3S技術(shù)和專家系統(tǒng)在林火管理中的應(yīng)用研究綜述

中南林業(yè)科技大學(xué)計算機與信息工程學(xué)院 高 瑜 夏國榮

1.引言

森林火災(zāi)給國家?guī)砭薮蠼?jīng)濟損失的同時，也嚴(yán)重威脅著國家林業(yè)經(jīng)濟效益和地球生態(tài)環(huán)境。如何建立一個完善的輔助森林防火管理信息系統(tǒng)也就顯得有十分重要的意義。雖然3S技術(shù)（遙感技術(shù)（Remote Sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography Information Systems，GIS）、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning Systems，GPS））在我國森林管理中的應(yīng)用起步晚，但是發(fā)展卻非常迅速。尤其伴隨著以計算機為代表的信息技術(shù)在林火各個方面中的嵌入應(yīng)用，基于3S和ES四項技術(shù)的森林防火管理信息系統(tǒng)正快速發(fā)展。

2.‘3S’（GIS、RS、GPS）和ES概述

2.1 相關(guān)概念

GIS是管理和分析空間數(shù)據(jù)的計算機（軟件、硬件、不同的方法）系統(tǒng)，該系統(tǒng)采集、管理（存儲、運算、查詢等）和分析具有空間含義的地理信息并進行表達，以便將空間及屬性信息準(zhǔn)確真實地輸出給用戶，最終借助其獨有的空間分析功能進行各種決策支持。

RS是以航空測量為基礎(chǔ)對地進行觀測的綜合性技術(shù)，用于實時地提供目標(biāo)及其環(huán)境的語義或非語義分析，及時更新GIS中的數(shù)據(jù)[3]。

GPS是被用于實時快速地提供目標(biāo)，做到單點或多點定位，可以提供不同精度的空間定位數(shù)據(jù)。

ES作為人工智能應(yīng)用研究領(lǐng)域最重要和活躍的課題之一，把解決某一特定領(lǐng)域問題的大量人類專家水平的專業(yè)經(jīng)驗知識和解決問題的方法應(yīng)用到智能程序中[2]。

2.2 相互關(guān)系

3S（GIS、GPS、RS）技術(shù)結(jié)合是當(dāng)前空間信息技術(shù)發(fā)展的重要方向，此技術(shù)是利用遙感技術(shù)獲取最新的圖像信息，全球定位技術(shù)則是捕捉遙感圖像中的位置信息，地理信息系統(tǒng)作為圖像分析的技術(shù)手段。三者緊密結(jié)合，相互完善為用戶提供精確的圖像信息數(shù)據(jù)。它們的結(jié)合主要表現(xiàn)：RS為GIS實時地更新各種圖像數(shù)據(jù)，GIS提高了RS的空間數(shù)據(jù)分析能力及精度，GIS還可使GPS的定位信息在制作地圖上獲得準(zhǔn)確地位置坐標(biāo)。GPS可為GIS及時采集、更新或修正數(shù)據(jù)。GPS的快速定位使RS數(shù)據(jù)實時、快速進入GIS系統(tǒng)，保證了RS數(shù)據(jù)及地面同步監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的動態(tài)配準(zhǔn)、動態(tài)地進入GIS數(shù)據(jù)庫[3]。

在ES與GIS的結(jié)合中，ES為GIS提供科學(xué)的咨詢和輔助決策，而GIS為ES提供完善的空間數(shù)據(jù)信息。實際上是ES為GIS提供智能界面，設(shè)計有效的操作程序，以驅(qū)動GIS進行空間分析[2]。其中，GIS主要負責(zé)對空間信息一系列處理的功能，而ES負責(zé)系統(tǒng)的啟發(fā)和推理分析，控制整合系統(tǒng)的運作?；?S技術(shù)和專家系統(tǒng)的應(yīng)用研究，將會進一步加快我國林火管理是數(shù)字化的發(fā)展。

3.ES與3S技術(shù)在林火管理的應(yīng)用

3.1 國內(nèi)外的發(fā)展情況

現(xiàn)階段森林火災(zāi)管理系統(tǒng)主要包括五個模塊分別是：1）數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)；2）林火監(jiān)測模塊；3）林火預(yù)測預(yù)報模塊；4）輔助決策模塊。

隨著對對林火預(yù)防和撲救工作的重視，世界各國大力發(fā)展林火管理系統(tǒng)。ES與3S技術(shù)的被廣泛應(yīng)用到系統(tǒng)中，一方面為可能發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域進行預(yù)測，一方面可為消防指揮人員提供滅火輔助決策支持，最終達到使火災(zāi)損失降到最低的目的[2]。

像美國、加拿大、歐洲各國在林火管理上起步早，現(xiàn)階段發(fā)展很成熟，許多國家得到了很多的借鑒。2010年，Kaloudis S T[2]等提出了FMP-ES，該系統(tǒng)使用兩種模糊邏輯理論和基于規(guī)則的知識庫建立了林火智能決策支持。加拿大綜合了地理信息、模糊理論和人類有關(guān)火災(zāi)成因的知識建立了新型林火管理專家系統(tǒng)，制定了全國統(tǒng)一的火險預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)，使林火的預(yù)報更準(zhǔn)確。

20世紀(jì)90年代初我國開發(fā)了一套基于GIS的全國性林火管理信息系統(tǒng)是與日本共同開發(fā)。近年來，我國根據(jù)該地區(qū)的特點研制出了各種基于3S技術(shù)的林火管理系統(tǒng)和基于GIS，ES和DSS的森林防火指揮決策支持系統(tǒng)，這在一定程度上提高了森林防火工作水平。我國現(xiàn)有的大部分林火撲救指揮系統(tǒng)，沒有引入機器學(xué)習(xí)、知識獲?。▽＜蚁到y(tǒng)的主要組成部分）以及滅火資源等機制，這使滅火決策完全依靠程序設(shè)計，導(dǎo)致程序死板、擴展性差。在首次將人工智能的方法應(yīng)用到森林防火中王阿川[6]等人設(shè)計的系統(tǒng)中，實現(xiàn)了森林防火技術(shù)的信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

3.2 新的結(jié)合點

3.2.1 林火監(jiān)測（RS、ES、GIS）

在3S技術(shù)林火管理系統(tǒng)的林火監(jiān)測模塊中，我們需要GIS從RS采集到的林火信息圖像分析處理得到火場位置、火勢強弱、火場面積及發(fā)展趨勢等，如果我們能把遙感圖像所含信息的實際含義先分析處理后再傳入到GIS中，這將會大大的節(jié)約我們的時間。而專家系統(tǒng)中的‘解釋型專家系統(tǒng)’正好具備此項功能。它可以對已知的信息或數(shù)據(jù)進行分析，并解釋這些信息和數(shù)據(jù)的實際含義，還具有從不完全的信息中得出解釋，并能對數(shù)據(jù)做出某種假設(shè)的特點，這也很好的彌補了我們一些遙感圖像中信息部分丟失的情況。這個系統(tǒng)在我們火點定位和災(zāi)后評估模塊中處理衛(wèi)星圖片也能得到很好的應(yīng)用。

在林火監(jiān)測中我們往往根據(jù)監(jiān)測到的現(xiàn)象與正常情況相比，及時作出相應(yīng)的分析和處理，換言之，是對系統(tǒng)、對象或過程的行為進行不斷觀察，并把觀察到的行為與其應(yīng)當(dāng)具有的行為進行比較，以發(fā)現(xiàn)異常情況，發(fā)出警報。而此功能特點正好我們的監(jiān)視型專家系統(tǒng)所能達到了，而且此專家系統(tǒng)已經(jīng)被現(xiàn)階段的一些林火管理系統(tǒng)采用。

3.2.2 林火預(yù)測與模擬

林火預(yù)報是綜合氣象要素、地形（坡度）、可燃物的濕度和類型以及火源等，分析預(yù)測森林火險的危險性預(yù)測。林火預(yù)報主要做的是借助一定的模型和方法，計算出森林火災(zāi)發(fā)生的可能性、森林火險的大小、火災(zāi)發(fā)生后的林火行為狀況。這個過程中對林火預(yù)警模型和林火蔓延模型研究將有很大的意義。我們?nèi)绾螌σ粋€模型提出后，其中的林火因子的相關(guān)系數(shù)進行確定，那么我們的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型下專家系統(tǒng)將會給予我們很大的支持?？墒沽只鹨蜃雍芎玫牡玫接?xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有著很大的優(yōu)勢：知識不是通過人的加工，而是通過算子自動獲取；推理機制不是傳統(tǒng)的歸納推理，而是變?yōu)樵诟偁帉訉?quán)值的競爭。與傳統(tǒng)的產(chǎn)生式專家系統(tǒng)相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還有較好容錯性、自適應(yīng)能力、通過實例學(xué)習(xí)能力以及便于硬件實現(xiàn)的優(yōu)勢。

3.2.3 撲火智能指揮系統(tǒng)（‘3S’、ES）

在此模塊中，首先我們要與前面模塊做到很好的結(jié)合，以獲取足夠的信息來輔助我們滅火。此過程我們采用的最基本策略是利用以往的經(jīng)驗來指導(dǎo)。那么結(jié)合基于案例的專家系統(tǒng)，首先獲取當(dāng)前問題信息，接著在數(shù)據(jù)庫中尋找最相似的以往案例。以案例中的經(jīng)驗來對我們將要制定的撲火方案給予一定的指導(dǎo)。如果找到了合理的匹配，就建議使用和過去所用相同的策略；如果搜索相似案例失敗，則將這個案例作為新案例。因此，基于案例的專家系統(tǒng)能夠不斷學(xué)習(xí)新的經(jīng)驗，以增加系統(tǒng)求解問題的能力。

4.結(jié)論與展望

3S技術(shù)在林業(yè)（森林防火）中的應(yīng)用日趨成熟，隨著以計算機為代表的信息技術(shù)的發(fā)展，將會有更多的技術(shù)如ES、DSS、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合到3S中來為我們的森林防火管理系統(tǒng)做支持。那么現(xiàn)有的研究還不能很好地契合各領(lǐng)域、各學(xué)科的知識，專家系統(tǒng)知識庫的知識來源范圍狹窄的問題也將會得到解決。未來基于3S技術(shù)的專家系統(tǒng)的林火管理系統(tǒng)將應(yīng)注意各種先進算法、理論的研究與應(yīng)用；同時還要擴大知識庫的知識來源范圍（書本、專家和國內(nèi)外科學(xué)研究的成果等）。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理技術(shù)，從中發(fā)現(xiàn)隱含的知識和規(guī)律，以彌補人類在大量信息處理方面的不足。

以GIS為基礎(chǔ)延伸出的3S技術(shù)及與計算機信息技術(shù)（如專家系統(tǒng)）的融合將帶動地理信息產(chǎn)業(yè)的深刻變革，也將實現(xiàn)地理空間信息和非空間信息的全面整合。這也許正是林火乃至整個林業(yè)發(fā)展的發(fā)展方向。

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