GIS 在森林防火管理中的應(yīng)用

周 全

(西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224)

研究內(nèi)容

森林火災(zāi)是林業(yè)災(zāi)害中對社會、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境發(fā)展影響范圍最廣和破壞性最大的一種自然災(zāi)害。森林火災(zāi)是一個極其復(fù)雜的自然現(xiàn)象，受眾多自然因素和社會因素的影響，包括可燃物類型、地形、天氣等因素，而林火發(fā)生又具有突發(fā)性，要在很短的時間內(nèi)判斷林火的發(fā)展趨勢，并及時采取相應(yīng)的決策措施，同時還要隨時掌握現(xiàn)場的狀況，作為決策者要做到這一步就必須采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來提高自身的判斷能力和現(xiàn)場指揮能力。森林火災(zāi)的發(fā)生，不僅燒毀森林植被，影響林木生長和更新，破壞森林結(jié)構(gòu)，危害生態(tài)平衡，它還燒毀林區(qū)設(shè)施，對人類的生命財產(chǎn)以及生態(tài)環(huán)境都造成了巨大的危害。因此，如何嚴(yán)格預(yù)防、盡早發(fā)現(xiàn)和及時撲救森林火災(zāi)，快速準(zhǔn)確地引導(dǎo)滅火人員到達(dá)現(xiàn)場，是森林防火部門急需解決的問題。

在森林防火的日常管理工作中，工作人員需要面對各種數(shù)據(jù)，如氣象、地形地貌、著火面積、著火規(guī)模等許多因子，這些數(shù)據(jù)既包括空間數(shù)據(jù)又包括屬性數(shù)據(jù)，對這些實時數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析并及時的找出解決問題的合理方案，借用傳統(tǒng)方法不是一件很容易的事，特別是火災(zāi)進(jìn)行過程中，決策的及時性具有重要意義，要在很短的時間內(nèi)判斷林火的發(fā)展趨勢，及時決策、及時指揮撲救、減少火災(zāi)損失，快速掌握現(xiàn)場的狀況，只有借助于GIS、GPS、RS、網(wǎng)絡(luò)、通訊、可視化等多種技術(shù)手段才能快速、準(zhǔn)確的完成此項工作。因此研制出一套集實時監(jiān)測、預(yù)報、蔓延模擬、損失評估、滅火輔助決策于一身的、可靠的、科學(xué)的森林防火系統(tǒng)是十分必要的。

研究方向的發(fā)展歷史

1 森林防火工作中存在的主要問題

1.1 火點(diǎn)定位

目前現(xiàn)有的防火信息系統(tǒng)中，火點(diǎn)主要是靠衛(wèi)星圖像和GPS 來進(jìn)行定位。由于火災(zāi)發(fā)生的隨機(jī)性，據(jù)專家分析，如果利用遙感衛(wèi)星來對森林火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測，就需要衛(wèi)星提供在較短的時間間隔內(nèi)不間斷的提供影像，而且時間間隔不能超過兩小時，目前，民用方面很難達(dá)到的［2］。同時，遙感圖像定位火點(diǎn)在大范圍的火災(zāi)監(jiān)測中應(yīng)用比較多，但在南方林區(qū)的小火災(zāi)中，受到衛(wèi)星分辨率和經(jīng)濟(jì)等因素的制約，還難以真正實施。由于基層林業(yè)管理部門的森林資源信息化管理的程度非常低，很難做到每個護(hù)林員都能夠配備GPS 接收機(jī)。因此，目前現(xiàn)有的森林防火信息系統(tǒng)中火點(diǎn)定位的方式難以適應(yīng)森林防火管理部門的需要。

1.2 林火蔓延

由于林火行為涉及學(xué)科種類繁多，影響因素眾多。在很長一段時間內(nèi)，人們對火勢發(fā)展的趨勢更多是依靠個人經(jīng)驗進(jìn)行判斷和分析，很難做到準(zhǔn)確的、科學(xué)的對火勢蔓延趨勢進(jìn)行預(yù)測，因而不同程度地影響了火災(zāi)撲救的現(xiàn)場指揮和撲火決策的判斷。因此如何做到準(zhǔn)確的、快速的對林火蔓延趨勢進(jìn)行分析和預(yù)測，使火災(zāi)的損失降到最低，應(yīng)是林火管理者應(yīng)該思考的問題。

1.3 地圖表現(xiàn)形式

傳統(tǒng)的GIS只能處理二維的信息，其應(yīng)用往往只是處理地球表面的數(shù)據(jù)。即使必須要考慮高程時，也只能將三維簡化后再進(jìn)行處理，即把高程作為地球?qū)嶓w的一種屬性，也就是通常所說的2.5 維空間。但隨著工作的深入，林火管理者迫切的需要通過運(yùn)用虛擬三維技術(shù)，直觀的、真實的展現(xiàn)火場周邊環(huán)境。通過三維可視化的運(yùn)用，火災(zāi)指揮人員只需坐鎮(zhèn)指揮中心，就能夠身臨其境地了解火場周邊情況，并對撲火工作進(jìn)行準(zhǔn)確的指揮。

2 GIS 技術(shù)在森林防火管理中的應(yīng)用

2.1 火點(diǎn)定位

2.2 火災(zāi)決策分析

火災(zāi)發(fā)生時，快速的掌握火災(zāi)周圍的情況能夠?qū)浠饹Q策提供有效的依據(jù)。因此當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，系統(tǒng)將根據(jù)各類專題圖層的空間數(shù)據(jù)，計算出離火點(diǎn)最近的水源、道路、救援隊伍、防火隔離帶等要素，同時系統(tǒng)還對可能受破壞的電線塔、重點(diǎn)保護(hù)對象、居民點(diǎn)、小班等要素進(jìn)行預(yù)警提示。這樣決策者就能根據(jù)系統(tǒng)預(yù)警信息對滅火工作進(jìn)行部署與指揮。系統(tǒng)中還包含非常全面的道路信息，隨時可查到各種等級的道路，這對防火工作至關(guān)重要。運(yùn)用最佳路徑分析功能，系統(tǒng)提供從物質(zhì)供應(yīng)點(diǎn)或者救火車輛?？奎c(diǎn)到火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)的最佳路徑，同時結(jié)合水系分布，提供快速決策功能。根據(jù)火場當(dāng)前狀況或蔓延模擬情況、火場周圍地區(qū)的道交通情況、水系分布情況以及火源附近撲火隊伍分布情況，對撲火隊伍行進(jìn)路線進(jìn)行智能計算，輔助撲火部門制定最終的撲救方案。

2.3 林火蔓延分析

林火因風(fēng)向、風(fēng)速、地形、植被類型和分布情況的不同，出現(xiàn)不同的蔓延形狀。林火專家多年研究，發(fā)現(xiàn)林火蔓延存在一定的規(guī)律。因此研究、了解、掌握其基本規(guī)律對撲救森林火災(zāi)極為重要?；饎萋又饕芑馂?zāi)地區(qū)每天的最高溫度、中午風(fēng)力、可燃物類型、風(fēng)力、坡度、風(fēng)向六大要素影響。因此根據(jù)前方護(hù)林人員送報上來的相關(guān)數(shù)據(jù)，運(yùn)用林火蔓延預(yù)測模型，我們可以做到對火勢蔓延趨勢進(jìn)行預(yù)測和分析，同時計算出火頭、火翼、火尾速度以及蔓延面積等數(shù)據(jù)。根據(jù)模擬計算結(jié)果，系統(tǒng)自動生成火場發(fā)展形勢圖，并通過GIS 技術(shù)直觀而科學(xué)地表現(xiàn)出來，為防火部門提供一個輔助決策工具。

2.4 火情態(tài)勢標(biāo)繪

態(tài)勢標(biāo)繪即在屏幕地圖的基礎(chǔ)上，標(biāo)繪行動和過程的一種手段，其基本依托為防火符號庫和屏幕地圖?；鹎閼B(tài)勢標(biāo)繪信息按統(tǒng)一格式存檔形成林火勢態(tài)圖層，達(dá)到火場與指揮中心的信息同步。指揮中心能夠通過火情態(tài)勢圖及時了解當(dāng)前火勢以及救援情況，為下一步的滅火工作提供依據(jù)。

2.5 火災(zāi)損失評估

火場損失評估的研究內(nèi)容是根據(jù)現(xiàn)實火場數(shù)據(jù)以及森林分布數(shù)據(jù)，對森林火災(zāi)造成的森林損失進(jìn)行統(tǒng)計和分析。損失評估的指標(biāo)很多，系統(tǒng)采用損失面積、蓄積作為損失評估指標(biāo)。通過損失評估，可以了解森林損失的總面積、總蓄積以及按林分類型統(tǒng)計的損失面積和蓄積，為林業(yè)部門清理火燒跡地，制定和實施更新等各種恢復(fù)森林的措施提供決策依據(jù)。

3 前人的主要研究成果

隨著氣象科學(xué)、遙感技術(shù)、電子計算機(jī)、激光、通訊和航空航天技術(shù)的蓬勃發(fā)展，加上現(xiàn)代科學(xué)管理的滲透，都為森林防火提供了先進(jìn)的手段和技術(shù)條件。如林火監(jiān)測、火險預(yù)報、林火行為研究以及計算機(jī)林火管理系統(tǒng)等新技術(shù)的應(yīng)用，為有效地控制森林火災(zāi)的發(fā)生，把森林火災(zāi)的損失降低到最低限度提供了保證。世界發(fā)達(dá)國家在這方面做出了典范。美國和加拿大在林火行為研究、森林火災(zāi)預(yù)防、監(jiān)測和撲救方面，一直走在世界前列。1972年美國研制出國家級火險預(yù)報系統(tǒng)伽FDRS)，并在全國得到廣泛應(yīng)用。1978年系統(tǒng)進(jìn)行了修改，使其進(jìn)一步完善。該系統(tǒng)是即能做火險預(yù)報，也能做林火發(fā)生預(yù)報，還能做林火行為預(yù)報的綜合性系統(tǒng)，代表當(dāng)時世界林火預(yù)報的最高水平。1987年加拿大研制出微型計算機(jī)支持的森林火險等級系統(tǒng);1988年美國在微型機(jī)上研制出了野外火管理輔助決策系統(tǒng)。模擬林火空間蔓延趨勢的Farsite 軟件由美國Intemational Firesciences Laboratory 設(shè)計完成，正在美國推廣。其它國家如前蘇聯(lián)、印度等國也根據(jù)自己的國情，研制出了類似的林火管理系統(tǒng)。

近年來，計算機(jī)技術(shù)也正在逐漸向我國森林防火管理中滲透。我國森林防火系統(tǒng)的研究已卓有成效，防火工作己逐步由經(jīng)驗型向科學(xué)管理型轉(zhuǎn)變，如建立了衛(wèi)星防火監(jiān)測網(wǎng);開發(fā)了地理信息和資源信息系統(tǒng);開展森林防火的內(nèi)業(yè)建設(shè):重點(diǎn)進(jìn)行火險預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、林火跟蹤定位系統(tǒng)、地理與資源信息系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)、通訊信息系統(tǒng)等6個系統(tǒng)的現(xiàn)代化建設(shè);并制定全國森林火災(zāi)評估辦法，完成全國森林火險等級區(qū)劃，試驗和應(yīng)用飛機(jī)化學(xué)滅火、生物防火等。其中比較成功的有中國林業(yè)科學(xué)院資源信息所和國家林業(yè)總局信息中心聯(lián)合開發(fā)的森林火災(zāi)管理信息系統(tǒng);北京師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)系開發(fā)的西南重點(diǎn)林區(qū)火災(zāi)背景數(shù)據(jù)庫管理信息系統(tǒng);中國科技大學(xué)研制的武夷山保護(hù)區(qū)森林防火體系建設(shè)地理信息系統(tǒng);每一場林火的發(fā)展所構(gòu)成的形狀，由于立地條件、天氣狀況和撲火技術(shù)不同等多種因素影響，是不可能有一個統(tǒng)一模式的，可以這樣說每一場火災(zāi)的形狀是千變?nèi)f化的，是完全不一樣的。但是在林火自然發(fā)展的情況下，基本上是有其一定的蔓延模式。一般來說、在平坦地?zé)o風(fēng)時，火向各個方向等速蔓延，其形狀為環(huán)形;在風(fēng)的作用下，風(fēng)向較穩(wěn)定時，順風(fēng)向一個方向蔓延，形狀常為長橢圓形;風(fēng)向不定，呈30 度或40 度角度變化，形狀為扇形;在山地條件下，如為雞爪嶺地形時，火在兩嶺之間蔓延較慢，向兩個山脊則蔓延快，常形成兩個火頭，其形狀為雞爪形。但不管出現(xiàn)什么形狀，每一個火場都有火頭，火翼和火尾等3 部分組成，在風(fēng)向的支配下，順風(fēng)向前蔓延速度最快，

火勢最旺的部分為火頭，與火頭相反方向逆風(fēng)蔓延，速度最慢的部分為火尾，介于火頭與火尾之間，向兩側(cè)擴(kuò)散，與風(fēng)向垂直蔓延的部分為火翼。我們將一個火場區(qū)分為火頭、頭尾和火翼，將有助于撲救工作，能提供主攻方向，力求首先將火頭撲滅或控制住，這樣才能盡快取得撲火的全面性勝利。但是，有時由于風(fēng)向的突然轉(zhuǎn)變，火場的各個部分也會隨之發(fā)生變化，3個部分可以互相轉(zhuǎn)變，火頭可能變?yōu)榛鹨砘蚧鹞?，火尾也可能變?yōu)榛痤^或火翼，火翼也可能變?yōu)榛痤^或火尾，這種情況在一場大火的發(fā)展過程中是經(jīng)常會出現(xiàn)的，因此在進(jìn)行撲火戰(zhàn)斗中，要隨時掌握風(fēng)向的變化，機(jī)動作戰(zhàn)，將火一舉撲滅。

林火蔓延的影響因子:

1.可燃物類型及其含水率

2.風(fēng)因子

3.地形因子

4.溫度和濕度

幾種常見的林火蔓延模型

林火蔓延模型是指在各種簡化條件下進(jìn)行數(shù)學(xué)上的處理，導(dǎo)出林火行為與各種參數(shù)(如可燃物的物理、化學(xué)性質(zhì)、氣象因子以及地形因子等)間的定量關(guān)系式。利用這些關(guān)系式去預(yù)測將發(fā)生或正在發(fā)生的林火行為，指導(dǎo)撲火工作以及日常的林火管理工作，從而以最少的人力、物力在最短的時間內(nèi)將火撲滅。林火蔓延模型是林火行為預(yù)報的核心。

據(jù)國內(nèi)外的資料顯示，地表火是一種最常見的火災(zāi)，約占森林火災(zāi)的90%以上。因此目前所討論的多是針對地表火的蔓延模型?；鹇邮且粋€多相、多組分可燃物在各種氣象條件(溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)力等)和地形影響下燃燒和運(yùn)動的極其復(fù)雜的現(xiàn)象自從1946年WR.Foils 首先提出林火蔓延的數(shù)學(xué)模型以來，世界上許多國家都提出了自己的林火蔓延模型，主要有美國的Rothermel 模型、澳大利亞的McArthur 模型、加拿大的國家林火蔓延模型以及中國的王正非林火蔓延模型等，以及在這些模型基礎(chǔ)上的修正模型。但每個數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用都有一定的局限性，特別是，用于模型所基于的假定之外的場合時，將會帶來很大的誤差。所以，我們利用任何蔓延模型來估測時，要事先了解數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用范圍、條件及其優(yōu)缺點(diǎn)。下面是幾種常用的林火模型:

1.基于能量守恒定律的Rothermel 模型

2.澳大利亞的McArthur 模型

3.加拿大林火蔓延模型

4.王正非的林火蔓延模型

4 存在的問題及發(fā)展趨勢等

如何有效撲滅火災(zāi)，降低災(zāi)害帶來的損失，提高火災(zāi)發(fā)生時的反應(yīng)能力是各級政府部門十分關(guān)心的問題。森林防火預(yù)警系統(tǒng)涉及森林防火理論與模型、GIS 和計算機(jī)等多領(lǐng)域知識，是一個比較復(fù)雜的GIS應(yīng)用系統(tǒng)。其中火點(diǎn)定位、火勢蔓延分析、火災(zāi)周邊分析、損失評估、三維模型等功能也是今后研究發(fā)展的重點(diǎn)，現(xiàn)有研究成果主要針對特定重點(diǎn)林區(qū)的構(gòu)建，各地區(qū)，各林區(qū)管理上較為分散，研究成果沒有統(tǒng)一共享。目前我國也沒有大規(guī)模的全國性的森林防火管理系統(tǒng)，隨著GIS 技術(shù)的提高和遙感影像的精度提高，必將大大促進(jìn)GIS 技術(shù)在森林防火管理中的應(yīng)用，如何實現(xiàn)高效的，準(zhǔn)確的，大規(guī)模，大范圍，實時的動態(tài)監(jiān)測將成為今后GIS 相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的趨勢。

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