基于GIS二三維一體化的森林防火指揮管理系統(tǒng)建設研究

森林火災具有突發(fā)性強，破壞性大，處置救助極為困難等特點；森林火災不但造成了人民生命財產(chǎn)的巨大損失，而且也造成了巨大的生態(tài)損失；森林防火相關部門為撲救林火耗費了大量人力、物力和財力，森林火災對森林資源和生態(tài)環(huán)境的破壞所造成的損失難以估量。因此，建立科學、高效、先進的森林防火信息化管理系統(tǒng)，集實時監(jiān)控、自動報警、指揮撲救、森林火災災后評估及防火信息管理于一體，解決森林火情發(fā)現(xiàn)不及時、信息不準確、撲火路徑不合理、信息化管理程度低等問題，將森林火災撲滅在萌芽階段，已成為森林防火工作的一項迫在眉睫、亟待解決的重大課題。

一、系統(tǒng)建設目標

森林防火信息化管理系統(tǒng)建成后，將提高火險等級的預測預警能力，確保森林防火的指揮暢通，提高森林防火預測的可靠性、火災撲救的可靠性和科學性、災后評估的快速準確性；同時可改善基礎設施，增強信息安全保障能力，提升資源共享和應用水平，實現(xiàn)森林防火監(jiān)控預警電子化、數(shù)據(jù)信息化、決策科學化，為建設現(xiàn)代森林防火提供強大支撐。

二、系統(tǒng)的需求分析

（一）業(yè)務需求

本系統(tǒng)旨在對火災前期的預警、中期的處置、后期的分析的指揮管理工作進行開發(fā)，首先調(diào)用視頻監(jiān)控結合三維地圖進行火災精準定位功能，實現(xiàn)火災前期的預警，其次在中期的火災處置業(yè)務方面，結合視頻監(jiān)控、三維地圖，對火災發(fā)生時的撲救路線、火場范圍、地形地貌等信息進行綜合分析，按應急方案要求進行火災標準化指揮，把火災處置流程體現(xiàn)在指揮環(huán)節(jié)中。做到從火災的發(fā)現(xiàn)，發(fā)生時的處置指揮，火災結束后的總結分析，整體火災的處置及全部指揮過程記錄的一體化操作。

（二）功能需求

通過收集各方反饋意見，擬開發(fā)一套能夠調(diào)用視頻監(jiān)控圖像，并補充火場精準定位、最優(yōu)路徑規(guī)劃、物資檢索展示、態(tài)勢圖、火災回放等相關功能模塊；增加火災指揮、火情管理、規(guī)劃設計、數(shù)據(jù)管理、授權管理等功能的森林防火指揮管理系統(tǒng)。

（三）數(shù)據(jù)需求

森林防火涉及到的數(shù)據(jù)需求包括：衛(wèi)星地面遙感數(shù)據(jù)、基礎地理信息數(shù)據(jù)、氣候氣象數(shù)據(jù)、森林資源林業(yè)基礎數(shù)據(jù)、森林火災現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)、森林火災歷史數(shù)據(jù)、防火機構人員設施數(shù)據(jù)、專家知識數(shù)據(jù)等。

三、系統(tǒng)的主要技術方案

系統(tǒng)利用網(wǎng)絡技術、空間數(shù)據(jù)技術、二三維一體化地理信息系統(tǒng)等先進技術，集監(jiān)控預警、火場指揮處置、火情管理、規(guī)劃設計、森林防火資源等為一體，為森林防火和遠程指揮決策提供輔助信息。同時設計衛(wèi)星地面接收站、指揮控制中心、視頻無線傳輸?shù)扔布O備，是大型綜合集成的軟硬件系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用 ArcGIS 系 列的 ArcInfo、ArcEditor、3D Analyst、ArcSDE、ArcIMS、ArcView、ArcObjects等軟件，構建三種混合運行模式，即技術和管理層面上的Client/Server體系結構，應用層面的Browser/Server體系結構和火場前指Client/Server一體化的單機運行模式，并形成數(shù)據(jù)服務層、GIS應用服務層和客戶端網(wǎng)絡資源層。

系統(tǒng)采用C/S與B/S結構相結合的方式、組件化的GIS軟件技術，便于模型嵌入信息系統(tǒng)，賦予其GIS可視化功能，采用分布式組織結構和WEBGIS技術，使應用系統(tǒng)的開發(fā)具有伸縮性、開放性、系列化和標準規(guī)范化的特征。在軟件集成方面，以GIS服務器為核心，安裝基于ArcInfo的森林防火地理信息系統(tǒng)軟件并裝載ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)海量地理信息數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫管理。在技術和管理層面，通過基于ArcGIS的客戶端軟件與ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎之間建立TCP/IP連接，構成C/S體系架構。可實現(xiàn)在客戶端進行系統(tǒng)資源的檢索、查詢、編輯、制圖、統(tǒng)計、分析等數(shù)據(jù)管理工作。在應用層面，網(wǎng)絡客戶端通過HTTP協(xié)議構成B/S架構，用戶通過瀏覽器向ArcIMS提出請求，獲取ArcSDE中的空間數(shù)據(jù)進行查詢分析，將結果返回到相應的瀏覽器終端。在硬件集成方面，建立衛(wèi)星地面接收站，利用GPS、視頻信息無線傳輸系統(tǒng)軟硬件設備，防火指揮中心的大屏幕以及網(wǎng)絡環(huán)境構建森林防火先進、高效、完善的硬件環(huán)境。

四、系統(tǒng)功能架構

森林防火信息化管理系統(tǒng)可實現(xiàn)自動報警和智能顯示火點位置、火場位置信息同步標會、指揮撲救方案制定、智能輔助決策、森林火災災后評估及歷史檔案查詢、統(tǒng)計和分析等功能，同時可實現(xiàn)省—市—縣多級管理層次的森林防火信息指揮系統(tǒng)的信息互換，圖像數(shù)據(jù)、流媒體數(shù)據(jù)、森林防火信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享。

（一）森林防火基礎數(shù)據(jù)庫管理

根據(jù)森林防火的需求，森林防火基礎數(shù)據(jù)庫包括如下數(shù)據(jù)源：煙火視頻監(jiān)控圖像、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、基礎地理數(shù)據(jù)、氣候氣象數(shù)據(jù)、森林資源基礎數(shù)據(jù)、森林火災歷史數(shù)據(jù)、防火機構、人員及設施數(shù)據(jù)、森林火災現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)的基礎地理數(shù)據(jù)采集范圍為市所轄范圍?；A數(shù)據(jù)庫管理子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)導入、管理、更新維護、查詢、統(tǒng)計報表輸出等功能。

（二）火情監(jiān)控預警子系統(tǒng)

該系統(tǒng)與二三維一體化GIS掛接，實現(xiàn)基于GIS的視頻監(jiān)控，在電子地圖模式下能夠在地圖上定位監(jiān)控點，并能在地圖上直接點播監(jiān)控點的實時圖像等功能。以GIS方式的操作使監(jiān)控點監(jiān)控、設置、報警聯(lián)動等操作更加形象化。

報警自動定位系統(tǒng)借助精密的GPS全球定位系統(tǒng)，及高清三維的GIS系統(tǒng)。當接到報警時，定位報警火點位置，同時彈出周邊監(jiān)控點的圖像。操作者可以并通過三維智能定位功能快速定位，監(jiān)看周邊場景，并在GIS系統(tǒng)里面嵌入指揮車的位置，以便統(tǒng)一協(xié)調(diào)指揮。同時，在電子地圖上劃定區(qū)域，系統(tǒng)自動標識該區(qū)域內(nèi)的前端監(jiān)控點，可直觀地調(diào)用監(jiān)控點視頻。該子系統(tǒng)具有自定義搜索，能夠快速定位監(jiān)控點，實現(xiàn)資源的高效利用。系統(tǒng)接收報警后，報警的地點能夠自動在地圖上突出顯示。

（三）指揮撲救子系統(tǒng)

接收到森林火災監(jiān)測與自動報警子系統(tǒng)的火點自動報警信息后，進行火點定位、火勢發(fā)展行為預測，獲取火場蔓延趨勢圖，然后進行三維仿真模擬，在此基礎上結合二三維一體化地理信息系統(tǒng)，進行撲救方案的制定和最佳前進路線的規(guī)劃，并通過森林火災火場實時監(jiān)控模塊指揮森林火災撲救。

1.火點定位

包括衛(wèi)星遙感圖像火點定位、瞭望臺火點定位以及現(xiàn)場巡護森林防火定位。衛(wèi)星遙感圖像火點定位是利用衛(wèi)星遙感影像，經(jīng)配準后，提取出火點中的經(jīng)緯度，同時與行政區(qū)劃圖、森林小班數(shù)據(jù)疊加，可確定出火場的具體位置即所在的林場或行政村。瞭望臺火點定位是利用兩個瞭望臺的瞭望員提供的森林火災方位信息，采用前方交會方法可以計算出火點的具體位置。同時疊加行政區(qū)劃圖、森林小班數(shù)據(jù)即可確定出火場的具體位置，即所在的林場或行政村。現(xiàn)場巡護森林防火定位一是在重點監(jiān)控區(qū)域或火險等級比較高的地區(qū)，給地面巡護人員配備手持GPS，一旦發(fā)生火災，即可將該地的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)或大地坐標數(shù)據(jù)和火災規(guī)模報告給指揮中心，疊加行政區(qū)劃圖、森林小班數(shù)據(jù)即可確定出火場的具體位置，即所在的林場或行政村。二是在非重點監(jiān)控區(qū)，如無GPS，可以給指揮中心報告當?shù)厮诘男姓恢茫ù?、鄉(xiāng)、縣），利用模糊查詢的功能也可在系統(tǒng)中確定出火災發(fā)生地點。

2.森林火災行為預測

森林火災行為預測對撲火指揮決策十分重要。只有對未來火場做出較為正確的估計，才能合理地組織人力、物力，并采取恰當?shù)拇胧┻M行撲救。森林火災的發(fā)生?發(fā)展是一個復雜的動態(tài)過程，涉及諸多的因素，既有自然因素，如可燃物分布、地形地貌、氣象等，又有社會因素。系統(tǒng)可通過多種數(shù)據(jù)為基礎計算預測火災蔓延的趨勢，依托實時的氣象信息和計算機數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡提供的各種碼值和數(shù)據(jù)來計算林火行為參數(shù)。

火勢蔓延趨勢的分析依據(jù)本地自然數(shù)據(jù)，包括本地的高程數(shù)據(jù)（DEM數(shù)據(jù)）、坡度數(shù)據(jù)、坡向數(shù)據(jù)以及可燃物指數(shù)因子數(shù)據(jù)，并結合天氣因子（當天當?shù)氐南鄬穸?、溫度、風向、風力、風速等）對火勢蔓延速度進行分析。完成上述參數(shù)設置后，可以在地圖上標會起火點或者起火區(qū)域進行火勢蔓延預測。支持動態(tài)分析和預測火勢蔓延的方向、火場面積、火場邊界、火勢蔓延速度等功能。同時，可實時動態(tài)估算當前過火面積和范圍的動態(tài)數(shù)據(jù)以及蔓延火勢對火燒地區(qū)的摧毀時間。

3.撲救方案制定

根據(jù)火災位置、規(guī)模、森林火災行為預測結果，基礎地理數(shù)據(jù)庫中的地形、交通、水系等數(shù)據(jù)，火災現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)、防火人員及設施數(shù)據(jù)，知識庫中的知識，自動制定出最佳滅火方案。包括撲救戰(zhàn)場確定、阻火隔離帶位置及兵力、機具配制、撲火戰(zhàn)場所需兵力及機具、以及撲火最佳路徑分析等。

4.最佳路徑分析

利用二三維一體化地理信息系統(tǒng)，使用經(jīng)緯度結合DEM數(shù)據(jù)來計算兩點之間的地表距離，以一定距離間隔提取點高程以及經(jīng)緯度坐標計算，轉(zhuǎn)換為直角坐標系坐標，用經(jīng)緯度坐標計算地表上兩點間的距離。在GIS地理信息系統(tǒng)中標會火點發(fā)生實際位置，選擇最安全、最短路徑，并查看林火周邊的林火撲救隊伍、撲救設施，根據(jù)林火發(fā)生、發(fā)展的狀況調(diào)派隊伍和設施，使周邊資源得到最大化的利用，減少人員傷亡，降低物資損耗。

5.實時監(jiān)控

森林火災實時監(jiān)控涉及衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)、無線視頻傳輸與控制系統(tǒng)、大屏幕視頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。利用森林防火信息系統(tǒng)對上述系統(tǒng)進行軟硬件集成，實現(xiàn)森林火災的實時監(jiān)控。

指揮中心工作人員利用衛(wèi)星影像和火災現(xiàn)場視頻信息，以及森林防火信息系統(tǒng)的輔助決策信息為參考，進行指揮調(diào)度，將指令通過無線設備傳到火災現(xiàn)場撲火指揮員，指揮森林火災撲救。同時，根據(jù)火災現(xiàn)場傳回的視頻圖像信息，及時調(diào)整森林火災撲救方案并反饋給火災現(xiàn)場撲火指揮員。

（四）森林火災災后評估子系統(tǒng)

森林火災災后評估子系統(tǒng)指對森林火災災害的規(guī)模及火災破壞損失程度的估測與評定。及時、準確和全面的進行森林火災災后評估，能使災害管理工作者正確掌握有關森林火災的背景，現(xiàn)場破壞情景和災害損失等個方面的信息。該子系統(tǒng)通過災情統(tǒng)計數(shù)據(jù)、森林防火基礎數(shù)據(jù)，結合適宜森林火災災后評估指標體系，運用計算機技術完成森林火災的災后評估。包括森林火災面積測定、經(jīng)濟損失評估、抗災救災措施評估、減災效益評估測定、生態(tài)環(huán)境評估、森林火災歷史數(shù)據(jù)庫更新等功能。

森林火災災后評估子系統(tǒng)可為決策部門提供可選擇的輔助決策方案，制定恢復重建總體規(guī)劃和單項計劃的基礎，為即將開展的災后恢復和重建工作提供行動依據(jù)。亦可為研究林火災害積累歷史資料。

1.森林火災面積測定

一是用GPS測定森林火災過火面積。當火災過火面積較小時，利用GPS實地獲得火場周邊的地理坐標，工作人員利用通訊設備將坐標數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)數(shù)據(jù)庫，火災面積測定模塊從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫獲得坐標值后，生成封閉的多邊形，最終計算森林火災的過火總面積。二是用遙感圖像測定森林火災過火面積。火災過火面積大時，可通過對遙感衛(wèi)星圖像的過火像元計算、求出面積，來評估火災過火面積。子系統(tǒng)從防火基礎數(shù)據(jù)庫中獲得該區(qū)域的災后遙感圖像，提取圖像信息確定森林火災過火區(qū)域，讀取該區(qū)域內(nèi)的像元數(shù)，乘以該圖像的空間分辨率，得到過火總面積。

2.歷史林火災害數(shù)據(jù)庫更新

對結果數(shù)據(jù)庫中的災情統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行整理，并對森林防火基礎數(shù)據(jù)庫中歷史災情數(shù)據(jù)庫更新，錄入本次林火災害的各項數(shù)據(jù)，為今后的森林火災預測預報，制定撲救方案，為減少森林火災以及森林防火工程的建設提供依據(jù)。

（五）森林火災信息服務功能

系統(tǒng)對外發(fā)布與森林防火有關的政策法規(guī)和森林防火相關知識，同時發(fā)布防火機構、人員及設施信息，火險天氣預報、森林火險等級預報、歷史林火災害信息、熱源點的監(jiān)測情況和一些輔助決策信息。該子系統(tǒng)同時具有文本信息的查詢顯示功能。具體如：圖形信息的圖層選擇、圖形區(qū)域選擇，比例尺設定，圖形放大、縮小、漫游、查詢，以及其他交互功能：建立網(wǎng)上論壇功能；用戶權限及注冊管理等功能。

五、結論

該系統(tǒng)利用網(wǎng)絡技術、空間數(shù)據(jù)技術、二三維一體化地理信息系統(tǒng)等先進技術建立的森林防火預警之后指揮管理系統(tǒng)是數(shù)字林業(yè)的一個重要內(nèi)容，是當前森林防火的主要發(fā)展趨勢，對林業(yè)可持續(xù)發(fā)展和森林多種效益的發(fā)揮具有重要的理論和實踐意義。系統(tǒng)建成后，可提高森林防火預測的可靠性、火災撲救的可靠性和科學性，災后評估的快速準確性。同時可為林業(yè)防火部門提供信息化解決手段，解決森林火災預警不及時，火情發(fā)現(xiàn)晚、周邊部門調(diào)配和救火路線規(guī)劃不合理、火場綜合指揮效果差等問題，對提升森林公安的執(zhí)法的突擊性和效率有很大的幫助。