林區(qū)瞭望臺監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)選址研究

肖化順, 段祝庚, 鄧立斌

林區(qū)瞭望臺監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)選址研究

肖化順1, 段祝庚1, 鄧立斌2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院, 湖南 長沙 410004; 2. 國家林業(yè)局 調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 北京100714）

以廣州白云林區(qū)為研究對象，根據(jù)瞭望臺監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)設(shè)立的原則，利用GIS可視域分析和模糊數(shù)學(xué)方法，對廣州市白云區(qū)2010年更新的全要素地形圖和森林資源分布圖進(jìn)行處理分析，得到以下結(jié)論：（1）瞭望臺選址影響因子為可視面積、火險(xiǎn)等級、林區(qū)社會經(jīng)濟(jì)情況、臺址周邊交通與水資源等因子，其中可視面積的權(quán)重最大，為0.333，而水資源和社會經(jīng)濟(jì)因子的權(quán)重較小，均為0.125。（2）6個(gè)備選瞭望臺建設(shè)的緊要性順序?yàn)镺5＞O6＞O1＞O2＞O3＞O4。（3）實(shí)際上白云林區(qū)在O5已有瞭望臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況基本符合，擬新建的瞭望臺應(yīng)選擇O6或O1附近。這種GIS支持下的瞭望臺模糊選址技術(shù)可以在滿足臺址選擇條件的情況下，增加瞭望臺的觀測面積，減少資金投入，為瞭望臺監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的選址決策提供科學(xué)依據(jù)。

森林防火; 火災(zāi)監(jiān)測; 瞭望臺; 監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn);優(yōu)化配置

瞭望臺是森林消防工程中重要的組成部分，對火情監(jiān)測、指揮撲救、林區(qū)物流與信息流等起著重要作用，是貫徹打早、打小、打了的防火方針的重要一環(huán)。瞭望臺也是森林火災(zāi)的監(jiān)測點(diǎn)和無線通訊的中繼點(diǎn)[1-2]。由于受地形的影響，每個(gè)瞭望臺的觀測范圍會有所不同，也會存在一定的肓區(qū)，瞭望臺之間的觀測區(qū)域應(yīng)能相互補(bǔ)充，合理設(shè)置最少且能滿足觀測要求的瞭望臺對森林火災(zāi)防控工作具有重要意義。利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和數(shù)學(xué)方法，可以避免傳統(tǒng)的瞭望臺選址技術(shù)方法中難以準(zhǔn)確計(jì)算瞭望臺的觀測范圍以及盲區(qū)分析等問題，并可以實(shí)現(xiàn)對臺址網(wǎng)點(diǎn)布局的全局性把握[3-4]。

本研究以廣州市白云林區(qū)為例，利用GIS可視化、數(shù)據(jù)管理與空間分析功能，結(jié)合模糊數(shù)學(xué)方法，把臺址的可視域作為選址的重要影響因素，同時(shí)考慮區(qū)域火險(xiǎn)等級、林業(yè)生產(chǎn)生活條件等影響因子，得出瞭望臺布局選址優(yōu)化結(jié)果和建設(shè)順序，提高了瞭望臺選址與布局的科學(xué)性。

1 網(wǎng)點(diǎn)選址影響因子

設(shè)置瞭望臺的目的是為監(jiān)測火情，確定火點(diǎn)火勢，為指揮撲救報(bào)務(wù)，因此瞭望臺的選址要遵循的原則主要是：第一，瞭望臺應(yīng)建在能夠觀察到大面積重點(diǎn)防火林區(qū)的地方，有效觀測面積盡可能大；多臺聯(lián)網(wǎng)，臺網(wǎng)之間的觀察視野能相互驗(yàn)證和互補(bǔ)。第二，以整個(gè)林區(qū)為單位，統(tǒng)籌安排，區(qū)域成網(wǎng)。一般瞭望臺的最大觀察半徑不超過20 km。在此范圍內(nèi)，由于地形的限制，必然還有一定的盲區(qū)。1萬hm2以上的較大林區(qū)，需要打破行政區(qū)劃和森林經(jīng)營單位界線，多臺聯(lián)網(wǎng)，合理布局，相互彌補(bǔ)對方的盲區(qū)，充分發(fā)揮觀察效果。第三，優(yōu)先滿足觀察要求時(shí)還要考慮觀測人員的生活條件，包括周邊交通、用水、民俗文化等[5-8]。

根據(jù)瞭望臺監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)設(shè)立的原則，確定可視面積、火險(xiǎn)等級、社會經(jīng)濟(jì)情況（經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度、森林保護(hù)意識等）、臺址周邊交通、水資源等作為瞭望臺的選址影響因子，因子權(quán)重由特爾菲法確定，然后進(jìn)行權(quán)重歸一化處理，其結(jié)果見表1。將水資源點(diǎn)分布圖、交通圖疊加到白云林區(qū)地形圖上，根據(jù)瞭望臺選址影響因子，在海拔相對較高或絕對高差相對較大的山脊設(shè)立供選瞭望臺網(wǎng)點(diǎn)，對其進(jìn)行可視域分析，根據(jù)幾個(gè)瞭望臺的可視域及重疊區(qū)域，調(diào)整瞭望臺位置和數(shù)量，得到備選瞭望臺網(wǎng)點(diǎn)，結(jié)果如圖1所示。對于白云林區(qū)，其東部森林資源豐富，地勢較高，備選臺址分布也相對多些。

表1 瞭望臺選址影響因子及其權(quán)重Table 1 Influence factors and their weighting of observatories setting

圖1 瞭望臺備選網(wǎng)點(diǎn)臺址分布Fig.1 Distribution of optional places of observatories

2 備選網(wǎng)點(diǎn)臺址可視域分析

可視域分析也稱通視分析，獲取備選瞭望臺可視區(qū)域面積，須進(jìn)行備選瞭望臺可視域分析，以同和街為例，步驟如下：

（1）研究區(qū)域的確定。打開ArcMap進(jìn)入空間分析擴(kuò)展模塊，選中Spatial Analyst，選擇Options工具條。在Options 對話框中，點(diǎn)擊General 標(biāo)簽，設(shè)置工作空間。使用GIS的Options對話框保存處理數(shù)據(jù)時(shí)的步驟，并確定grid 的像元大小和地圖范圍。

（2）數(shù)據(jù)載入。點(diǎn)擊工具條上的Add Data ，加載行政區(qū)、森林資源分布圖層。選擇Tools下拉框Merge Layers Together，進(jìn)行圖層合并融合，生成等高線圖層。

（3）數(shù)字高程模型制作。用格網(wǎng)數(shù)據(jù)來進(jìn)行GIS可視域分析，對等高線進(jìn)行空間插值轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面。點(diǎn)擊Spatial Analysis工具條，選中Kriging； 輸入點(diǎn)數(shù)據(jù)集。保持其它參數(shù)為默認(rèn)值；確定后得到數(shù)字高程模型（DEM）（見封三圖1）。

（4）GIS可視域分析。 首先建立監(jiān)測點(diǎn)Shape文件，選擇WGS-84坐標(biāo)系，生成監(jiān)測點(diǎn)圖層；然后選擇待分析臺址，加載監(jiān)測點(diǎn)圖層和格網(wǎng)模型圖層；最后將生成的圖層輸出后與緩沖區(qū)分析圖層做疊置分析，顯示分析結(jié)果見封三圖2。紅色表示觀察點(diǎn)，藍(lán)色為可見區(qū)域且有森林資源分布區(qū)域。

3 備選瞭望臺可視面積獲取

主要過程是在ArcMap中加載需進(jìn)行分析的可視域圖層，建立可視域拓?fù)潢P(guān)系，得到備選臺址可視面積屬性表，在Add Field對話框中添加并選擇Float類型的Area字段，在Field Calculator對話框中選中Advanced，在Pre-logic VBA Script Code文本框中輸入：

DimpArea as Iarea

Setp Area= [shape]

圖4 面積屬性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics diagram of area attribute data

在Area=下面的文本框輸入Area= pArea.area，點(diǎn)擊OK。在面積屬性表中選擇Statistics，可得到Area的統(tǒng)計(jì)信息（見圖4）。圖4中Sum:10.131273，則可視域面積為10.13 km2。采用同樣的方法，可得到其它各備選臺址的可視面積，結(jié)果見表2。

表2 備選臺址可視面積Table 2 Visual range area of optional observatories

4 網(wǎng)點(diǎn)選址與建設(shè)緊要性

（1）備選臺址與影響因子的表達(dá)

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行瞭望臺網(wǎng)點(diǎn)選址，模糊數(shù)學(xué)方法是一種定量研究和處理模糊現(xiàn)象的新型的數(shù)學(xué)方法[9-10]。首先用矩陣表示備選臺址與影響因子。

式中aij表示第i個(gè)備選臺址的第j個(gè)因素的影響；i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。

對n個(gè)因素，劃分為2類：n1類代表指標(biāo)值越大越好，n2類代表指標(biāo)值越小越好。

（2）定義隸屬函數(shù)

式中：aj=min(aij)；bj=max(aij)；j=1,2,…,n。

（3）確定隸屬度

用歸一化權(quán)重（Σωj=1）修正隸屬度函數(shù)，為Oj =ωjFj。

（4）貼近度的計(jì)算

將備選臺址隸屬度最佳值組成最優(yōu)數(shù)據(jù)集，Y=(Y1,Y2,…,Yn)，計(jì)算每個(gè)備選臺址與最優(yōu)值之間的貼近度，即這里δ是海明距離[11]。

根據(jù)表1、表2及各備選臺址情況，同時(shí)量化其它因子指標(biāo)值(見表3)。利用隸屬度函數(shù)對表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到修正隸屬度函數(shù)值（見表4）。計(jì)算各備選地址與最優(yōu)值之間的海明距離，以此作為貼近度（見表5）。

表3 瞭備臺備選臺址影響因子指標(biāo)值Table 3 Influence factor data of optional observatories

表4 備選臺址修正后的隸屬度值Table 4 Revised memberships values of optional observatories

由此，設(shè)立瞭望臺的順序?yàn)?O5＞O6＞ O1＞ O2＞O3＞ O4。即理論上，備選臺址設(shè)立瞭望臺的落點(diǎn)先后順序依次是鐘落潭鎮(zhèn)＞九佛鎮(zhèn)＞同和街＞蘿崗街＞太和鎮(zhèn)＞良田鎮(zhèn)。按地形分析，鐘落潭鎮(zhèn)和九佛鎮(zhèn)地勢起伏，設(shè)立瞭望臺可視范圍較大，且這兩處交通發(fā)達(dá)，水源豐富，林地面積大，是設(shè)立瞭望臺臺址較好落點(diǎn)，實(shí)際上白云林區(qū)在O5已有瞭望臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況基本符合，近期擬新建的瞭望臺應(yīng)選擇O6或O1附近。

表5 備選臺址貼近度Table 5 Closeness degree calculated of optional observatories

5 小 結(jié)

瞭望臺建設(shè)是林區(qū)重要的人工防火工程，是森林火災(zāi)監(jiān)測和災(zāi)害應(yīng)急通訊指揮的中繼點(diǎn)，科學(xué)地進(jìn)行林區(qū)瞭望臺監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)選址是設(shè)置最少的又能滿足監(jiān)測要求的瞭望臺的基礎(chǔ)性工作。利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和模糊數(shù)學(xué)計(jì)算方法，改進(jìn)了傳統(tǒng)的瞭望臺選址方法，減少選址工作量，同時(shí)，大大提高了監(jiān)測點(diǎn)空間分析與準(zhǔn)確計(jì)算能力，分析結(jié)果能滿足林區(qū)林火監(jiān)測需要。

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Research on observation network settings in forest area

XIAO Hua-shun1, DUAN Zhu-geng1, DENG Li-bin2
(1.Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Academy of Forest Inventory & Planning,Beijing 100714, China )

According to the layout principles of observatory monitoring network, by taking Guangzhou Baiyunshan forest region as studying objective, and using GIS analyzing visibility and fuzzy mathematics, the total elements topographic map and forest resource distribution map of the region renewed in 2010 were analyzed and planned. The conclusions are as followings: (1) the effecting factors of site selection of observatory consist of visual range area, fire danger class, social economic conditions, traffic and water sources near the watch platforms, among them the maximum weight of visual range area is 0.333, and the weights of water sources and social economic conditions are relatively small, both are 0.125. (2) The urgency order of the 6 alternative observatory sites to be constructed is O5＞O6＞O1＞ O2＞ O3＞ O4. (3) In fact, there have been an observatory in site O5, the selecting result and constructing order have been presented,the proposed new observatory should be built near site O6or O1. Ths fuzzy observatory site selection method supported by GIye can increase the observation area, reduce capital investment, and provide e scientific basis for observation network site selection decisionmaking under the condition of meeting platforms requirements.

forest fire prevention; fire monitoring; watch platforn; forest fire monitoring; optimal allocation

S757

A

1673-923X (2012)07-0006-04

2012-03-30

湖南省自然科學(xué)基金(11jj3031)；國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201004032）；中南林業(yè)科技大學(xué)人才引進(jìn)項(xiàng)目(104-0141）

肖化順（1968—），男，湖南邵陽人，副教授，博士，主要從事森林防火教學(xué)與科研工作

[本文編校：謝榮秀]