基于3S技术的森林防火辅助决策系统研建

基于3S技术的森林防火辅助决策系统研建
马胜利
【摘要】以3S技术为核心,综合运用数据库管理和现代网络通信技术,研究建立了
基于C/S和B/S结构下的省、市、县三级森林防火辅助决策系统,为各级森林防火部门的森林火险预测预报、防火设施布局、森林火情监测、林火扑救指挥、火灾损失评估等的科学决策提供了技术平台.
【期刊名称】《西北林学院学报》
【年(卷),期】2010(025)005
【总页数】5页(P112-116)
【关键词】3S技术;森林防火;辅助决策系统
【作者】马胜利
【作者单位】国家林业局西北林业调查规划设计院,陕西,西安,710048
【正文语种】中文
【中图分类】S762.6
森林火灾是世界性的林业重要灾害之一,已成为破坏森林资源和生态环境的最大威胁,不仅给国家带来巨大经济损失,而且也对生态环境和林业产业经济的安全构成严
重影响[1]。

从我国森林防火现状来看,预防火灾主要靠“死看死守”,扑灭火灾主要靠“人海战术”,防火设施布局存在盲区,森林火情监测靠人工野外巡查,火灾损失评估主要靠外业调查,自动化程度较低,科技含量不高,无法很好地满足森林防火的需要。

为了适应我国现代化的森林防火工作需要,推进我国森林防火信息化的进程,建立森林防火辅助决策系统具有十分重要的意义。

1 系统目标
森林防火辅助决策系统,采用“3S”技术和数据库管理技术、结合现代网络通信技术,以基础地理数据为空间信息平台、以森林资源专题信息为基础,集成森林防火队伍、基础设施建设、消防装备、火情监测等森林防火专题信息,研究建立基于客户端/服务器(C/S)和浏览器/服务器(B/S)结构下的省、市、县三级森林防火辅助决策系统,满足森林防火信息获取、信息传输、信息处理、信息发布等信息管理功能,为各级森林防火部门的森林火险预测预报、防火设施布局、森林火情监测、林火扑救指挥、火灾损失评估的科学决策提供技术平台,实现森林防火信息资源化、传输网络化、决策科学化、指挥快速化、调度实时化[2]。

2 系统设计
2.1 系统体系结构
系统采用3种体系结构,即C/S结构、B/S结构和单机结构,以ArcGIS软件为平台进行增值开发,各子系统共用同一个后台数据库,实现空间数据库与制图数据库的一体化管理(图1)。

系统不但满足省、市、县级森林防火部门的使用要求,而且与国家林业局防火办管理信息系统兼容,实现信息共享,满足从国家到省和从省到国家的数据交换。

C/S结构:在局域网Intranet和林业专网环境下,通过开发的地理信息系统软件用户可以访问存放于网络服务器上的信息资源,进行与空间资源有关的森林防火业务的检索、查询、编辑、制图,统计、分析、数据管理等。

B/S结构:在广域网Internet环境下,通过IE等浏览器用户直接访问系统资源,进行空间和专题数据的浏览查询、统计分析、成果输出。

单机结构:将基础地理空间信息、森林资源、防火专题信息,以及地理信息系统软件,
安装在同一台机器上,便于火场指挥和基层用户移动使用,功能与C/S结构基本一致[3]。

2.2 系统开发策略
系统开发采用C/S结构面向数据操作和管理用户,B/S结构面向最终应用用户的开发模式。

C/S结构中,采用Arc GIS Engine作为地理信息系统开发平台;B/S结构中,选择XML表示和描述数据类型,采用Arc GIS Server为网络发布平台、Microsoft Visual 为开发平台。

2.3 数据库管理
系统数据中心由数据库、数据库管理系统和相应的网络系统组成,负责存储和管理森林防火所需的各类数据库,为各级的防火指挥提供数据支持,并通过林业专网等实现远程交换和共享。

海量空间数据管理,采用Oracle+ArcSDE空间数据管理技术,即Oracle作为空间数据管理平台,ArcSDE作为空间数据引擎[3]。

单机用户采用Personal Geodatabase格式存储。

图1 系统体系结构图Fig.1 System architecture diagram
3 数据库设计
3.1 数据类型
空间数据库,包括基础地理信息、森林资源、土地利用和森林防火专题信息。

空间数据类型,包括数字线划图(DLG)、数字栅格地图(DRG)、数字高程模型(DEM)、数字正射影像图(DOM)、森林资源数据(FS),土地利用数据(LU)、森林防火数据(FF)(表 1)。

3.2 数据组织
根据空间数据的逻辑结构和GeoDataBase的数据模型,空间数据库的逻辑层次结构划为五级:总库-分库-子库-逻辑层-物理层。

空间数据入库时,采用“数据集+'-'+逻辑层+物理分层”命名。

基础地理数据,包括行政区划、水系、铁路、公路、居民
地、地貌等12层数据;森林资源数据,包括小班、林班和生态区位等数据。

土地利用数据,包括地类和权属等数据;森林防火数据,包括历史火点、火险区划和防火设施等数据(表2)。

表1 森林防火空间数据类型Table 1 Forest fire spatial data types数据类型数据集数据内容要素类型数据格式DLG SXLY4000K-DLG 1∶400万数字矢量地图SXLY1000K-DLG 1∶100万数字矢量地图SXLY250K-DLG 1∶25万数字矢量地图SXLY50K-DLG 1∶5万数字矢量地图矢量 Shape DRG SXLY50K-DRG 1∶5万数字栅格地图栅格 TIF DEM SXLY250K-DEM 1∶25万数字高程模型SXLY50K-DEM 1∶5万数字高程模型栅格 Grid DOM SXLY150M-TM TM遥感影像图SXLY25M-SPOT SPOT 5遥感影像图栅格 TIF FS SXLY25K-FS 森林资源数据矢量 Shape LU SXLY10K-LU 土地利用数据矢量 Shape FF SXLY50K-FF 森林防火数据矢量 Shape
表2 森林防火数据图层分类Table 2 Forest fire data layer classification数据集图层名称逻辑层名称代码物理层要素特征要素内容代码SXLY50K-FF历史火点LSHD 线历史火点分布图 LN火险区划 HXQH 面火险区划图 PY防火设施 FHSS 点防火设施分布局 PT扑火资源 JHZY 点扑火资源分布图 PT了望台分布 LWFU 点了望台分布图 PT防火对象 FHDX 点重点防火对象分布图 PT隔离带分布 G LFB 线森林防火隔离带分布图 LN隔离带规划 G LFB 线森林防火隔离带规划图LN设施规划 SSGH 点森林防火设施规划图 PT扑救队伍 PJDW 点森林扑救队伍分布图 PT
4 系统主要功能
4.1 基于C/S结构下的森林防火辅助决策系统
4.1.1 图形数据管理
图层控制:提供设置图层显示比例尺范围,可调整当前显示图层叠放次序,并可设置各
图层的透明度。

地图检索:根据图名、图幅号、行政区划、地名、地理坐标、经纬度等信息检索地图。

信息查询:对矢量图形数据进行空间查属性和属性查询空间位置。

信息标绘:按比例尺动态变化显示文字等信息,保持显示信息总量的平衡。

索引图:提供主地图和索引图的同步漫游、放大缩小。

地图量算:提供地图上距离、面积度量,可进行路程求算和各类图形面积的分类求解。

图例制作:提供各种森林防火符号,并能进行符号、线型设计和填充配色方案控制。

图形输出:提供多方面、多方式输出,输出方式有屏幕显示、绘制地图、数据文件等。

图形打印:可直接驱动各种打印机和专业绘图仪,并进行打印输出地图。

4.1.2 火险预测预报
历史火灾统计分析:利用历史火点专题信息,分析不同时间段、不同自然、气象、空
间地域类型、不同原因林火发生受灾情况规律和特点,为森林火灾的预防提供依据。

火险等级预警预报:根据气象数据和地理位置,进行火险等级分析,生成火险等级分布图,预测结果以网络、电话、无线通讯等形式及时传递上级决策部门和基层林火监测、救援单位[4]。

4.1.3 防火设施设备管理
了望台管理:通过了望台盲区、定位区和不可定位区可视域分析,制定了望台选址方案。

交通路网管理:根据道路分布现状、森林火险等级图和态势图,编制林火扑救道路方案。

防火隔离带管理:根据林火发展态势,进行森林防火隔离带方案布局和设计。

扑火设备管理:掌握各类防火设施的装备现状、使用情况、空间布局和利用效率。

水源地管理:根据现有自然和人工水源分布情况,分析水源布局的合理性[4]。

4.1.4 火场三维分析
图层管理:对当前显示图层进行的叠放次序控制,并可设置各图层显示信息。

基本设置:提供光照角度、亮度、对比度、透明度、高程夸大比例的调整,并可将森林资源、土地利用现状等矢量图层作为纹理进行显示。

地图检索:根据行政区划、地名、地理坐标、经纬度等信息进行多种方式地图检索。

中文标注:模型旋转时,显示三维中文注记,注记字的正面朝向观察者。

信息查询:通过叠加水系、道路、森林资源、防火设施等矢量图,进行浏览查询,对火灾蔓延情况,扑火队行进路线、隔离带设置位置进行综合分析。

三维飞行:采用鼠标控制旋转俯瞰浏览和三维仿真模拟动态飞行,通过多视窗多视角观察,直观了解火场地形地貌和森林资源状况;利用二维地图定制飞行路线、高度进
行动态飞行,并可输出视频格式进行网上发布。

4.1.5 森林火情监测
火情搜索:根据气象卫星提取地面热点和火点,初步确定林火隐患或火点,并根据相关专题信息进行叠加分析,对潜在火点或火点位置进行准确定位;利用现场报告的地名进行定位;利用上报的火点经纬度或大地坐标数据行快速定位;根据了望塔所在的经纬度和观测方位角自动计算火点位置。

资源分析:根据林火发生的位置,通过与遥感卫星图像、森林资源二类调查、土地利
用现状矢量图层等叠加分析,提供林火发生的周边森林资源和地形地貌等信息,分析造成灾害可能性和危害程度。

火情预测:根据气温、风速、风向、相对湿度、降水量等气候因子,进行火行为模拟分析,模拟未来时间段火场蔓延趋势结果,预测火情发展态势。

系统提供态势符号制作、态势信息标绘、态势图制作,并进行发布,用户可以使用浏览器按权限进行浏览
查询。

4.1.6 远程视频监控
实时监控:通过对云台360°智能控制,实现多角度实时视频监控,终端上能够显示前端实时场景,及时发现火情或火灾隐患。

火情识别:系统接收处理监测视频数据流,对每帧图片进行林火识别报警,唤醒监测人员启动交互式识别系统。

通过交互式林火识别,如果排除林火,摄像机继续正常工作,如果林火确实,立即发出正式报警,摄像机定点扫描,不断地传回现场林火图像。

火灾定位:根据监控点的坐标和摄像机的方位角、仰角,建立位置特定的转换数学模型,实现火灾定位。

语音通信:实现监控中心与前端视频监控点的双向语音对讲与喊话功能,有火灾发生时,可直接指挥灭火人员进行灭火。

防盗报警:通过监控点装置的红外探头,发现有异常情况,能及时做出相应的处理。

4.1.7 林火扑救指挥
初发火定位:根据火点的位置信息,及时确定初发火位置。

扑火预案编制:通过火场蔓延趋势分析,确定林火扑救最佳方案,并及时发送到火场指挥部门,进行林火扑救的应急指挥。

防火隔离带布设:根据火灾区地形地貌特点和森林资源状况,通过三维可视化分析,确定隔离带开设位置。

扑火资源调派:根据林火周边扑火队伍和设施状况,以及林火发生发展态势,及时合理调派扑火队伍和设施。

扑火队伍指挥:根据交通道路分布情况,以及扑火队伍的实际位置和要到达的目的地的信息,自动计算出最佳的行进路线、次佳行进路线以及所需的时间,并以图形和表格的形式提供给指挥中心。

各扑火队伍在行进过程中,随时将GPS的坐标数据报送至指挥中心,在电子地图中反映各分队所处位置,便于实时监控和指挥[4]。

4.1.8 火灾损失评估
火场圈定:以最新遥感影像图或地形图为背景,采用直接调绘法通过边线直接勾画火
场范围;通过GPS连续定位轨迹数据直接导入,对火场范围进行准确圈定。

损失评估:根据森林火灾发生的范围、程度,叠加森林资源和土地利用数据,计算过火面积和过火林地面积,分析各类林地的损失面积、蓄积以及各类林业基础设施的损坏情况等,实现火灾直接损失的快速评估,并在Web GIS发布,用户按照权限进行浏览查询。

灾后处理:采用人机交互方式,对火烧迹地进行火场清理设计和造林规划。

4.1.9 空间信息分发
系统提供按照行政区界、图幅号和指定区域对应的空间数据和分析成果,供火场指挥和用户浏览。

4.1.10 系统管理
用户管理和权限设置:系统提供用户-角色-权限管理模式,管理员可以通过简单的定义及编辑,控制用户在系统中的权限。

数据备份和恢复:系统管理员可以在任何服务器上备份当前的数据,并转存至各种媒介上,也可以从服务器、磁带、光盘上恢复备份的数据。

日志管理和系统监控:系统提供记录用户操作系统的各种动作信息,并将修改动作记录到系统日志中,管理员可随时查询所有用户的操作信息,对系统进行监控。

图2 C/S结构下的森林防火辅助决策系统功能结构Fig.2 Function structure chart of the system based on the technology of C/S
3.2 基于B/S结构下的森林防火辅助决策系统
3.2.1 图形数据提供图层控制、索引图、缩放和漫游、地图定位、信息查询、信息标绘、地图量算、图形输出和图形打印等功能。

3.2.2 专题数据提供扑救队伍信息、历史火点分布、扑火设施分布、火情监测点分布、重点防火对象分布上报等管理。

3.2.3 热点管理根据卫星监测发布热点信息或基层上报的火情信息,读取热点文件
或输入热点经纬度坐标,快速检索显示在数字地图,并查询计算热点所在的行政区域和林种、树种、地形、阻隔、交通、扑火设施等信息。

3.2.4 火情监测系统根据国家林业局监测中心和省气象局提供的遥感监测信息,自动叠加到电子地图上,与空间数据结合,实现监测信息发布、监测热点反馈和监测成果查询。

3.2.5 信息查询系统提供C/S体系下发布的态势图、火灾分析图、灾后损失评估报告等成果浏览查询。

3.2.6 日常办公文献管理:各级用户按照文献不同的类别、权限提交,浏览查询日常工作中的各类文献。

在岗信息:对各级森林防火部门出差人员、值班人员和个人日程信息等方面进行管理。

信息专递:建立内部邮件系统,为各级森林防火部门内部办公和日常信息交流提供服务。

3.2.7 业务管理报表管理:用户可以通过浏览器直接上报本部门的报表、浏览、查询相应的报表文件,有权限的用户还可以对报表进行汇总、统计和分析,生成各种汇总统计表和分析图表。

值班管理:包括监测图像、热点反馈、森林火情、火场图像和值班记录管理,实现各类信息的登记、浏览、查询等。

防火物资:系统实现对森林防火装备设施的出入库管理、属性数据维护,并在电子地图上实时显示森林防火装备设施数据的变化情况[5]。

3.2.8 系统管理用户管理:系统提供用户设置和权限控制,采用密码管理进行登陆访问。

系统维护:系统管理员通过远程登录实现系统日常维护。

系统备份:系统管理员对数据库和文件数据进行备份。

图3 B/S结构下的森林防火辅助决策系统功能结构图Fig.3 Function structure chart of the system based on the technology of B/S
4 结论
利用GIS强大的空间分析能力、RS快速获取的图像信息、GPS全天候的定位技术
和现代网络通信技术,建立的省、市、县3级森林防火辅助决策系统,实现了森林防火工作的数字化、网络化、可视化和自动化,极大地提高了森林防火管理的工作效率和现代化水平,进一步提高了森林防火决策的科学性和合理性,为各级森林防火部门的辅助决策和社会化服务提供了智能化的技术平台。

参考文献:
【相关文献】
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[2] 娄丽萍.基于3S技术的森林扑火辅助决策指挥系统[C]//第七届Arc GIS暨ERDAS中国用户大会论文集.北京:地震出版社,2006:622-630.
[3] 朱昕.湖南省林业基础地理数据库管理系统建设[C]//第七届Arc GIS暨ERDAS中国用户大会论文集,北京:地震出版社,2006:644-650.
[4] 钟凯文,廖其芳,彭沛全.基于3S的森林防火信息管理系统的研制[C]//第六届Arc GIS暨ERDAS 中国用户大会论文集,北京:地震出版社,2004:558-563.
[5] 邱林,郭海涛,李戈伟.基于3S的森林防火信息管理系统[C]//第六届Arc GIS暨ERDAS中国用户大会论文集.北京:地震出版社,2004:577-582.。