基于GIS的花溪森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究

汪圣洪 周長志 趙仕慧

摘要 [目的]通過對花溪區(qū)溫度、濕度、風(fēng)等各氣象因子的分析，并結(jié)合氣象數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，建立了花溪區(qū)森林火險(xiǎn)等級預(yù)警模型。[方法]采用GIS二次開發(fā)方式，構(gòu)建了森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)系統(tǒng)。[結(jié)果]實(shí)現(xiàn)了花溪區(qū)自動(dòng)氣象站溫度、雨量、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度等氣象資料的實(shí)時(shí)監(jiān)測和顯示、高溫及大風(fēng)報(bào)警、森林火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警等功能，該系統(tǒng)的建設(shè)為花溪區(qū)森林火險(xiǎn)預(yù)防和決策指揮提供了氣象科學(xué)技術(shù)支撐。[結(jié)論]該研究結(jié)合實(shí)時(shí)氣象資料數(shù)據(jù)，能對花溪區(qū)森林火險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測，及時(shí)為各相關(guān)部門提供森林火險(xiǎn)等級氣象服務(wù)。

關(guān)鍵詞 GIS；森林火險(xiǎn)；預(yù)報(bào)系統(tǒng)

中圖分類號 S127 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05302-03

在全球增暖的大背景下，近年來大范圍的氣候?yàn)?zāi)害和突發(fā)性強(qiáng)烈天氣災(zāi)害呈現(xiàn)更為頻發(fā)的趨勢，氣候變化帶來的衍生和次生災(zāi)害日趨嚴(yán)重，給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損失，對社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重大的不利影響，特別是氣象災(zāi)害不斷呈現(xiàn)出極端性的特點(diǎn)，應(yīng)對氣候變化和防災(zāi)減災(zāi)形勢十分嚴(yán)峻。森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)是對森林火災(zāi)發(fā)生可能性的氣象預(yù)報(bào)，它是減少森林火災(zāi)的發(fā)生和火災(zāi)損失的有效途徑[1]。因此，如何根據(jù)花溪區(qū)區(qū)域站的溫度、濕度、風(fēng)等各氣象因子的分析研究，建立花溪區(qū)森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、推進(jìn)森林火險(xiǎn)氣象條件預(yù)警能力建設(shè)，提前為決策部門提供準(zhǔn)確的氣象條件預(yù)報(bào)預(yù)警信息，為森林防火應(yīng)急處理和指揮調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持，降低火災(zāi)發(fā)生隱患，達(dá)到保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的目的具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為此，筆者采用 GIS二次開發(fā)方式，在數(shù)據(jù)格式具體處理過程的基礎(chǔ)上，以花溪區(qū) 15個(gè)2要素和1個(gè)7要素氣象站點(diǎn)為研究區(qū)域，驗(yàn)證處理方法的可行性；構(gòu)建了一套森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)系統(tǒng)的氣象數(shù)據(jù)處理軟件；結(jié)合氣象要素以及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，建設(shè)基于GIS的花溪區(qū)森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)；以 GIS為手段，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理 。項(xiàng)目研究成果主要有：①實(shí)時(shí)氣象資料顯示：提供花溪區(qū)以及周邊區(qū)域自動(dòng)氣象站站點(diǎn)溫度、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速以及相對濕度等信息，并在GIS系統(tǒng)平臺(tái)下顯示；②建立了花溪區(qū)森林火險(xiǎn)等級預(yù)警模型，通過對各類氣象因子的分析，逐日計(jì)算未來森林火險(xiǎn)氣象條件預(yù)警等級，并疊加到地圖中進(jìn)行顯示；③建立了“基于GIS的花溪區(qū)森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)”，實(shí)時(shí)監(jiān)測花溪各鄉(xiāng)鎮(zhèn)溫度和風(fēng)速信息，實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警和大風(fēng)報(bào)警功能，提醒預(yù)報(bào)員及時(shí)做好信息服務(wù)。

1 資料來源與處理方法

地理信息系統(tǒng)是采集、貯存、管理、分析和描述整個(gè)地球表面與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)的空間信息系統(tǒng)，能準(zhǔn)確描述森林資源的空間分布和本身所具有的特性，以及進(jìn)行綜合分析處理，為用戶提供一系列圖表資料，并為領(lǐng)導(dǎo)提供決策方案[2]。該研究利用美國ArcGIS系統(tǒng)9.3軟件。

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自于貴州花溪基礎(chǔ)地理信息1∶25萬數(shù)據(jù)。圖形數(shù)據(jù)中的行政界線、交通、水系、山脊線、高壓線、防火線都在1∶25萬地形圖上采集。森林屬性數(shù)據(jù)來源于花溪林業(yè)局。

1.2 氣象數(shù)據(jù)插值方法 氣象數(shù)據(jù)主要采用花溪區(qū)域自動(dòng)氣象站資料，但少量的氣象站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確反映區(qū)域尺度的氣象特點(diǎn)，通過對區(qū)域內(nèi)有限的氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，才能把握整個(gè)區(qū)域的氣象特征。該研究采用梯度距離平方反比法（GIDW）進(jìn)行區(qū)域降水、氣溫等空間插值。梯度距離平方反比法由Nalder等[3]提出，即在距離權(quán)重的基礎(chǔ)上，考慮了氣象要素隨海拔高度和經(jīng)、緯向的梯度變化。其估值公式為：

式中，X和Xi為待估點(diǎn)與氣象站點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值；Y和Yi為待估點(diǎn)與氣象站點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)值；E和Ei為待估點(diǎn)與氣象站點(diǎn)的海拔高程；Cx、Cy和Ce為站點(diǎn)氣象要素值與X、Y和海拔高程的回歸系數(shù)；di為待估點(diǎn)到第i站點(diǎn)的大圓距離；n為用于插值的氣象站點(diǎn)的數(shù)目。

2 GIS系統(tǒng)平行下的花溪區(qū)森林火險(xiǎn)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

以花溪區(qū)15個(gè)2要素和1個(gè)7要素氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)為實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)，在GIS系統(tǒng)平臺(tái)下，對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化處理，開發(fā)花溪區(qū)氣象數(shù)據(jù)處理軟件。結(jié)合氣象要素以及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品，完成基于GIS的花溪區(qū)森林火險(xiǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

2.1 氣象數(shù)據(jù)的接收 花溪區(qū)氣象數(shù)據(jù)的獲取方法主要是花溪區(qū)氣象臺(tái)與省氣象局服務(wù)器上下載和手工補(bǔ)充錄入的花溪區(qū)15個(gè)2要素和1個(gè)7要素氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)及周邊縣氣象數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)溫度、相對濕度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速等[4]。前日08：00通過實(shí)時(shí)接收，后臺(tái)處理并疊加到GIS地圖中進(jìn)行顯示，如圖1所示。

2.2 氣象數(shù)據(jù)處理 從氣象站點(diǎn)中選取的氣象數(shù)據(jù)為森林火險(xiǎn)等級預(yù)報(bào)系統(tǒng)所需的氣象因子。將氣象數(shù)據(jù)中的異常值進(jìn)行更正，數(shù)據(jù)按精度進(jìn)行單位換算。在“花溪區(qū)森林火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警GIS系統(tǒng)”中進(jìn)行各氣象因子的插值分析。系統(tǒng)采用的插值主要為梯度距離平方反比法插值[5]。

2.3 “花溪區(qū)森林火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警GIS系統(tǒng)”主要功能 ①花溪區(qū)基礎(chǔ)地理信息（包括行政邊界、河流水體、地形地貌、森林資源）的管理；②數(shù)據(jù)接收：花溪區(qū)及周邊區(qū)域自動(dòng)氣象站氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收處理（包括氣象數(shù)據(jù)的接收、提取等）；③資料分析，包括花溪區(qū)及周邊區(qū)域自動(dòng)氣象站氣象數(shù)據(jù)的分析、網(wǎng)格化處理等；④監(jiān)測預(yù)警：根據(jù)已構(gòu)建的花溪區(qū)森林火險(xiǎn)等級氣象指標(biāo)（判別等級），結(jié)合實(shí)時(shí)氣象資料數(shù)據(jù)，對花溪區(qū)森林火險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測；⑤根據(jù)監(jiān)測實(shí)況，及時(shí)為各相關(guān)部門提供森林火險(xiǎn)等級氣象服務(wù)；⑥圖形疊加、圖形制作等基礎(chǔ)功能。

2.4 系統(tǒng)工作及服務(wù)流程 ①實(shí)現(xiàn)花溪區(qū)基礎(chǔ)地理信息的管理及圖形疊加、制圖輸出等功能，如圖2所示。②實(shí)現(xiàn)花溪區(qū)及周邊區(qū)域氣象自動(dòng)站數(shù)據(jù)的接收、儲(chǔ)存、提取等功能，如圖3、4所示。③實(shí)現(xiàn)花溪區(qū)域自動(dòng)站數(shù)據(jù)監(jiān)控及報(bào)警功能，如圖5所示。④實(shí)現(xiàn)花溪區(qū)及周邊區(qū)域氣象自動(dòng)站數(shù)據(jù)的網(wǎng)格化處理（內(nèi)插）功能。根據(jù)花溪區(qū)森林火險(xiǎn)等級

圖2 系統(tǒng)功能界面氣象指標(biāo)（判別等級），結(jié)合實(shí)時(shí)氣象資料數(shù)據(jù)，對花溪區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)森林火險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測。⑤根據(jù)監(jiān)測實(shí)況，及時(shí)為各相關(guān)部門提供森林火險(xiǎn)等級氣象服務(wù)。

3 系統(tǒng)可用性檢驗(yàn)

該系統(tǒng)建立的目的是提高花溪區(qū)森林火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)防能力，從兩個(gè)方面對系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.1 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)森林火險(xiǎn)監(jiān)測能力 系統(tǒng)能做到監(jiān)測各鄉(xiāng)鎮(zhèn)1～3 h時(shí)間頻率內(nèi)森林火險(xiǎn)氣象等級的滾動(dòng)更新，例如，降水等轉(zhuǎn)折天氣情況下，森林火險(xiǎn)氣象等級應(yīng)及時(shí)刷新變化。 檢驗(yàn)時(shí)可在不同的森防季節(jié)選取幾個(gè)代表鄉(xiāng)鎮(zhèn)或重點(diǎn)森林防火區(qū)域直接實(shí)況與監(jiān)測結(jié)論比對，統(tǒng)計(jì)出正確率即可。

3.2 系統(tǒng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)級森林防火氣象等級預(yù)報(bào)能力 同樣在不同的森防季節(jié)選取幾個(gè)代表鄉(xiāng)鎮(zhèn)或重點(diǎn)森林防火區(qū)域的系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)論與后期森林火險(xiǎn)實(shí)況作對比統(tǒng)計(jì)，采用預(yù)報(bào)評分標(biāo)準(zhǔn)，即可作出對系統(tǒng)預(yù)報(bào)能力水平的檢驗(yàn)。 因?yàn)橄到y(tǒng)采用T213數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供的24～48 h溫度、降水、風(fēng)速等預(yù)報(bào)場資料作預(yù)報(bào)公式計(jì)算，其準(zhǔn)確率受限于數(shù)值預(yù)報(bào)資料的模擬預(yù)報(bào)實(shí)際天氣狀況的能力。

綜合以上兩方面的檢驗(yàn)要求，選取系統(tǒng)對2013年6月5日花溪區(qū)森林火險(xiǎn)氣象等級的預(yù)報(bào)值、實(shí)時(shí)監(jiān)測值和實(shí)況對比檢驗(yàn)（表1）。

從表1可以看出，通過與實(shí)況的檢驗(yàn)對比，系統(tǒng)預(yù)報(bào)值和實(shí)時(shí)監(jiān)測值均能較好地?cái)M合森林火險(xiǎn)氣象等級，尤其在遇

氣象資料的網(wǎng)格化處理有降水等轉(zhuǎn)折天氣時(shí)也能較為及時(shí)地監(jiān)測反映出來。

4 討論與結(jié)論

（1）構(gòu)建了花溪區(qū)森林火險(xiǎn)等級監(jiān)測預(yù)警氣象判別模型。根據(jù)花溪區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)自動(dòng)氣象站點(diǎn)近5年的氣象資料，通過計(jì)算森林火險(xiǎn)氣象指數(shù)（FFDI）和森林火險(xiǎn)氣象等級（FFER），確定花溪區(qū)森林火險(xiǎn)等級監(jiān)測預(yù)警氣象判別模型。

（2）建立了基于GIS的“花溪區(qū)森林火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”。實(shí)現(xiàn)了對花溪區(qū)基礎(chǔ)地理信息（包括行政邊界、河流水體、地形地貌、森林資源）的管理和圖形疊加、圖形制作等功能；實(shí)現(xiàn)了花溪區(qū)及周邊區(qū)域自動(dòng)氣象站氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收處理（包括氣象數(shù)據(jù)的接收、提取等），氣象數(shù)據(jù)的分析、網(wǎng)格化處理等功能；結(jié)合實(shí)時(shí)氣象資料數(shù)據(jù)，能對花溪區(qū)森林火險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警監(jiān)測，及時(shí)為各相關(guān)部門提供森林火險(xiǎn)等級氣象服務(wù)。（3）“花溪區(qū)森林火險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”業(yè)務(wù)試運(yùn)行。該系統(tǒng)自2013年4月份投入試運(yùn)行調(diào)試，將預(yù)報(bào)結(jié)果與專家預(yù)測結(jié)果進(jìn)行對照，系統(tǒng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率能夠達(dá)到70%～85%。經(jīng)過近60 d的調(diào)試，預(yù)報(bào)結(jié)果良好，系統(tǒng)運(yùn)行基本正常，系統(tǒng)低火險(xiǎn)、無火險(xiǎn)、中度火險(xiǎn)準(zhǔn)確率較高。一般，降水當(dāng)日或連續(xù)無雨日數(shù)小于8 d，基本能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。高度火險(xiǎn)準(zhǔn)確率稍有偏差，主要是由于系數(shù)偏差關(guān)系，結(jié)果有時(shí)偏高，容易給林火監(jiān)測業(yè)務(wù)帶來不便，增大監(jiān)測量。但是整體上極度火險(xiǎn)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率能達(dá)到90%以上，基本能夠滿足業(yè)務(wù)需求，給決策部門提供較好的預(yù)報(bào)結(jié)果。隨著業(yè)務(wù)化服務(wù)不斷完善，系統(tǒng)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率會(huì)逐步得到提高，逐步趨于成熟。

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責(zé)任編輯 姜麗 責(zé)任校對 李巖