加娜西·哈吾旦

摘要：快速定位火點在森林防火中可有效減少火災損失。文章以新疆阿勒泰某國家森林公園中2500hm2作為試驗區(qū)域，介紹了GIS定位系統(tǒng)的結構設計，包括系統(tǒng)需求、空間數據庫、軟件系統(tǒng)等，并分別分析了雙點定位和單點定位法，可為類似工程設計提供必要的技術參考。

關鍵詞：GIS技術;森林防火;定位系統(tǒng);雙點定位;單點定位

阿勒泰為全國六大林區(qū)之一，擁有森林面積高達2341萬畝，森林覆蓋率達到13.2%。由于該地區(qū)夏季干熱，因此每年都有森林火災發(fā)生。為了能夠更好地應對森林大火的發(fā)生以及造成的損失，相關部門決定應用GIS技術來輔助當地森林防火工作。在此，以選取阿勒泰地區(qū)某國家森林公園2500hm2試驗區(qū)域為分析對象，設計一套森林防火系統(tǒng)。

一、GIS定位系統(tǒng)結構設計分析

（一）構建系統(tǒng)需求要件分析

1.目標及功能需求

本設計共計布置4處監(jiān)測點和1處管理中心，并實現4處監(jiān)測點之間與管理中心的無線互聯工作。本次森林火災監(jiān)測定位系統(tǒng)主要功能包括：火點定位（雙點、單點、多點等）、火災形式預估、圖片調取、ArcMap地圖基礎等[1]。其中ArcMap地圖基礎功能包括：要素添加及刪除、圖層設置、面積和距離測算、信息查詢等。

2.數據需求

數據是構成GIS定位系統(tǒng)的根本，本項目所需要的數據包括：某國家森林公園矢量數據（形狀、面積、海拔等）、數字高程數據DEM[2]。

3.硬件需求

GIS定位系統(tǒng)依托于windows操作系統(tǒng)，對硬件需求較高，本項目所采用的硬件配置需求詳見下表1所示。

（二）空間數據庫設計

空間數據庫主要作用是將項目區(qū)范圍的地理數據進行整合，通過專業(yè)化、標準化處理后存入系統(tǒng)，是GIS定位系統(tǒng)實現功能的基礎。

1.數據存儲

本項目所涉及的地理信息數據統(tǒng)一采用geodatabase格式模型存儲，可以對森林數據（面積、海拔、樹種、樹齡等）進行編輯。此外，也能利用Subtype操作來實現將屬性數據轉化為圖層顯示[3]。

2.數據庫內容

本項目針對森林防火這一目的，建立的數據庫內容包括：空間基礎數據（1：5000項目區(qū)地理和高程數據）、森林防火專題數據（防火物資、撲火隊位置、檢查站、通訊站、瞭望監(jiān)測臺等點狀空間數據）。

（三）軟件系統(tǒng)設計

1.地圖基礎功能設計

（1）地圖檢索可按照經緯度、名稱、區(qū)域編號、圖層等進行查詢和管理，方便用戶不同需求;（2）由于系統(tǒng)內主要是地圖類文檔，且種類繁多，因此系統(tǒng)采用分級圖層組來簡化圖層控制，用戶可任意調整圖層順序、是否可見等;（3）本系統(tǒng)設計了簡潔易用的量算功能（距離和面積），用戶只要點擊確定后系統(tǒng)會給出數據，也支持手動繪制。

2.火點定位功能設計

（1）雙點和單點定位功能均使用Arcobject下的IFeature圖層實現，具體方法會進行后續(xù)說明;（2）本項目使用漸進窮舉和數據擬合法來計算火點位置，高程計算通過pidentify指向數字高程DEM進行實現。

3.火情態(tài)勢標繪功能設計

（1）本系統(tǒng)火情態(tài)勢標繪支持手動實現，包括點狀（火點、裝備倉庫、防火機構、瞭望監(jiān)測點等）、線狀（火線、防火隔離帶、公路、巡航路線等）、面狀（火場范圍、受影響區(qū)域等）等符號;（2）通過火情態(tài)勢標繪，系統(tǒng)會給出滅火力量調動、火態(tài)蔓延方向（需要輸入天氣參數）等，可供用戶參考。

二、GIS技術在阿勒泰森林火點定位中的應用

本系統(tǒng)可以通過在瞭望監(jiān)測塔安裝攝像機自動掃描來對一定范圍內的森林情況進行跟蹤錄像。一旦發(fā)生森林火災，攝像機的識別模塊被啟動并觸發(fā)報警系統(tǒng)，GIS系統(tǒng)此時通過空間數據處理來實現火點定位。

（一）雙點定位方法分析

1.定位算法分析

雙點定位法原理見下圖1所示，在此規(guī)定方位角ai均是以瞭望監(jiān)測塔正北方為0°位置，順時針轉動至目標方向，具體定位過程如下：

（1）圖1中角a1、a2分別為瞭望塔A、瞭望塔B相對于火點（x，y）的方位角，取射線交叉點即為火點位置。但在此需要注意：由于存在磁偏角，因此真正火點的方位角還需要在磁方位角的基礎上減去該地區(qū)的磁偏角;

（2）兩臺攝像機同時捕捉到火點后將數據傳輸至電子地圖上，之后系統(tǒng)會自動標定出起火點并顯示給監(jiān)控中心。

2.雙點定位法特點分析

雙點定位法具有報警準確率高、定位精度高等顯著優(yōu)點，但其最大局限性有兩點：（1）必須要有兩座瞭望監(jiān)測塔同時監(jiān)測到火點位置，因此該方法適用于監(jiān)控點布置密度較大的森林;（2）由于監(jiān)測儀器是以煙柱和火光為標準來發(fā)出警報，因此夜間監(jiān)測能力較差，只有出現火光才會報警。

本項目應用雙點定位法覆蓋了約320hm2區(qū)域，瞭望監(jiān)測塔布置在海拔較高的山坡上，盡量使其視野好、覆蓋面廣。

（二）單點定位方法分析

單點定位法只需要一個瞭望塔監(jiān)測到火點就可成功定位，因此理論上可使觀測點減少50%，成本大大降低。

1.定位基本原理分析

單點要想實現定位，必須借助相關三維地理數據，同時應用漸進窮舉法。具體操作是在瞭望塔處設置電子全站儀，通過棱鏡反射作用得到火點距離L，而方位角a可通過監(jiān)測煙柱或火光獲得，因此也可以定位火點，其基本原理見下圖2所示。

2.單點定位法特點分析

單點法具有同等監(jiān)測點條件下，監(jiān)測覆蓋范圍廣這一突出優(yōu)點，但同時必須結合GIS系統(tǒng)電子地圖才能最終定位，最終精度受氣候、地形、坡度等影響較大，因此定位精度相比于雙點法較差。

本項目應用單點定位法覆蓋了約590hm2區(qū)域，瞭望監(jiān)測塔布置在海拔較高的山坡上，經過測試其定位精度誤差在500m范圍內，基本可以滿足實際需要。

三、結語

森林防火工作涉及范圍往往很大，一旦發(fā)現起火點較晚一般火勢不再容易控制，因此積極應用GIS等先進計算機技術來輔助監(jiān)測，可大大減少人力物力財力，而且提高了監(jiān)測效率，這是現代森林防火的發(fā)展方向。但是應用GIS系統(tǒng)時對相關設計、設備安裝、調試等要求較高，且需要有一定的計算機知識水平，對森林防火人才建設也提出了一定的要求。

參考文獻：

[1]張永賀，丁智，王凱澤，等.基于GIS和視頻監(jiān)控的森林防火指揮決策系統(tǒng)研建[J].亞熱帶資源與環(huán)境學報，2020，7（03）：44-54.

[2]侯小麗，李通.GIS在森林防火決策系統(tǒng)中的應用[J].中國科技信息，2019（13）：81-81.

[3]王艷霞，李承勝，丁琨，周汝良.基于GIS空間分析的森林防火蓄水池選址[J].安全與環(huán)境學報，2015（02）：45-49.

作者簡介：

加娜西·哈吾旦（1975.03—），女，新疆阿勒泰人，畢業(yè)于北京林業(yè)大學，工程師，研究方向：森林防火。