭載工業(yè)級(jí)或?qū)I(yè)級(jí)垂直起降固定翼飛控與捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)及專業(yè)的航拍航測(cè)、巡檢地面站軟件，保證無(wú)人機(jī)全程自主飛行，無(wú)需操作人員干預(yù)，完成自主起飛、高空云中飛行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、自主巡航、自主降落等功能。并支持100 個(gè)航點(diǎn)的自動(dòng)航線規(guī)劃。

1.2.2 成本降低，效率提高 高原重載無(wú)人機(jī)多用于對(duì)元旦、春節(jié)、清明等重要時(shí)段、對(duì)國(guó)家公園、國(guó)有林場(chǎng)、旅游景點(diǎn)、城市面山、墳塋公墓、廟宇道觀、燒香祭祀等重要區(qū)域的重點(diǎn)巡護(hù)[10]。在高海拔、低溫大風(fēng)氣象條件下，利用無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，通過搭載的攝像頭，可高空俯瞰林區(qū)，可視距離遠(yuǎn)，監(jiān)測(cè)面積大，大大緩解了巡護(hù)人員不足的壓力。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，對(duì)火場(chǎng)大小、火勢(shì)、發(fā)展趨勢(shì)、撲火隊(duì)伍行進(jìn)路線、緊急避險(xiǎn)區(qū)域和緊急避險(xiǎn)撤離路線等進(jìn)行全面?zhèn)刹?。即最大限度縮短偵查時(shí)間，又可以有效避免偵查人員傷亡。

2 高原重載無(wú)人機(jī)在青海森林草原防滅火中的應(yīng)用

2022年，青海省緊緊圍繞三江源、祁連山、青海湖、柴達(dá)木、湟水谷地“五大生態(tài)板塊”，按照“固移結(jié)合、防救統(tǒng)一”原則，在點(diǎn)、線、面上科學(xué)搭配高原重油監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)、高原重載消防無(wú)人機(jī)、高原單兵便攜式偵察無(wú)人機(jī)，3 種機(jī)型密切配合、無(wú)縫銜接，解決了地面視頻監(jiān)控范圍有限、無(wú)法跟蹤火情，人工巡護(hù)周期長(zhǎng)、效率低，人工撲救難、安全性低[11]的工作難點(diǎn)、盲點(diǎn)、堵點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高原森林草原防滅火無(wú)人機(jī)從無(wú)到有、從有到優(yōu)、從優(yōu)到精、從精到強(qiáng)的有效轉(zhuǎn)變，填補(bǔ)了青藏高原森林草原防滅火高載重?zé)o人機(jī)空白，為森林草原資源巡護(hù)和防滅火提供了重要技術(shù)、裝備保障，為高原高寒高海拔地區(qū)無(wú)人機(jī)防滅火應(yīng)用提供了有益借鑒。

2.1 違規(guī)用火巡護(hù)監(jiān)測(cè)

根據(jù)全省森林草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)普查風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、防治區(qū)劃和林草資源分布，將森林草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分為35 個(gè)巡護(hù)網(wǎng)格，在防火期采用8 架高原重油固定翼無(wú)人機(jī)搭載三光吊艙（熱成像+30 倍光學(xué)變焦+激光測(cè)距），按照前期設(shè)定的飛行航線[12]，定期完成巡護(hù)監(jiān)測(cè)任務(wù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)巡護(hù)區(qū)域內(nèi)違法焚燒垃圾、秸稈等違規(guī)用火和火情火險(xiǎn)，進(jìn)行火情的智能識(shí)別及預(yù)警[13]，實(shí)時(shí)傳輸影像信息，為指揮中心決策部署提供依據(jù)，2023年，在春季和秋季農(nóng)事高峰期，采用8 架高原重油無(wú)人機(jī)巡護(hù)監(jiān)測(cè)80 余架次，及時(shí)處置林農(nóng)結(jié)合地帶違規(guī)焚燒秸稈、雜草等違規(guī)用火12 次。

2.2 林草火情動(dòng)態(tài)監(jiān)控

利用高原重油無(wú)人機(jī)巡護(hù)發(fā)現(xiàn)森林草原火情后，圖傳到指揮中心，指揮中心立即調(diào)度無(wú)人機(jī)操作人員，迅速使用高原單兵便攜式偵察無(wú)人機(jī)，圍繞火場(chǎng)定點(diǎn)盤旋偵查，實(shí)時(shí)獲取火點(diǎn)位置、火場(chǎng)蔓延范圍、風(fēng)力風(fēng)向氣象信息、火情火勢(shì)信息、人員分布信息、空中氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將視頻信息、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信息等通過中繼站、5 G網(wǎng)絡(luò)等傳輸手段傳回到生態(tài)管護(hù)員移動(dòng)端和各級(jí)森林草原防火指揮部門終端[14]。通過數(shù)據(jù)分析、影像識(shí)別，直觀判斷著火位置、火情發(fā)展蔓延趨勢(shì)，為指揮部門提供可靠準(zhǔn)備的決策部署依據(jù)，確定最優(yōu)的滅火位置，迅速調(diào)配撲救力量進(jìn)入重點(diǎn)區(qū)域展開撲救。夜間，搭載照明系統(tǒng)、喊話系統(tǒng)，為撲救人員安全撤離提供最佳路線，保障撲救人員人身安全。

2.3 違法行為警示教育

在每年的春節(jié)、清明等重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，利用高原單兵偵察無(wú)人機(jī)搭載語(yǔ)音傳輸和擴(kuò)音模塊，對(duì)城市面山、墳塋集中區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)巡護(hù)，在巡航過程中，對(duì)發(fā)現(xiàn)的違規(guī)民俗用火、農(nóng)事用火、生產(chǎn)用火行為，及時(shí)錄像取證，喊話制止[15]，并在空中進(jìn)行防火宣傳教育，做到防患于未然。

2.4 前期撲救余火處置

通過高原單兵偵察無(wú)人機(jī)確定起火點(diǎn)以后，以5架高原重載消防無(wú)人機(jī)為編隊(duì)，搭載70 kg9 彈頭滅火彈到達(dá)火場(chǎng)，通過雷達(dá)精準(zhǔn)定位，距離樹冠2 m的高度處爆破，增大滅火面積。森林草原火災(zāi)撲滅以后，利用高原單兵偵察無(wú)人機(jī)對(duì)余火復(fù)燃進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。通過搭載紅外熱成像儀，對(duì)火場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行巡航監(jiān)測(cè)，根據(jù)回傳的火場(chǎng)熱力值，分析判斷可能復(fù)燃的位置，及時(shí)調(diào)度撲救人員對(duì)余火進(jìn)行清理，減少余火復(fù)燃，提升森林草原滅火效率。

2.5 火災(zāi)災(zāi)損勘查評(píng)估

森林草原火災(zāi)撲救工作結(jié)束后，災(zāi)損調(diào)查與評(píng)估組利用高原重油監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)和高原單兵偵察無(wú)人機(jī)高低、遠(yuǎn)近配合，對(duì)森林草原受災(zāi)區(qū)域進(jìn)行航片拍攝，將拍攝數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建模處理，對(duì)比分析火災(zāi)前后災(zāi)區(qū)的正射影像圖，依據(jù)森林草原資源庫(kù)數(shù)據(jù)，測(cè)量森林草原受災(zāi)面積、測(cè)算受災(zāi)植被損失量，快速、高效地完成災(zāi)情勘查和定損等工作，提高了評(píng)估效率和準(zhǔn)確性，更加精準(zhǔn)有效的制定生態(tài)恢復(fù)方案和開展恢復(fù)狀況核查等工作。2022年，在果洛州達(dá)日縣、海西州天峻縣草原地下火科技攻關(guān)項(xiàng)目中，利用高原重油監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)和高原單兵偵察無(wú)人機(jī)傾斜攝影建模，建成了攜帶GIS信息[13]的三維實(shí)景模型，這有助于草原地下火發(fā)生、蔓延的研究。

3 結(jié)語(yǔ)

高原重載無(wú)人機(jī)在青海的推廣使用，有效提升了無(wú)人機(jī)在青藏高原森林草原防滅火中的應(yīng)用水平，提高了對(duì)森林草原火災(zāi)的事前預(yù)防能力、事中撲救能力、事后定損能力，為有效保護(hù)林草資源安全和人民群眾生命財(cái)產(chǎn)提供了有力保障。然而，高原重載無(wú)人機(jī)在森林草原防火應(yīng)用中，還有一些專業(yè)飛行人員培訓(xùn)難、設(shè)備維護(hù)難、運(yùn)維資金保障難等問題亟待解決。比如無(wú)人機(jī)購(gòu)買保險(xiǎn)因沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和依據(jù)，購(gòu)買保險(xiǎn)不科學(xué)、不合理；基層專業(yè)飛行人員培訓(xùn)拿證后，因工作變動(dòng)，飛手隊(duì)伍不穩(wěn)定。總之，高原重載無(wú)人機(jī)技術(shù)的推廣使用，有利于提升森林草原防火的監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，具有在青藏高原良好的應(yīng)用推廣空間和發(fā)展?jié)摿Α?/p>