森林防火及资源管理信息系统
森林防火及资源管理信息系统方案
1前言
森林资源是我国非常重要的自然资源，需要我们大力保护。为此，加强森林资源管理和森林防火科学研究，增加科技含量，迅速提高预防和扑救森林火灾的综合能力，将森林火灾损失降到最小程度，切实有效地管理好国家的森林资源，保护好森林资源，是林业管理部门的核心任务。
森林火灾是森林的主要灾害之一，森林火灾不仅严重破坏森林资源，造成巨大经济损失，而且造成灾区及周边地区环境的严重污染。1997年印尼、马来西亚的森林火灾不仅严重破坏了森林资源，而且造成东南亚地区严重的空气污染。我国 1987年大兴安岭火灾及今年春季的内蒙古火灾都造成森林资源的严重损失。因此，森林防火问题已引起世界各国的广泛关注，也是林业部门重要的基础工作之一。
森林火灾是林业生产的重大灾害之一，及时的火险预警在林业生产中具有十分重大的意义。森林火险预警包括火情发现与观察，火险预测报告和林火扑救组织等。在GIS中，结合森林资源图和地形图，提供合适的观察点和有效的观察控制区域，达到最大的观察范围。及时对火险进行预报。另外森林火灾往往具有突发性的特点，这就需要森林扑火工作应该具备快速反应的能力，争取把森林火灾扑灭在萌芽状态，可以及时地查出火灾发生的地点、分析扑火最短路径及最近水源分布等情况，节省了大量的宝贵时间，大幅度地减少了火灾损失，节约了人力、物力和财力。因此森林防火指挥系统的快速、准确、高效对有效地组织森林扑火显得尤为重要。
21世纪将是信息化的世纪。全球计算机技术和网络技术取得了突飞猛进的发展，数据库、地理信息等技术已日趋成熟，为系统建设创造的良好的条件。建立森林防火信息管理系统对林业整体管理的现代化水平具有深远的影响。
2项目总体目标
本项目拟结合3S技术（地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感RS）、计算机技术、网络技术，通过对森林资源信息及森林防火信息进行数字化，建立林业数据空间平台包括：（1）建立防护站、基础设施、森林资源信息等数据库。实现对监测地区的林区面积、林种、归属、树龄等概况数字化显示、快速显示；能够标注监控地点的方位、距离、面积、地形地貌等信息。
（2）具备地图管理、图层控制、查询及量算等基本功能：管理各种比例尺的矢量图和遥感图，可以对基础数据图层及专业数据图层控制，可以任意增加、删除基础数据图层；能
对不同比例尺的矢量图进行各类地理信息和属性信息的查询，能根据图名、行政区划、地名、地理坐标等信息查询，能对矢量地图上的任意两点之间的距离进行量算，计算任意区域的面积；
（3）提供数字三维模拟功能：在三维电子地图实现漫游，二维、三维可调速飞行俯视，飞行路线可由鼠标控制，亦可按事先编制路线飞行；
（4）可以实现热点管理功能：能准确定位火点，并将火点周边的相关信息显示在地图上以便用户查询。
3项目建设所应用的关键技术
3.1 “3S”系统集成技术
“3S”是指遥感（Romote Sensing）、地理信息系系统（Geographic Information System）和全球定位系统（Global Positioning System）。目前在世界范围内其应用方兴未艾。由于“3S”技术具有自动化、实时化、动态化、数字化等特点，在地学的研究和应用中已成为热点，在土地资源、农业、林业、地质、测绘等行业有关资源、环境、灾害调查、监测、成图等方面成为不可缺少的手段。在林业应用中，“3S”是数字林业的重要技术支撑。通过“3S”集成，建立对地观测系统，可以从整体上解决一切与地学相关的资源与环境问题，实现“定性、定位、定量”的统一。
3.1.1地理信息系统（GIS）技术
地理信息系统是在计算机软硬件的支持下，对空间相关数据进行采集、存储、管理、操作、模拟、显示和综合分析的计算机技术系统。
国际互联网（Internet）和地理信息系统（GIS）改变着地理空间信息的获取、共享、发布与分析。网络与地理信息系统结合成Internet GIS /Web-GIS是GIS软件发展的必然趋势。互联网已经成为GIS的新的操作平台。Internet GIS应是一个交互式的、分布式的、动态的地理信息系统。它不仅为全球用户提供分布式地理信息数据，而且还提供在线分布式地理信息处理与分析的工具。
3.1.2遥感（RS）技术
RS（Remote sensing）卫星遥感系统。广义地说，是在不直jie接接触的情况下，对目标物或自然现象远距离感知的一种探测技术。狭义而言，是指在高空和外层空间的各种平台上，应用各种传感器（如摄影仪、扫描仪和雷达等等）获取地表的信息，通过数据的传输和处理，从而实现研究地面物体形状、大小、位置、性质及其环境的相互关系的一门现代化应用技术科学。
当前遥感形成了一个从地面到空中，乃至空间，从信息数据收集、处理到判读分析和应
用，对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系，成为获取地球资源与环境信息的重要手段。
遥感有如下主要特点：
（1）感测范围大,具有综合、宏观的特点。
（2）信息量大，具有手段多、技术先进的特点。
（3）获取信息快，更新周期短，具有动态监测特点。
3.1.3全球定位系统（GPS）技术
全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。
全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
3.2异质、多源、多比例尺空间数据融合处理
基于“3S”技术的森林防火信息系统建设需要建立统一的地理空间框架，在此基础上，构建多尺度基础地理信息数据库，为林业信息提供统一的空间载体。主要关注的内容有：基于统一参考椭球体的林业空间定位框架；
适于从宏观到微观切换的地球椭球体三维坐标向二维坐标投影(转换)的理论方法及自适应模型、算法；
统一的陆海基准面的基本模型；
多尺度基础地球空间数据框架的构建、实现技术等；
不同比例尺林业地图的空间属性数据库结构、数据组织，林业专题地图与基础地图融合和处理。
3.2.1栅格数据之间的融合
本系统基础地理及林业专题数据源将用到不同来源、不同精度、不同内容的栅格图像数据进行复合而生成新的栅格图像。图像融合一般要经过图像配准、图像调整、图像复合等环节。
（1）遥感图像之间的融合。主要包括不同传感器遥感数据的融合和不同时相遥感数据
的融合。来自不同传感器的信息源有不同的特点，如用TM与SPOT遥感数据进行融合既可提高新图像的分辨率又可保持丰富的光谱信息；而不同时相遥感数据的融合对于动态监测有很重要的实用意义。
（2）遥感图像与地图图像的融合。一是遥感图像与栅格化的DEM融合生成立体的三维景观图像，显现逼真的现实效果；二是借助遥感图像的信息周期动态性和丰富性，经过与各种地图图像融合，可以从遥感图像的快速变化中发现变化的区域，进行数据的更新和各种动态分析。
3.2.2矢量数据之间的融合
矢量数据是GIS和数字制图中最重要的数据源。矢量数据之间的融合是应用最广泛的空间数据融合形式，也是空间数据融合研究的重点。对矢量数据最主要的、应用最广泛的方法是先进行数据格式的转换即空间数据模型的融合，然后是几何位置纠正，最后是重新对地图数据各要素进行的重新分类组合、统一定义。
对于相同坐标系统和比例尺的数据而言，由于技术、人为或者经频繁的数据转换甚至是由于不同软件的因素，数据的精度会有差别。在融合过程中，需要进行几何位置的统一。
融合后的空间矢量数据，应重新对要素分层、编码、符号系统、要素取舍等问题进行综合整理，统一定义。
3.2.3矢量数据和栅格数据的融合
目前，很多的GIS系统平台能够对矢量和栅格结构的空间数据进行统一管理，两种数据结构的融合也在广泛应用。主要包括：
栅格图象与数字线划图融合。是两种结构数据简单的叠加，是GIS里数据融合的最低层次，如遥感栅格影像与数字线划图叠加，遥感栅格影像或航空数字正射影像作为复合图的底层，数字线划图可全部叠加，也可根据需要部分叠加，如水系边线、交通主干线、行政界线、注记要素等等。这种地图具有一定的数学基础，有丰富的光谱信息和几何信息，又有行政界线和其他属性信息，可视化效果很好。
遥感图像与DEM的融合。DEM代表精确的地形信息，用它来对遥感影像进行各种精度纠正，可以消除遥感图像因地形起伏造成图像的像元位移，提高遥感图像的定位精度；DEM还可以参与遥感图像的分类，在分类过程中，要收集与分析地面参考信息和有关数据，为了提高分类精度，同样需要用DEM对数字图像进行辐射校正和几何纠正。
3.3遥感影像预处理技术
在栅格数据的加载前，对各类影像栅格数据集，需要进行数据的整理、组织和不同类型的预处理工作，包含几何校正、统一坐标和投影系统、数据格式的转换和统一等方面的处理。
遥感影像预处理为遥感影像进一步应用（如信息提取和模拟真彩色正射影像图制作）提供基础，可对用户选定的兴趣区进行遥感影像预处理。遥感影像预处理包括以下几个子功能模块：图像配准、图像的几何精校正、图像融合、数据增强、图像拼接、图像裁剪等。
图像配准
基本流程：
图1 图像配准流程图
图像的几何精校正
图像的几何精校正是通过读取遥感图像头文件中的参数信息建立轨道初始模型，通过地面控制点信息优化轨道参数模型，最后通过轨道模型和DEM逐象素地校正遥感图像。
图像融合
遥感图像融合就是图像合成技术,将不同平台(卫星)上的同一或不同传感器获取的不同空间与光谱分辨率图像按特定的算法进行处理，以使所产生的图像同时具有原来图像的多光谱特性以及高地面分辨率，来实现不同的应用需求。融合的操作过程比较简单，关键是融合前两幅图像的配准以及融合过程中融合方法的选择。
数据增强
数据增强是将原来不清晰的图像变得清晰或突出某些特征，同时抑制某些特征的图像处理方法。数据增强主要包括空间增强、辐射增强、光谱增强、高光谱增强等。
空间增强技术是利用像元自身及其周围像元的灰度值进行运算，达到增强整个图像之目的；辐射增强是对单个像元的灰度值进行变换达到图像增强的目的；光谱增强处理是基于多波段数据对每个像元的灰度值进行变换，达到图像增强的目的；高光谱增强处理是通过补偿大气对光谱的混淆来增强图像。
图像拼接
图像拼接处理是要将具有地理参考的若干相邻图像合并成一幅图像或一组图像，需要拼接的输入图像必须含有地图投影信息，或者说输入图像必须经过几何校正处理或进行过校正标定。虽然所有的输入图像可以具有不同的投影类型、不同的像元大小，但必须具有相同的
波段数。在进行图像拼接时，需要确定一幅参考图像，参考图像将作为输出拼接图像的基准，决定拼接图像的对比度匹配以及输出图像的地图投影、像元大小和数据类型。
图像裁剪
在实际工作中，经常需要根据研究工作范围对图像进行分幅裁剪，可将图像分幅裁剪分为两种类型：规则分幅裁剪和不规则分幅裁剪。
规则分幅裁剪是指裁剪图像的边界范围是一个矩形，通过左上角和右下角两点的坐标，就可以确定图像的裁剪位置，整个裁剪过程比较简单，此外，还可以通过应用查询框的方式裁剪。
不规则分幅裁剪是指裁剪图像的边界范围是个任意多边形，无法通过左上角和右下角两点的坐标确定图像的裁剪位置，而必须事先生成一个完整的闭合多边形区域。对于不规则裁剪我们同样采用通过查询框的方式，只是查询框形状为多边形。
4项目总体架构
4.1系统物理结构
整个森林防火及资源管理系统包括分布在各处的监测点、各相关单位处室、中心机房等组成。监测部分由分布在建筑物或森林制高点搭建的云台上的摄像设备、微波传输设备、多媒体显示设备组成。各单位相关处室工作人员通过网络处理有关业务和数据信息。中心机房提供数据服务和协同办公平台。系统可以通过有线和无线等方式进行联网通信，对外发布客户端以B/S模式通过专线、VPN等方式浏览和上报信息。系统物理结构示意如图：
图2 系统物理结构
4.2系统框架结构
整个系统主要采用B/S结构，可实现多种信息的发布、查询、统计和分析功能，以及多源、多比例尺数据的整合、复杂图形数据的生成和处理。
图3 系统总体结构
5系统功能介绍
5.1基础建设
5.1.1数据库建设
（1）建立地形数据库：
1：25万数字矢量地形图数据库
1：5万栅格地形图数据库
1：5万等高线高程模型矢量数据库
1：5万或1：2.5万森林资源专题图（林相图）矢量数据库
1：25万资源卫星正射影像图数据库。
（2）森林资源数据库：
森林资源连续清查数据
森林资源规划设计调查数据
（3）林业局专题信息数据库
森林经营管理专题数据
森林防火专题数据
5.1.2电子监控系统定位及监测系统建设
（1）电子监控系统定位
在重点林火区域设置电子监控系统，通过全天候全方位电子摄像监控，将监控采集的影像信息通过微波传输方式传入指挥中心，指挥中心将接收到的监控视频信息显示出来，并可根据监控摄像机的方位角和仰角计算出监测点在电子地图上的位置并标识出来，并根据各参数进行相关分析。整个系统计划安装六个火灾监测站点和一个指挥中心站点，并可以根据需要追加新的火灾监测站。
使用电子监控系统进行参数回传，并与DEM曲面相交，其原理如图，在已知摄像机的仰角和方位角的情况下，跟据其高度和位置信息可求得其和DEM高程数据的交点位置并显示在平面地形图上。
图4 监控点定位示意图
求交点的方法我们使用MAPGIS本身自带的计算函数进行计算，每个监控设备所在的三维位置包括X、Y坐标和高程值为已知，其中XY坐标值为80坐标系下坐标，以空间数据方式保存在数据库中，高程值以85黄海坐标系为基准面，数值为监控摄像头距地面高度加上该点在DEM中的高程值的和，
监控设备当前状态的仰角和方位角以微波方式由接收装置接收