【应用方案】林业和草原防灭火无人机综合解决方案

微信扫码，打开到小程序

林业和草原防灭火 无人机综合解决方案 一、项目背景 1.1 全国林草防灾减灾必要性 根据《2022 年中国国土绿化状况公报》我国森林面积 2.31 亿公顷，森 林覆盖率达 24.02%；草地面积 2.65 亿公顷，草原综合植被盖度达 50.32%。 在我国防灾减灾工作中，林草防火占据重要地位，是林草日常管理最 重要的工作之一，同样也是公共应急体系建设的核心所在。但是，森林火 灾的突发性极强，如果发生火灾，火势的蔓延速度极快，将给林木带来最 具毁灭性的后果：其不但烧毁大片的林木，降低了森林自身的繁殖能力， 同时也破坏了森林失火区域及周边的水资源、空气资源和动物资源，从而 引起了当地整体生态环境的失衡。在这种情况下，必须有效地把握森林火 灾发展的状况才能够落实防火工作，保证人民群众的生命安全。当前，受 全球气候变暖、极端天气增多等因素影响，我国森林草原防灾减灾工作面 临自然因素和社会因素叠加的严峻挑战。 1.2 全国林草防灭火工作背景 1）森林草原火灾和气候存在紧密的联系 在森林中，乔木、灌木与杂草等都属于可燃物，气候干燥时容易发生 火灾。即便政府部门已经采取诸多措施，在森林防火中加大投入的力度， 但火灾危害仍然十分严重，而且气候环境变化也增加了火灾的发生频率。 2）森林防火季节的特征明显改变 在我国，秋季与冬季都是重点的森林防火期，但根据目前森林火灾统 计数据发现，夏季森林的火灾发生也逐渐频繁。为此，春夏秋冬四个季节 都成为森林防火的重要时期，所以森林防火的任务更为严峻。 根据森林火灾发生的地点、蔓延速度、火情的严重程度，可分为不同 类等级的森林火灾，因而也必须采取相应的火灾预防和处理措施。 今年 5 月由中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于全面加强新 形势下森林草原防灭火工作的意见》，其指导思想一是坚持以习近平新时 代中国特色社会主义思想为指导；二是提出新形势下森林草原防灭火工作 的基本方针，将“预防为主、积极消灭”修改为“预防为主、积极消灭、生命 至上、安全第一”。三是提出全面推进防灭火一体化的工作思路。森林草原 防灭火工作涉及预防、扑救、保障等多个环节和方面，强调多部门协同配 合、一体推进。 《意见》提出，抓好国家综合性消防救援力量建设，加强地方防灭火 专业力量建设，发挥社会扑救力量作用，加强专业人才队伍建设。加快推 进航空力量建设，大幅提升灭火救援的效率。着手筹建航空应急救援总 队，率先建强建好航空应急救援的国家力量。 强化提升专业指挥水平，最大限度降低灭火安全的风险。持续加强林 火特点规律的研究，尤其是对极端气候条件下森林草原火灾发生发展规律 和大火巨灾特殊火行为等研究，强化火场侦查和风险研判，紧盯灭火行动 各环节，严格队伍的管控和安全防护，把握最佳时段、选择最佳地段、运 用最佳手段，科学稳妥扑救，确保灭火行动安全高效。 “ 森林火灾发生突然、蔓延迅速、危害性大，要做到 打早、打小、打 ” 了 的森林火灾应急方针，就需要及时发现火情、收集数据、分析数据、评 估火情、指挥行动、控制火势。而目前就我国森林火灾发生状况来看，森 林防火任务已势在必行，森林防火的信息化建设更是重中之重。 国家林业局曾提出：要通过世界眼光与战略思维对林业信息化做出分 析；并在《全国林业信息化建设技术指南》和《全国林业信息化建设纲 要》中明确阐述了推进林业信息化建设的六项原则： · 统一规划，统一标准 · 统一管理，分级负责 · 需求主导，面向应用 · 整合资源，促进共享 · 注重实用，适度超前 · 试点先行，稳步推进 1.3 全国林草防灭火规划 2016 年国家林业局、发改委、财政部联合印发《全国森林防火规划 （2016-2025 年）》。为进一步提升草原火灾综合防控能力，全面加强草 原火灾预防、扑救、保障三大体系建设，于 2022 年国家林业和草原局、 应急管理部联合印发《“十四五”全国草原防灭火规划》，其衔接《全国森 林防火规划（2016—2025 年）》建设分区模式，根据全国草原火险区划级 别、草原资源分布状况、草原火灾发生情况、草原火灾风险普查阶段性成 效等因素，以及空间分布相对集中连片原则，按县级单位划分为草原火灾 高危区、草原火灾高风险区、一般草原火险区 3 类，其中高危区包括 100 个县级单位，涉及内蒙古、四川等 6 省区；高风险区包括 299 个县级单位， 涉及青海、甘肃等 14 省区；除去上述两类，全国草原火险区级别中的 359 个县级单位为一般区。 在《“十三五”全国草原防火规划》的草原火灾监测预警、预防控制、 应急处置 3 大系统的基础上，结合当前新形势丰富拓展，对林草防灭火工 作融合，完善防灭火一体化建设，延续原有工作的基础上《“十四五”全国 草原防灭火规划》坚持重在预防、防扑并举，林草统筹、突出重点，统一 领导、统筹协同，确定五大建设任务。即以防灭火宣传、火源管理为主的 风险防范系统，以火险预警、卫星监测、视频监控为主的预警监测系统， 以防灭火站、防灭火物资储备库、阻隔系统为主的预防控制系统，以日常 通信、机动应急通信、业务应用平台为主的通信指挥系统，以队伍装备和 配套设施为主的消防队伍能力建设。 二、项目建设可行性及优势 2.1 林草防火应用的可行性分析 1）技术可行性 自 20 世纪 80 年代以来，随着计算机技术、通讯技术的迅速发展以及 各种数字化、重量轻、体积小、探测精度高的新型传感器不断面世，外加 航空技术的飞速发展与无人机系统性能的不断提高；如今的无人机系统已 经能全面融合自动飞行控制技术、卫星通信技术、GPS 差分定位技术、遥 感载荷技术、遥测遥控通信技术等先进的技术。 工业级无人机具有无人机的所有优良特点，所以对林火的检测有重要 的协助作用，无论是预防工作或救援工作及最终的善后工作，工业级无人 机都能够发展其优势，对林火检测工作作出了巨大的贡献。林火监测烟雾 识别我国森林资源较贫乏,森林大火每年都有发生。同时，工业级无人机不 受外界环境影响，在恶劣的雨雪天气或大风天气等，工业级无人机都能正 常发挥其作用，对森林防火工作起到协助作用。未来，随着新材料、新动 力、新载荷的不断涌现，大数据、人工智能、态势感知、数字仿真等前沿 技术的不断突破，林草应用新市场、新需求的不断增加，无人机在林业的 应用还有更多的可能性。 2）政策可行性 我国民用无人机系统发展正处在起飞阶段，目前我国诸多部门正在推 动民用无人机产业发展，包括了建立管理部门、发布适航政策、开展无人 机培训认证等。 （一）法律法规 近年，国务院、中央军委、总参谋部、民航总局等机构颁布一系列政 策法规，包括《关于民用无人机管理有关问题的暂行规定》、《民用无人 机空中交通管理办法》、《关于深化我国低空空域管理改革的意见》、 《通用航空飞行任务审批与管理规定》、《轻小无人机运行规定》、《民 用航空飞行标准管理条例》等，在无人机任务审批、驾驶员管理、适航管 理、飞行管理、空域管理等方面做出了规定。 2023 年 11 月 30 日，为有效支撑《无人驾驶航空器飞行管理暂行条 例》（国令第 761 号）实施，国家标准化管理委员会印发 GB 42590— 2023《民用无人驾驶航空器系统安全要求》，并将提前将实施日期由 2024 年 6 月 1 日提前至 2024 年 1 月 1 日。 （二）空域管理 随着法律法规的健全，空域管理相关部门逐渐完善空域报批流程，简 化审批手续，逐步放开低空空域报，中国空军、中国民航局和地方政府有 关管理部门联合队驾驶员、无人飞行器和低空空域进行协调和管控。 总体情况来看，目前无人机飞行主要受所在地的民航部门和空军共同 监管，无人机飞行员资质管理逐步规范化。 3）作业规范可行性 随着无人机在民用行业应用的普及，各个行业已逐步开始探索对无人 机作业的规范化管理。各行业领域的主管单位分别根据自身应用情况逐步 制定无人机行业应用作业规范。如无人机应用普及程度相对较高的电力领 域中，国家电网都已经出台、起草了无人机电力巡检相关的作业规范；南 方电网正在制定一套完善全面的具有自主知识产权和技术特色的输电线路 机巡技术标准体系，覆盖无人机平台、任务载荷、测控通信、数据处理、 数据管理与应用等标准规范。在海洋领域，国家海洋局已开始起草 7 项针 对无人机海洋监测业务的行业标准，包括《无人机海域监测网络化管理规 范》、《海域无人机平台准入标准》、《无人机系统作业指导规范》等， 无人机海洋作业逐步规范化。 我司近年为全国多地林草局开展林业草原巡护工作，累计类型时长超 过 1000 小时，编写《无人机林业巡检作业规范》《飞行任务计划表》 《飞行任务记录表》《无人机飞行风险预判预防方案》《无人机飞行应急 处置手册》等作业的规范化文件。目前，随着林草应用新市场、新需求的 不断增加，无人机在林业应用的作业规范可行性也在不断增强。 2.2 林草防护智能化信息化建设分析 随着近年来国家对互联网+的推广，网络信息化技术在森林防火工作 中的应用也是日益广泛，各种信息化管理系统平台功能也是日趋完善。其 作为森林防火管理体系的重要一环，在火情实时监控、火情精确预报等方 面取得了良好的成效，也为森林防火管理工作提供了可靠的技术支持，进 而推动了森林防火应急处理能力和水平的整体性提升。同时，通过信息化 系统与遥感、GIS 系统的深度融合，逐渐形成了森林防火监测与预防管理 系统，从而有效的提升了防火指挥中心的决策效率和决策准确性。从目前 的情况来看，我国的森林防火信息化管理体系已经初步形成。由于我国幅 员辽阔，各省份经济发展水平差异较大，这也决定了我国森林防火信息化 建设客观上还存在以下问题： 1）在我国许多偏远地区由于信息化基础比较薄弱，以及通信设施的 老化，从而导致森林火灾发生时在信息采集、传递和分析等方面存在不少 的问题，进而降低了火情处理效率。如： （一）通信覆盖：现场环境地形复杂，无通信信号，人与人之间无法 联系，危险系数增加； （二）极端环境：极端环境下无法侦查火场环境，情况不明，实时救 援难度增加； （三）通信手段易受干扰：现场专网通信手段多样，其通信使用频段 相同或接近，易受干扰，造成通信混乱，应用效果差； （四）可视扁平指挥：通信链路中断，现场应急需求无法上传回指挥 中心，指挥中心无法下达调度指令； （五）实时通信传输手段缺乏：前端采集的防火信息，无法快速有效 的回传至信息中心，时效性差； （六）防火信息采集手段单一：传统人工巡护劳动强度大、工作效率 低、信息获取不准确；借助卫星遥感对防火信息获取存周期长、时效性 差； 2）防火信息化建设专业人才不足，很多信息化系统和设施缺乏应有 的维护，从而在一定程度上无法发挥出防火信息化系统应有的效果，进而 导致在森林火灾扑救工作中的出现时效性偏低、灭火效果不理想等情形。 3）缺乏全局性的信息化基础管理平台架构，各防火信息化系统相对 独立，从而出现各子系统缺乏扩充弹性，资源无法共享等情形，在一定程 度上影响了防火信息化系统功能的发挥。同时，森林防火信息化建设的专 项资金不足。不少软件和新技术项目立项投入开发完成后，缺乏持续的软 件升级和功能的更新，这也导致了部分信息化系统无法满足日渐复杂的森 林防火需求，从而影响了使用效果。 2.3无人机在林草防灾减灾中的应用 根据当前我国林草林火灾发生的状况，防火任务势在必行。森林火 灾，很容易受到诸多因素影响，如果只是借助人工预防与监测的方式，很 难有效地应对突发性的火灾，所以一定要高度重视森林防火的信息化建 设。 1）侦查优势 森林火灾一般发生在山林地区，具有地形复杂的特点，而山林地区一 般存在放牧人员，若在林区抽烟则极有可能造成森林火灾。在山林地区发 生火灾后，消防人员难以进入山林搜救人员及控制火灾，不能有效掌握山 “ ” 林的实时情况，因此，施救与抗灾难度极大。森林火灾 爆燃 现象的特征 是突然发生的高强度,高蔓延速度的燃烧。在此过程中，无人机则可以起到 侦查作用，通过设定一定高度，快速进入林区，全面地检测林区，通过摄 像头将实时影像传送到工作人员的电脑系统，使工作人员了解山林实时情 况。通过使用无人机，能够及时发现山林火灾中被困的人员或动物，再通 过直升机等方式进行相关的救援工作，保证人员财产的安全。通过无人机 侦查，能够发现火灾的蔓延速度、风向及燃烧范围等，使消防人员了解火 灾的具体情况，从而选择最恰当的切入点扑救火灾，保证消防人员的生命 安全。 2）通信覆盖 无人机的信号很容易受山区、楼宇等的阻挡，导致 3-5 公里可能就会 丢失信号，无法覆盖更远的距离。为了传输更远的距离，就需要寻找制高 点架设地面天线。大部分情况下寻找制高点费时费力，同时危险系数也比 较高，不符合以人为本的发展理念。在一些应急情况下时间就是生命，也 不允许有时间去寻找制高点。 通过深入了解行业应用需求，我司推出了中型复合翼卫星通信无人机 和自组网通信无人机，彻底解决了地理因素制约无人机通信的难题。其集 成了我司当前最新的软硬件技术，具有续航时间长、通信距离远的优点， 具备高带宽优势，可接入多架无人机或地面任务设备，让复合翼无人机真 正有底气发挥航程远、长续航的优势。 通过长航时大载重复合翼无人机搭载卫星通信及公/专网基站设备，可 有效解决非通视情况下作战场景无通信网络的问题，保障最前线人员、前 线指挥部以及后端指挥中心的实时通信，为决策者提供实时态势感知： 通过长航时垂直起降固定翼无人机搭载 Mesh 自组网设备可有效解决 作战场景无网络环境专网通信问题，快速建立专网通道，每节点可通过 WIFI 接入现有现有装备及对讲机，或通过 APP 直接使用语音、文字、图片 及视频的实时通信。 3）余火监控 在火灾发生后或经消防人员进行扑救工作后，由于林区长满丰富的植 被，而植被是易燃物体。因此，若不能及时地扑灭火灾发生后的余火，极 有可能引起森林火灾的二次复燃。在此项工作中，由于山体的造型结构复 杂，且范围较广，所以，难以进行余火的搜寻扑灭工作。同时，由于火灾 发生后的森林弥漫浓烟，消防人员难以进入山林深处，不能全面地搜寻山 体余火。而无人机在此阶段则可以代替消防人员的工作，通过全方位的飞 行和全面捕捉画面，从而在屏幕上观察山林中余火位置及燃烧程度，对其 进行评估，扑灭存在二次复燃隐患的余火，保证圆满完成火灾处理工作。 通过无人机的实施监控，可以持续长时间地监测发生火灾的山林，从而保 证能够有效地处置肉眼不可见的余火。 4）灾后调查 在此工作阶段中，由于山地面积大、路况差等特点，所以，难以进行 全面灾后调查评估工作。无人机可以通过自身的各项优势全面调查火灾后 的山林。在火灾发生后，难以保证火灾未对人员或动物造成伤害，同时要 详细地评估与记录林区受到的损害程度及灾害范围等，因此，要进行灾后 调查工作。无人机能够在此工作中发挥其优越的性能，凭借飞行速度快、 续航时间久、不受环境影响等特点，全面地调查山林，从而得到真实的数 据，协助工作人员完成灾后调查工作。在此过程中，无人机不仅能够对灾 后调查工作起到辅助作用，同时对起火原因的探索起到了协助作用，通过 全面地监控探索火灾始发部位，从而对火灾发生的原因搜寻起到一定的辅 助作用。 三、复合翼无人机系统单元介绍 3.2 综合任务系统 一、光电吊舱 EOP-40B 是一款带测温功能的三轴双光吊舱，产品详见图 3.4。 图 3.4 EOP-40B 光电吊舱 EOP-40B 双光吊舱主要技术参数如表 3.3 所示。 表 3.3 EOP-40B 双光吊舱性能参数 项目 功能描述 性能参数 基本参数 吊舱重量 ≤1kg 尺寸 直径 130mm，高 208mm 功耗 20W ≤ 吊舱 类型 三轴机械增稳 俯仰范围 -120°~ 90° ﹢ 方位转角 360°*N 横滚范围 -60°~ 60° ﹢ 稳定精度 ±0.02° 跟踪模块 外置 动态定位精度 30m ≤ 可见光相机 镜头 30X 光学变焦 分辨率 1920*1080 FOV 63.7°（广角端）to 2.3°（长焦端） 红外相机 像素 640*512 类型 非制冷型焦平面 8-14μm 镜头焦距 35mm 热成像伪彩 10 数字变倍 4 倍 测温范围 -20℃~150℃ 测温精度 ±2℃或±2% 图像储存 全温度数据 视频储存 全温度数据 接口 视频输出接口 HDMI/SDI/同步 422/百兆网 吊舱控制接口 RS422/RS232/PWM/S.BUS 储存接口 Mini SD 卡/32G 电源 20V~ 36V ﹢ ﹢ （DC） 环境适应性 工作温度 -20℃~55℃ 储存温度 -40℃~60℃ 二、激光雷达 GL-54 整体设计紧凑简洁，所有的部件集成于箱体内，外壳使用进口 坚硬耐磨轻型材质，控制端口设计巧妙，安装只需要 4 个接口，与无人机 搭载方便快捷。设备操作简单、储存容量大，配置智能数据采集软件 GeoCollect，自动完成数据采集，结合独有彩色点云软件 Geo-LAS，快速获 取大面积高精度三维数据，为大面积无人机激光雷达测绘项目理想的选 择。 GL-54 配 置 Riegl VUX-1LR22 长 测 距 轻 型 激 光 扫 描 仪 、 高 精 度 的 IMU/GPS 系统，4200 万像素相机系统，以及大容量智能控制单元，总重 量仅 5 公斤，适合多种平台搭载使用，尤其是垂直起降固定翼无人机，进 行长航时飞行及大面积数据获取。 图 3.5 GL-54 激光雷达 表 3.4 GL-54 激光雷达性能参数 技术模块 指标 参数 激光器 激光等级 1 级，人眼安全 波长 近红外 激光束分散角 0.5 mrad 测距 5m to 1845m 扫描角 360 度 脉冲频率 1500kHz 扫描机制 旋转棱镜 惯导系统 俯仰/翻滚角精度 0. 005 度 航向角精度 0.010 度 采样频率 200Hz 支持的卫星 定位系统 GPS、GLONASS、GALIEO.北斗（可选） 相机系统 影像传感器 CMOS 全画幅 分辨率 4200 万像素 控制单元 控制单元 Win 10 GL 系统电脑控制仪 存储容量 可支持连续 8 小时飞行数据采集 工作效率 扫描带宽 可达 2000m 单位面积 一个架次可完成 200+平方公里 1:1000 地形测绘 整体 系统参数 工作电压 14 - 30V 功耗 85W （最大） 尺寸（长 X 宽 X 高） 361mmX210mmX 128mm （含内置相机） 整机重量 5kg （含相机） 工作温度 -5°C to 40°C 存储温度 -10°C to 50°C 三、倾斜相机 图 3.6 OPC-20B 倾斜相机 表 3.5 倾斜相机主要技术参数 项 目 性能参数 总像素 ≥210Mpix （2.1 亿） 相机焦距 正摄：40mm 倾斜：60mm 曝光间隔 ≤0.6s 可更换存储器容量 ≥600GB*2 相机同步性 20ms CCD 数量 5PCS 最大拷贝速度 ≥220MB/s 可