基于GIS的西天山自然保護(hù)區(qū)森林防火微波監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：依據(jù)GIS平臺(tái)，利用Arcgis系統(tǒng)，結(jié)合空間分析原理，以西天山自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)為材料，對(duì)其森林防火微波監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置進(jìn)行分析描述。得出其最佳視頻監(jiān)控點(diǎn)位置和可視域范圍，為有效監(jiān)控森林火災(zāi)提供了依據(jù)和決策基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 西天山 森林防火 可視域 DEM 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P951文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）04（a）-0-02

森林火災(zāi)作為一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處置救助困難的自然災(zāi)害，已成為各國(guó)應(yīng)急管理工作的重要領(lǐng)域[1]。森林火災(zāi)是世界性的林業(yè)重要災(zāi)害之一，隨著中國(guó)造林事業(yè)的不斷發(fā)展，防火工作成為首要任務(wù)。森林防火必須有效、快速地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)火情，“預(yù)防為主，積極補(bǔ)救”，早發(fā)現(xiàn)，早解決。為此，基于有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于森林防火監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)采用的監(jiān)測(cè)方法：①地面巡護(hù)，主要任務(wù)是向群眾宣傳，控制人為火源，深入監(jiān)控點(diǎn)觀測(cè)的死角進(jìn)行巡邏。對(duì)來(lái)往人員及車輛，野外生產(chǎn)和生活用火進(jìn)行檢查和監(jiān)督。存在的不足是巡護(hù)面積小、視野狹窄、確定著火位置時(shí)，常因地形地勢(shì)崎嶇、森林茂密而出現(xiàn)較大誤差；在交通不便、人煙稀少的偏遠(yuǎn)山區(qū)，無(wú)法進(jìn)行地面巡護(hù)，需用各種交通工具費(fèi)用及人員工資費(fèi)用，只能用視頻監(jiān)測(cè)方法來(lái)彌補(bǔ)。②監(jiān)控點(diǎn)監(jiān)測(cè)，是通過監(jiān)控點(diǎn)來(lái)觀測(cè)林火的發(fā)生，確定火災(zāi)發(fā)生的地點(diǎn)，報(bào)告火情，它的優(yōu)點(diǎn)是覆蓋面較大、效果較好。存在的不足：是無(wú)生活條件的偏遠(yuǎn)林區(qū)不能設(shè)監(jiān)控點(diǎn)；它的觀察效果受地形地勢(shì)的限制，覆蓋面小，有死角和空白，觀察不到，對(duì)煙霧濃重的較大面積的火場(chǎng)、余火及地下火無(wú)法觀察；雷電天氣無(wú)法上塔觀察；監(jiān)控是一種依靠監(jiān)控員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)觀測(cè)的方法，準(zhǔn)確率低，誤差大。另外監(jiān)控員人身安全受雷電、野生動(dòng)物、森林腦炎等的威脅。③航空巡護(hù)是利用巡護(hù)飛機(jī)進(jìn)行林火的探測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)是巡護(hù)視野寬、機(jī)動(dòng)性大、速度快，同時(shí)對(duì)火場(chǎng)周圍及火勢(shì)發(fā)展能做到全面觀察，可及時(shí)采取有效措施，但也存在著不足：夜間、大風(fēng)天氣、陰天能見度較低時(shí)難以起飛，同時(shí)巡視受航線、時(shí)間的限制，而且觀察范圍小，只能一天一次對(duì)某一林區(qū)進(jìn)行觀察，如錯(cuò)過觀察時(shí)機(jī)，當(dāng)日的森林火災(zāi)也觀察不到，容易釀成大災(zāi)，固定飛行費(fèi)用2000元/h，成本高，租用飛機(jī)費(fèi)用昂貴，飛行費(fèi)用嚴(yán)重不足。④衛(wèi)星遙感，利用極軌氣象衛(wèi)星、陸地資源衛(wèi)星、地球靜止衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星探測(cè)林火。能夠發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)，監(jiān)測(cè)火場(chǎng)蔓延的情況、及時(shí)提供火場(chǎng)信息，用遙感手段制作森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)，用衛(wèi)星數(shù)字資料估算過火面積。它探測(cè)范圍廣、搜集數(shù)據(jù)快、能得到連續(xù)性資料，反映火的動(dòng)態(tài)變化，而且收集資料不受地形條件的影響，影像真切。存在的不足：準(zhǔn)確率低，需要地面花費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力進(jìn)行核實(shí)，尤其是交通不便的地方，火情核實(shí)十分重要。

“森林防火微波監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)”可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)控林火情況，配合林政管理、生態(tài)建設(shè)管理及林業(yè)活動(dòng)等功能實(shí)現(xiàn)各種管理。西天自然保護(hù)區(qū)面積較大，需要監(jiān)測(cè)的范圍廣，交通不便，通信條件落后。采用人工巡護(hù)監(jiān)測(cè)森林火情十分困難。一旦火災(zāi)發(fā)生，易貽誤火情。因此建立防火微波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過不斷傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的野外監(jiān)測(cè)圖像，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確掌握火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、災(zāi)情及火災(zāi)曼延情況，為及時(shí)組織撲救和制定有效的撲救措施提供可靠的依據(jù)，從而降低火災(zāi)隱患。

1 研究區(qū)概況與研究資料

1.1 研究區(qū)概況

西天山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州鞏留縣東部，坐落在中天山西段，天山西部林區(qū)的中心位置。東鄰鞏留林場(chǎng)大吉爾格郎營(yíng)林區(qū)，西靠鞏留林場(chǎng)大莫合營(yíng)林區(qū)，北隔大吉爾格郎河與新源縣相望，南依那拉提山脈分水嶺與和靜縣相鄰，地理坐標(biāo)：北緯43 °03′～43 °15′東經(jīng)82 °04′～83 °46′，面積31217 hm2。西天山自然保護(hù)區(qū)位于天山北坡，是天山地區(qū)降水量最豐富的地段，由于地勢(shì)較高，受到北冰洋氣團(tuán)的影響。保護(hù)區(qū)位于中亞和亞洲中部的過渡地帶，其谷地地勢(shì)向西傾斜而開闊，有來(lái)自西部的暖濕氣流從伊犁河谷西段至中亞的缺口處進(jìn)入，受到高山阻擋形成豐富的降水。西天山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于中天山西段，坐落在中天山南支脈東西走向的那拉提山系北坡，南、北、東三面高山環(huán)繞，形成一個(gè)喇叭口，西面開闊而地勢(shì)低，東面狹窄而地勢(shì)高。保護(hù)區(qū)內(nèi)地勢(shì)險(xiǎn)峻，坡度陡峭，群峰林立，總趨勢(shì)南高北低，區(qū)內(nèi)群峰大部分在海拔3000～3700 m之間，3600 m以上常年被冰川、積雪覆蓋。最高海拔4100 m，最低海拔1100 m?？芍^高巖深壑，是宏偉多姿，巍峨疊翠的山形地貌特征。

1.2 研究資料

本研究使用的遙感數(shù)據(jù)為ETM衛(wèi)星影像圖，分辨率為30 m，成像期為2010年6月21日，研究區(qū)DEM，衛(wèi)星影像對(duì)應(yīng)的地面位置為西天山一帶。全要素?cái)?shù)字地形圖數(shù)據(jù)。包括河流、水系、道路、建筑物、居民地、高程點(diǎn)、等高線、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、標(biāo)注等數(shù)據(jù)層。

林相圖。提供森林資源分布和可燃物類型分布。屬性數(shù)據(jù)。

望臺(tái)數(shù)據(jù)、撲火隊(duì)伍、救火設(shè)施、防火隔離帶。

2 建模與分析

2.1 可視域建模

可視域建模，由于是建立在對(duì)圖層數(shù)據(jù)的操作上的，又稱為地圖建模（CartographicModeling）[2]。它是通過組合空間分析命令操作以回答有關(guān)空間現(xiàn)象問題的過程，更形式化一些的定義是通過作用于原始數(shù)據(jù)和派生數(shù)據(jù)的一組順序的、交互的空間分析操作命令，對(duì)一個(gè)空間決策過程進(jìn)行的模擬 [3]。

在Arcgis中利用研究區(qū)DEM，具體操作如下：

選擇3D分析中的視場(chǎng)工具（viewshed）；

選擇計(jì)算表面（Input surface）；

設(shè)定觀察點(diǎn)；

設(shè)定高程變換系數(shù)；

指定輸出柵格單元大小；

指定輸出文件名稱。

白色區(qū)域表示不可見區(qū)域，灰色為可見區(qū)域。

2.2 數(shù)據(jù)分析

建設(shè)防火微波監(jiān)控點(diǎn)5處，使用30 mDEM，通過比高分析在保護(hù)區(qū)提取了35個(gè)地勢(shì)較高的山脊進(jìn)行影像判讀，解析；結(jié)合現(xiàn)地考察，確定了10個(gè)地勢(shì)較高、視域開闊、交通便利的監(jiān)控站位置；基于Arcgis系統(tǒng)創(chuàng)建可視域范圍；依據(jù)有利于觀測(cè)、以整個(gè)林區(qū)為單位、在一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)內(nèi)、適當(dāng)考慮方便生活[4]的原則。最終確定5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，其地理坐標(biāo)如表1所示。

其中1號(hào)點(diǎn)高程為1758 m，可視域面積為2092.06 hm2，占森林資源面積的15.6271%；

2號(hào)點(diǎn)高程為1855 m，可視面積為1946.761 hm2，占森林資源面積的14.81%；

3號(hào)點(diǎn)高程為1797 m，可視域面積為1442.11 hm2，占森林資源面積的10.77%；

4號(hào)點(diǎn)高程為1277 m，可視域面積為1813.97 hm2，占森林資源面積的13.55%；

5號(hào)點(diǎn)高程為1415 m，可視域面積90.06 hm2，占森林資源總面積的0.67%。

5個(gè)點(diǎn)總可視域范圍如圖1所示。

5個(gè)監(jiān)控點(diǎn)總可視域面積為4936.202 hm2，占森林資源面積的36.87%，共包含了11個(gè)林班，479個(gè)小班。由于研究區(qū)地形復(fù)雜，多山地溝壑，森林植被覆蓋度大，可視域范圍雖沒有達(dá)到研究區(qū)總面積的60%，已經(jīng)得到的監(jiān)控范圍已達(dá)到研究區(qū)森林密度較大區(qū)域的監(jiān)控要求，可行。

3 結(jié)語(yǔ)

森林火災(zāi)具有突發(fā)性強(qiáng)、危害性大、處置難度高的特點(diǎn)。一旦發(fā)生森林火災(zāi)，長(zhǎng)時(shí)間培育的林木將會(huì)瞬間化為烏有，會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，森林防火成為保護(hù)森林資源的重要

環(huán)節(jié)[5]。

在GIS中，數(shù)字高程模型（DEM）常常選用格網(wǎng)模型來(lái)描述地形，便于對(duì)地形進(jìn)行各種分析操作。結(jié)合ArcGIS平臺(tái)的可視域分析工具，能夠利用DEM從一個(gè)或多個(gè)觀察點(diǎn)，分析找到研究區(qū)域的可視域范圍，并輸出可視域圖，為森林防火微波監(jiān)控系統(tǒng)提供決策性依據(jù)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確掌握火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、災(zāi)情及火災(zāi)曼延情況，為及時(shí)組織撲救和制定有效的撲救措施提供可靠的依據(jù)，從而降低火災(zāi)隱患。

參考文獻(xiàn)

[1]朱學(xué)芳，朱明，朱光.基于數(shù)字圖像信息技術(shù)的林火預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].情報(bào)科學(xué)，2012，30（2）：302-305.

[2]Michael Zeiler.Modeling_our_World[M].Environmental Sys-tems Research Institute，Inc.1999：39-50.

[3]王佳，張貴，肖化順.ArcGIS可視域分析在瞭望臺(tái)管理中的應(yīng)用[J].湖南林業(yè)科技，2005，32（2）：24-26.

[4]熊惠.瞭望臺(tái)的選址原則和方法[J].甘肅林業(yè)科技，1994（2）：47-48.

[5]吳幸城.談國(guó)有林場(chǎng)目前森林防火存在的問題與對(duì)策[J].吉林農(nóng)業(yè)，2013，301（4）：221.