基于天地圖的智能化森林防火應用系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

□ 賈曉亮

（山西省綜合地理信息中心，山西 太原 030001）

基于天地圖的智能化森林防火應用系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

□ 賈曉亮

（山西省綜合地理信息中心，山西 太原 030001）

根據(jù)森林防火指揮管理工作的實際需求，本文提出了基于天地圖的智能化森林防火應用系統(tǒng)建設思路，詳細闡述了系統(tǒng)的架構和功能設計。基于天地圖的森林防火應用系統(tǒng)建設，節(jié)約了建設成本，縮短了開發(fā)周期，提升了服務應用能力。系統(tǒng)實現(xiàn)了森林防火災前、災中和災后三個階段中的智能化應用，使森林防火工作邁進了智能化管理階段。

天地圖；森林防火；地理信息服務

1.引言

山西省每年都會發(fā)生一些森林火災，給森林資源造成了極大的損失，嚴重影響生態(tài)環(huán)境平衡。森林防火工作是保障林業(yè)發(fā)展、加強生態(tài)建設的基礎，是防災、減災工作的重要內容之一，也是公共安全應急體系建設的重要部分，事關到森林資源安全、生態(tài)安全和人民群眾生命財產(chǎn)安全。為了減少火災對森林的破壞，森林防火需要做好預防和撲救兩個方面的工作。森林火災常常發(fā)生在林區(qū)，不容易被發(fā)現(xiàn)，同時森林火災危害嚴重、撲滅困難，如能在剛剛發(fā)生時進行撲救，就易于撲滅火災，因此，如何能及時發(fā)現(xiàn)火災位置對于撲滅火災具有重要意義。

利用視頻監(jiān)控和圖像識別技術，通過地理信息公共服務平臺準確定位和展示森林火災發(fā)生的時空分布過程，結合林業(yè)管理的專業(yè)知識和林業(yè)防火的模型，建立智能化的森林防火應用系統(tǒng)，實現(xiàn)林區(qū)的火情監(jiān)控、火點精確定位、火險等級預測、撲救指揮決策、災后評估等多方面功能，使指揮決策快速反應、智能化管理，是森林防火管理系統(tǒng)的當前發(fā)展方向。

2.建設思路

“天地圖·山西”采用SOA架構，整合了山西省的基礎地理空間信息資源，利用現(xiàn)代信息服務技術，面向各級政府、行業(yè)用戶以及社會公眾建立了權威的、開放的地理信息服務平臺。平臺對各種分布式的、異構的地理信息數(shù)據(jù)資源進行一體化組織管理，消除了信息孤島和數(shù)字鴻溝，實現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)資源的共享及網(wǎng)絡化應用服務。平臺改進了測繪地理信息成果的服務方式，在保障數(shù)據(jù)安全的同時，解決了用戶數(shù)據(jù)拷貝、更新、維護等問題，可靈活快速搭建各類應用系統(tǒng)，解決了重復建設問題，為政府部門節(jié)約大量的財政支出。

基于天地圖的智能化森林防火應用系統(tǒng)技術研究，是面向省、市、縣不同應用級別的森林防火應急響應的業(yè)務需求，依托于天地圖提供的多源、多尺度的基礎地理信息和標準地理信息服務接口，結合森林防火專題信息和森林資源信息，構建森林防火地理信息服務體系，實現(xiàn)林火監(jiān)測、火險預測、撲救指揮決策、火災損失評估等功能，形成平災一體、快速服務的智能化森林防火指揮管理平臺，為森林防火指揮管理工作提供實時、高效、全方位的地理信息服務保障。

3.系統(tǒng)框架設計

基于天地圖的智能化森林防火應用系統(tǒng)是以空間基礎地理信息為基礎，采用面向服務的體系架構，由數(shù)據(jù)層、服務層、應用層和支撐層四個具有內在聯(lián)系、層次結構分明的層次有機組成，并從技術標準與規(guī)范、質量控制與檢查構建系統(tǒng)建設質量保障。系統(tǒng)總體框架，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

3.1數(shù)據(jù)層

由基礎地理數(shù)據(jù)庫、森林防火專題數(shù)據(jù)庫、森林資源數(shù)據(jù)庫、火險預測模型庫及預案管理庫和相應的元數(shù)據(jù)與目錄數(shù)據(jù)等部分構成數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的基礎層。以天地圖提供的數(shù)據(jù)服務為基礎，面向森林防火應用需求，將森林防火專題數(shù)據(jù)、森林資源數(shù)據(jù)發(fā)布標準OGC服務，構建森林防火地理信息服務?；痣U預測模型庫存儲了森林火險預測分析的各種模型，預案管理庫是對森林防火應急處置各種類型的森林火災事件時的相關措施及應急預案進行建庫，元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)目錄是數(shù)據(jù)層中包含的各種類型數(shù)據(jù)的說明以及森林防火數(shù)據(jù)目錄結構的說明性信息。

3.2服務層

服務層依托數(shù)據(jù)層支持、面向系統(tǒng)應用層，包含數(shù)據(jù)訪問組件、GIS服務組件、應用服務組件、管理服務組件等部分。數(shù)據(jù)訪問組件是為應用服務組件提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫連接管理和數(shù)據(jù)訪問接口，GIS服務組件為系統(tǒng)前端應用提供地理信息數(shù)據(jù)和分析服務接口，應用服務組件通過服務組件為前端應用子系統(tǒng)中的各種操作提供服務的功能集合，管理服務組件為構建后臺管理系統(tǒng)提供基本功能模塊。

3.3應用層

應用層使用服務層提供的服務組件，根據(jù)森林防火應急管理中火險預測、火情監(jiān)測定位、指揮決策與災后評估不同階段的需求構建的應用系統(tǒng)及數(shù)據(jù)維護與系統(tǒng)配置系統(tǒng)。

面向森林火險預測的應用子系統(tǒng)主要對森林火災發(fā)生相關的植被情況、天氣狀況、地形地貌和人類活動情況等因素進行統(tǒng)籌分析，得出森林火災發(fā)生的可能性和蔓延難易程度的度量評級，是森林防火宏觀決策和分類指導的科學依據(jù)。面向火情監(jiān)測定位階段的應用子系統(tǒng)主要針對林區(qū)監(jiān)控和火點快速定位的需求，利用視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡通信等多種技術，提供信息采集、圖像識別、火點定位、信息查詢定位等功能，為森林防火管理部門高效有序應對林火事件和科學決策提供信息來源。面向指揮決策的應用子系統(tǒng)用于森林火災撲救過程中現(xiàn)場態(tài)勢展現(xiàn)、輔助決策分析、指揮部署等過程。面向災后評估的應用子系統(tǒng)是為災后對森林火災造成的損失情況進行調查評估。數(shù)據(jù)維護與系統(tǒng)配置子系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的編輯、數(shù)據(jù)關系的維護及配置參數(shù)的管理。

3.4運行層

運行層是系統(tǒng)運行的支撐與保障，由軟件、硬件、網(wǎng)絡和保障體系等內容組成。軟件包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理軟件、GIS平臺以及系統(tǒng)開發(fā)所需的各種中間件等,硬件包括服務器、網(wǎng)絡、存儲設備、遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全保障以及不間斷電源等,網(wǎng)絡包括系統(tǒng)運行所需的森林防火指揮網(wǎng)絡,安全保障包括標準規(guī)范和運行管理辦法，這些設備和規(guī)范保障了系統(tǒng)的長效穩(wěn)定運行。

4.系統(tǒng)功能實現(xiàn)

根據(jù)森林防火管理應用需求，智能化森林防火應用系統(tǒng)應包括地理信息、火險預測、火情監(jiān)測定位、指揮決策、災后評估和系統(tǒng)維護六大功能模塊，如圖2所示。

4.1地理信息模塊

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

地理信息模塊是系統(tǒng)的基礎功能模塊，是各類空間信息的綜合承載及分析平臺。該模塊基于天地圖服務，實現(xiàn)了二維地圖和三維地圖功能。二三維地圖功能包含了地圖瀏覽、三維場景瀏覽、圖層控制、量算分析、坐標定位等功能，能在圖上查詢顯示基礎地理信息、森林防火專題信息、森林資源信息等信息，還可進行圖上標繪和分析結果展示。

4.2火險預測模塊

森林火災發(fā)生的影響因素主要有氣候、植被、地形和人類影響等因子。火險預測模塊是將氣象部門發(fā)布的天氣信息與林區(qū)植被現(xiàn)狀、地形情況、交通分布、居民地分布等信息按權重系數(shù)轉化為林區(qū)火險因子并計算生成火險等級指標，調用森林火險預測評估模型，對林區(qū)進行火險等級分級區(qū)劃，生成火險等級預測專題圖和氣象信息專題圖，為森林火災防控服務。

4.3火情監(jiān)測定位

火情監(jiān)測定位是采用視頻監(jiān)控、圖像識別和三維單點定位技術，通過視頻監(jiān)控中的圖像進行分析識別，如發(fā)現(xiàn)林區(qū)有火情，系統(tǒng)利用地形自動確定火災發(fā)生位置并報警提示。火情監(jiān)測定位模塊與森林防火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)相連接，根據(jù)視頻監(jiān)控的水平旋轉角度、俯仰角度和高程信息，利用數(shù)字高程模型和三維地理信息單點定位算法，精確計算出視頻監(jiān)控顯示圖像中心位置的經(jīng)度、緯度和海拔高度。當視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)火情時，火情監(jiān)控定位模塊自動接收報警信息，自動計算火點位置的坐標信息，并在地圖上標注定位，還可將火點位置信息以短信方式發(fā)送到相關人員手機上。該模塊同時提供坐標和地名定位功能，用戶可以直接輸入火災發(fā)生位置的坐標進行圖上定位，還可以輸入火災發(fā)生地點名稱，系統(tǒng)利用地名查詢匹配實現(xiàn)火點的快速定位。

圖3 火點定位

4.4 火災撲救指揮模塊

火災撲救指揮模塊包含應急預案、輔助分析、地圖標繪和監(jiān)控定位。系統(tǒng)集成應急預案管理功能，在火災發(fā)生后快速啟動火場所在地區(qū)的應急預案，按照既定預案進行火災的撲救指揮，做到應對火災處置時能及時反應、快速決策、科學撲救。輔助分析功能是調用地理信息服務平臺所發(fā)布的空間分析服務，實現(xiàn)了空間量算、路徑查找、最近設施查找、緩沖區(qū)查詢、地形分析等分析功能，為救援決策指揮提供科學的依據(jù)。地圖標繪功能提供了森林防火相關的專用符號庫，可以將火場態(tài)勢和指揮員命令部署標繪到電子地圖中，還可將標繪地圖內容進行打印輸出。監(jiān)控定位功能能夠對實時獲取救援隊伍、車輛的位置信息，可以在地圖中顯示隊伍的行動位置及其行進的路線。

圖4 地圖標繪

4.5災后處置模塊

災后處置模塊實現(xiàn)了災后對森林火災造成的影響進行評估和統(tǒng)計，主要包含火災調查和災后損失評估統(tǒng)計功能。森林過火面積是衡量森林火災影響程度最重要的評價指標，火災調查就是要確定過火范圍和面積，通過過火面積進行損失評估計算。系統(tǒng)支持從地圖上直接標繪范圍和GPS實測坐標導入生成過火區(qū)域并自動計算過火面積。災后損失評估統(tǒng)計是通過林木受害范圍和過火面積對森林資源數(shù)據(jù)進行提取統(tǒng)計，通過評估模型計算受害林木蓄積量、經(jīng)濟損失和森林火災等級。

4.6系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊實現(xiàn)了對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的維護管理及用戶權限分配功能，數(shù)據(jù)管理維護功能實現(xiàn)了對系統(tǒng)中的森林防火專題數(shù)據(jù)進行編輯、導入、導出、備份及恢復功能，用戶管理功能實現(xiàn)了對系統(tǒng)中的用戶、部門、角色和權限的管理與維護。

5.結語

“天地圖·山西”以豐富的地理信息數(shù)據(jù)為基礎，提供標準統(tǒng)一的地理信息在線服務，將森林防火的各種信息進行集成和融合，有效的解決了地理信息數(shù)據(jù)采集、存儲、更新、維護等諸多技術瓶頸，極大地降低了森林防火應用系統(tǒng)的地理信息數(shù)據(jù)使用成本和建設成本。通過地理信息服務、位置服務、視頻監(jiān)控等技術建立的基于天地圖的森林防火應用系統(tǒng)，滿足了森林防火工作中火險預測、火情發(fā)現(xiàn)、撲救指揮、災后評估等多個階段應用需求，實現(xiàn)了火災的智能化發(fā)現(xiàn)定位、指揮決策的智能化分析、災后的智能化評估，對森林防火工作向智能化管理階段邁進有著重要的意義。

【1】衛(wèi)東.山西省地理信息應急服務系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2012(9):83-86.

【2】侯志鵬，賈曉亮.GIS系統(tǒng)在林火定位中的應用[J].華北國土資源，2012(5):67-71.

【3】黃寶華，孫治軍，周利霞等.基于綜合火險指數(shù)的森林火險預報[J].消防科學與技術，2011(12):7-11.

【4】高昌海，顧香鳳，荊玉惠.森林火災損失評估方法的研究[J];林業(yè)科技;2007.32(4):39-40.

【5】衛(wèi)東.面向服務的山西省地理信息公共服務平臺建設[J].地理信息世界，2012(1):76-79.

賈曉亮（1981年10月——），男，漢族，山西榆次人，碩士，2003年畢業(yè)于山西大學計算機科學與技術專業(yè)，工程師，主要從事地理信息應用研究工作。

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2095－7319（2014）01－0056－06