从国外成功经验看我国森林防火新技术的应用

Time:2014-01-16

    林业是国家生态建设的主体。在全球倡导环保和发展绿色经济的大环境下,森林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亦起着巨大的作用。

    森林火灾是世界性的林业重要灾害之一,年年都有一定数量的发生,造成森林资源的重大损失和全球性的环境污染。森林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内能造成巨大损失的特点。因此一旦有火警发生,就必须以极快的速度采取扑救措施,扑救是否及时,决策是否得当,重要原因都取决于对林火行为的发现是否及时,分析是否准确合理,决策措施是否得当。

    我国森林资源较为贫乏,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,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。

    我国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,己成为林业工作的重中之重。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。为此,有必要借鉴国外森林防火的成功经验。

█ 国外常用森林防火技术

    目前,国外森林防火中应用了较多新技术和新设备。例如,德国投入使用的Fire-Watch System森林火灾自动预警系统就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年以来,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。

    美国航空航天局(NASA)和美国林业局从2006 10 月起,便在加州使用“牵牛星(Altair)”无人机在森林大火上空进行飞行。使用NASA 艾姆斯研究中心提供的红外扫描器查明主要火灾点,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。

    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。

    总之,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。

█ 国内林业防火市场需求

    近几年来,国内在森林防火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、森林火场监视等。为了早日实现森林防火工作的科学化、信息化、规范化、贯彻“预防监控为主,积极扑救的方针”,真正做到早发现,早解决,要根据森林监控系统的设想和要求,确定系统建设总体目标:坚持高起点,面向21世纪,保证系统的先进性和在国际同行中的领先地位;贯彻“实用、稳定、先进”的方针,以实际应用需求为设计依据,以信息化建设的发展规划为导向,确保系统高度集成、总体优化、安全可靠、稳步推进;系统应充分考虑功能扩容性和技术升级性、兼容、扩展,适应当代信息技术迅猛发展的要求,以求得最佳的性能价格比;鉴于视频监控的发展趋势以及实际情况和要求,对视频监控系统的选型应遵循以下原则:先进性、实用性、集成性、可扩展性、便利性、安全性、可靠性和经济性。

    同时,使系统能直观、真实、在森林火灾发生前及时发现火情,防止偷盗、捕杀……,从而起到预防的目的;在森林发生火灾时把现场的图像实时传回指挥中心,指挥中心通过监视前端摄像机图像指挥调度救火,最大限度的减小火灾造成的损失;能真实记录火灾发生前,救火过程中以及救火以后现场的真实情况,从而对火灾进行处理,提供有效真实的直观资料;架设激光夜视监控系统低照度全天候摄像机,白天夜晚都可以观测森林火情、对初发火情,做到及时发现、及时救护。使火灾隐患消亡在萌芽状态;从消防瞭望塔至林区管理指挥中心把前端图像传输至监控管理中心。森林防火消防中心可对火情及现场情况进行实时观察,以便及时了解现场情况协调调度指挥;林区监控管理指挥中心可以对前端设备进行长焦、短焦控制;对云台进行上下、左右控制;系统具有多路画面实时录像,多路画面实时显示,图像压缩质量设置,视频移动报警联动录像查询及回放,视频参数设置,远程图像显示,实时监控,远程监控,录像存储,定时录像,告警录像,用户管理等功能。

    此外,还要能满足山上24小时不间断供电的需要,和满足所有设备用电需要。使系统一要具有先进性,达到国际一流水平,且切实可行并容易实现;二要具有实用性,针对实际应用的特点,具有多种管理方式,如图形管理界面,配置既强调先进性也要注重实用性,并注意系统配置的经济效应,达到综合平衡;三要具有集成性,在高度集成小型化前提下,应具有多种功能;四要具有可扩展性,系统设计要考虑今后的发展,留有充分的扩充余地;五要具有灵活性,能够适应多功能、外向型的要求,讲究便利性和舒适性,达到提高工作效率、节省人力物力和能源的目的和提供符合国际标准的软件、硬件、通讯、网络、操作系统和数据管理系统等方面的接口和工具,使系统具有良好的灵活性、兼容性,使系统参数配置少,调整少,自动化程度高,使用方便,操作简单;六要具有安全性,比如不易感染软件病毒;七要具有可靠性,具备在规定条件和时间内完成用户所要求的功能的能力,能长期稳定的工作;适应恶劣的工作条件;故障率低,维护维修方便;八要具有经济性,经济性应包括以下内容;系统本身的价格(包括系统、技术服务和培训);系统运行后经济效应预算的可能收益;对系统实施现场的特殊要求所需的费用;对系统集成所需的有关软件和硬件等的开发费用;系统的易扩容。

█ 无人机用于森林防火或成趋势

    无人机在当下是一个热门话题,很多地方都有它的身影,森林防火也不可能少了它。只是在我国使用无人机系统对森林火情监测则还是初始阶段。

    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。

    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。

    无人机森林防火预警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。其应具备有如下特点: 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;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等。

    特别是在森林火灾发生时火场上空能见度极低,即使是有人驾驶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。无人机能够克服有人驾驶飞机的这一不足,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、部署灭火队伍,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 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。 

    无人机森林防火预警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。 

    由此可见,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。

    综上所述,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。虽然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,但是,随着无人机在林业不同领域应用的不断深入,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,将为我国林业特别是森林防火工作,促进林业经济发展做出积极的贡献。

摘自《专业无线通讯》

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