3S技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

吳碧軍+陳開偉

摘 要 從近年來我國森林火災(zāi)的發(fā)展動態(tài)來看，森林火災(zāi)預(yù)防工作面臨嚴峻的形勢，林業(yè)部門需要積極應(yīng)用先進技術(shù)，以便加強火災(zāi)分析與決策管理。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的有機融合，3S技術(shù)在森林防火中發(fā)揮著越來越重要的作用。應(yīng)用3S技術(shù)可以快速定位火點，對火勢進行動態(tài)管理，提高信息傳輸效率，實現(xiàn)對森林火災(zāi)的有效控制。

關(guān)鍵詞 3S技術(shù)；森林防火；應(yīng)用

中圖分類號：S762.3 文獻標志碼：B 文章編號：1673-890X（2014）11--3

森林是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是人類寶貴的財富和資源。森林火災(zāi)直接危害林木資源和生態(tài)環(huán)境，甚至使人民生命財產(chǎn)遭受損失，而且森林火災(zāi)不僅影響范圍大，施救難度也很大。我國森林覆蓋率遠低于世界平均水平，森林資源供應(yīng)緊張，特別是新時期我國林業(yè)經(jīng)濟正處于轉(zhuǎn)型發(fā)展，重點國有林區(qū)停止天然林商業(yè)性采伐、大力開展生態(tài)林業(yè)建設(shè)也將帶來林業(yè)資源總量和結(jié)構(gòu)的改善。在此過程中，加強森林資源保護、預(yù)防森林火災(zāi)的發(fā)生不容忽視。由于森林火災(zāi)的發(fā)生是多種因素共同作用的結(jié)果，很多火災(zāi)更是由于人類用火不善引發(fā)，所以森林防火管理工作也面臨巨大挑戰(zhàn)。林業(yè)部門需要積極防患于未然，應(yīng)用先進技術(shù)解決人工管理的不足，加強火災(zāi)分析，確保對火災(zāi)的有效控制。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的有機融合，3S技術(shù)在森林防火工作中扮演著越來越重要的角色[1]。3S技術(shù)不僅能夠迅速對火點進行定位，還可以預(yù)測火勢蔓延情況，促進指揮部與火場之間的信息交流，為科學(xué)決策提供支持，目前3S技術(shù)已成為森林防火的重要研究領(lǐng)域。

1 森林防火工作現(xiàn)狀

森林火災(zāi)的發(fā)生不僅會燒毀林木資源，破壞森林的生態(tài)結(jié)構(gòu)，更給人民生命財產(chǎn)帶來威脅，使生態(tài)環(huán)境遭受破壞，其損失尤為嚴重，所以森林火災(zāi)也被認為是社會經(jīng)濟發(fā)展中破壞性最大的自然災(zāi)害之一。如何防止森林火災(zāi)的發(fā)生、及時發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)并開展有效的救援工作成為林業(yè)部門的一項重要任務(wù)。目前，我國森林防火工作形勢仍然十分嚴峻。

首先，森林防火本身難度較大。我國森林資源主要分布在郊區(qū)、山區(qū)等人口密度小、地形復(fù)雜的區(qū)域，或是山巒迭起，或是地形起伏巨大，單純依靠人工進行森林火災(zāi)監(jiān)測已不能滿足管理的需求。由于森林覆蓋面大，火災(zāi)一旦發(fā)生，火勢會迅速蔓延，如果不能在短時間內(nèi)控制火情，其損失往往難以估計。所以受地理條件的限制，森林防火的任務(wù)本身就非常艱巨。其次，從近年來我國火災(zāi)情況統(tǒng)計來看，森林火災(zāi)的發(fā)生開始呈現(xiàn)新的特點[2]。原先我國將春季和秋季作為主要防火季，但近幾年夏季也出現(xiàn)火災(zāi)多發(fā)的現(xiàn)象，如西南和東北地區(qū)夏季火災(zāi)次數(shù)也較多，春、夏、秋季已連成較長的防火期。特別是在全球氣候變暖的影響下，火災(zāi)的發(fā)生日趨頻繁。另外隨著林業(yè)經(jīng)濟的轉(zhuǎn)型，林區(qū)可燃物增加，人類活動不善更是成為森林火災(zāi)發(fā)生的重要原因。因此，針對森林火災(zāi)的突發(fā)性、損失的嚴重性、救援的緊迫性，決策者需要采用先進的科學(xué)技術(shù)來提高自身的判斷能力和現(xiàn)場指揮能力。隨著科技水平的提高，全球定位技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)的綜合應(yīng)用成為森林防火管理的發(fā)展趨勢。

2 3S技術(shù)在森林防火中應(yīng)用的重要性

隨著科技的日新月異，將GPS、RS、GIS三者結(jié)合起來的3S一體化技術(shù)已展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。GPS、RS、GIS三種技術(shù)的有機融合可以構(gòu)成一個強大的技術(shù)體系，實現(xiàn)對空間與環(huán)境信息的快速收集、分析、處理，因而在森林火災(zāi)預(yù)防管理中的應(yīng)用具有重要意義。

GPS即全球定位系統(tǒng)，其優(yōu)勢在于快速、準確地對地球表面的任何地點進行定位。借助地理信息系統(tǒng)的支持，車載GPS可以在電子地圖上獲得實時的路線信息，并開展漫游查詢。而且GPS也可用于修正地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，GPS通過將采集、更新后的數(shù)據(jù)傳入電子地圖，能夠?qū)υ械臄?shù)據(jù)加以核實和修正，并生成專題圖，為森林火災(zāi)的計算和評估工作提供依據(jù)。所以在森林火災(zāi)預(yù)防中，GPS的應(yīng)用有助于迅速、精準地定位火點，科學(xué)指揮滅火車輛。

RS是指無需接觸的遠距離探測技術(shù)，其優(yōu)勢在于探測范圍廣，不易受各種地面條件的限制，因而在林業(yè)、水紋、氣象、測繪等領(lǐng)域中具有重要價值。氣象遙感衛(wèi)星接收系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求，在設(shè)定的范圍內(nèi)生成區(qū)域投影數(shù)據(jù)集，為森林火災(zāi)的監(jiān)測提供幫助，如生成火災(zāi)圖像、植被指數(shù)、地表亮度的圖像，這些都是火災(zāi)預(yù)防和救援決策的依據(jù)，而且該系統(tǒng)可實時接收和處理衛(wèi)星發(fā)送的高分辨率資料，以便于對森林火災(zāi)的監(jiān)測[3]。盡管RS在精準定位方面存在一定不足，但可以通過RS與GPS技術(shù)的結(jié)合來彌補。

GIS是地理信息系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合而誕生的一種新型技術(shù)方法，它能夠幫助人們尋找所需的地理空間數(shù)據(jù)和圖像，并進行地理空間分析。森林防火系統(tǒng)可借助不同的信息源及時發(fā)現(xiàn)火情，如人工巡視結(jié)果、衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)、瞭望塔等，然后通過地理信息系統(tǒng)實時發(fā)布火災(zāi)信息，輔助火災(zāi)動態(tài)分析和決策。而且火災(zāi)信息錄入數(shù)據(jù)庫后，還可用于災(zāi)后評估。

目前，3S技術(shù)已發(fā)展為有機整體，全球定位系統(tǒng)可快速提供準確的地理位置信息，遙感可實時捕捉環(huán)境變化數(shù)據(jù)，在發(fā)揮各自技術(shù)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，通過技術(shù)集成，能夠形成高度智能化的地理信息系統(tǒng)，有效解決森林防火工作中的各種復(fù)雜問題，增強森林防火的前瞻性和主動性。

3 3S技術(shù)在森林防火工作中的應(yīng)用

由于森林火災(zāi)的發(fā)生具有復(fù)雜性和多變性，單純依靠人工進行火災(zāi)預(yù)防和決策管理存在較大難度。對此，林業(yè)部門應(yīng)借助先進的技術(shù)支持，充分發(fā)揮3S技術(shù)在森林防火中的作用。

3.1 GPS技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

GPS技術(shù)在森林防火工作中能夠充分發(fā)揮精準定位的優(yōu)勢，利用衛(wèi)星的測量和導(dǎo)航功能，快速精準地確定目標的地理位置坐標，其靈敏度高，定位速度快，遮蔽性能強，操作簡便，不受地形因素的影響，便于實時提供導(dǎo)航信息，而且海陸空不同領(lǐng)域都可以應(yīng)用GPS。endprint

飛機上安裝GPS后，飛行過程無需再隨時對照地圖檢查航跡，而是將注意力集中在對森林火災(zāi)的監(jiān)測，觀察火場情況。飛機可根據(jù)GPS提供的定位信息隨時改變飛行方向，提高飛行效率，迅速到達火場，開展救援活動。通過導(dǎo)航定位指導(dǎo)，飛機對火場精準定位后，可與其他滅火飛機協(xié)同作戰(zhàn)，準確完成空投、索滑降、化滅等空中支援任務(wù)，不受氣候條件的影響。特別對于燃燒范圍較大的情況，GPS可經(jīng)過數(shù)次定位，將火點標識在地圖上，形成閉合曲線，進而計算燃燒面積。救援過程中，如遇地理環(huán)境復(fù)雜的地區(qū)，救援人員可借助GPS支持選擇最佳路徑，防止迷失方向。

GPS與RS、GIS的聯(lián)合使用可進一步提高作戰(zhàn)指揮水平。在GPS的支持下，使用RS和GIS技術(shù)可實現(xiàn)對機動設(shè)備的跟蹤定位。GPS與GIS的結(jié)合，可以測定森林火災(zāi)地理位置或燃燒區(qū)域的邊界位置，數(shù)據(jù)傳輸?shù)降乩硇畔⑾到y(tǒng)后生成各類地物。將GPS安裝到滅火交通工具及通訊設(shè)備后，救援路線可隨時反饋到地理信息系統(tǒng)，并實時、動態(tài)顯示到遙感圖像上，使指揮者明確救援行動的具體位置，及時進行人員調(diào)配。

3.2 RS技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

在森林防火工作中，傳統(tǒng)的信息表達是以文字、數(shù)據(jù)、圖表為基礎(chǔ)，檢索主要是針對文本進行。隨著森林防火技術(shù)水平的提高，圖像信息應(yīng)用呈現(xiàn)出快速增長的趨勢，例如衛(wèi)星圖片、數(shù)字地圖、雷達成像等，因此對圖像的檢索需求也更加突出。近年來，森林火災(zāi)的發(fā)生除與自然因素有關(guān)外，還與人為因素有著緊密的關(guān)聯(lián)，焚燒枯枝、野草，野外違規(guī)用火等行為都可能導(dǎo)致森林火災(zāi)的發(fā)生。衛(wèi)星遙感可通過高分辨率紅外和可見光掃描儀，實現(xiàn)大范圍、短時間間隔的監(jiān)測，因而能夠隨時發(fā)現(xiàn)火情，并顯示與之相關(guān)的地理位置。其圖像信息效果逼真、色彩豐富，所以RS技術(shù)在森林火災(zāi)的預(yù)報、監(jiān)測及評估方面具有重要應(yīng)用價值。

傳統(tǒng)的瞭望方法往往不能準確提供火源的地理位置坐標，RS與GIS的結(jié)合可以準確獲得地理位置信息，方便救援人員在較短的時間內(nèi)確定火源，而且較低的遙感成像精度就能夠明確火災(zāi)位置，但如果低精度圖像難以提供救援人員到達火場的最佳路徑，就要借助GIS和GPS的支持。目前，對森林火災(zāi)的預(yù)測基本都是建立在GPS、RS、GIS以及計算機網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)上，例如，專家運用GPS進行火場面積測量，運用GIS進行空間分析并提取環(huán)境因子，再利用VLBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以訓(xùn)練，建立林火風(fēng)險預(yù)測方程和模型，林火預(yù)測能力也隨之提升。當火災(zāi)發(fā)生后，利用遙感技術(shù)可以迅速將火災(zāi)信息傳遞到指揮部，而且針對森林火災(zāi)監(jiān)測中的盲區(qū)問題，應(yīng)用衛(wèi)星遙感和GIS進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，將有效解決上述問題，使森林火災(zāi)監(jiān)測能力大幅提高。另外森林火災(zāi)發(fā)生后對火災(zāi)原因的分析、受害面積的測定、損失情況測算等調(diào)查評價工作也可借助RS技術(shù)實現(xiàn)，如通過衛(wèi)星通道的紅外短波窗區(qū)檢測火場地面的高溫?zé)嵩?，進而分析火災(zāi)的發(fā)展規(guī)律。

3.3 GIS技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用

目前，對火點定位主要依靠衛(wèi)星圖像和GPS實現(xiàn)，但森林火災(zāi)的發(fā)生具有隨機性，使用遙感衛(wèi)星監(jiān)測需要在短時間內(nèi)不斷提供影像，所以民用方面動態(tài)實時監(jiān)控尚存在一定困難。另外遙感圖像定位更多地用于較大范圍的火災(zāi)監(jiān)測，我國南方的小型火災(zāi)會受到衛(wèi)星分辨率的限制，而基層林業(yè)部門的信息化水平也有待提高，當前還沒有實現(xiàn)每個護林員都配備GPS接收機。在火勢蔓延分析方面，緊靠個人經(jīng)驗進行分析，很難保證判斷的準確性和科學(xué)性，同時也會增加火災(zāi)決策的風(fēng)險。GIS技術(shù)的應(yīng)用對以上問題的解決尤為重要。

在火災(zāi)決策方面，當火災(zāi)發(fā)生時，GIS可依據(jù)空間數(shù)據(jù)，計算距離火點最近的道路、水源、救援隊伍，對可能受到破壞的建筑物、居民點等需要保護的對象做出預(yù)警，幫助指揮者對森林滅火工作進行部署?；饎萋右灿幸欢ǖ囊?guī)律，經(jīng)過專家多年的研究發(fā)現(xiàn)，森林火災(zāi)因地形、植被、風(fēng)速、風(fēng)向的不同，蔓延的形狀也有所區(qū)別?；饎萋又饕墚斎兆罡邷囟取⒅形顼L(fēng)力、風(fēng)向、可燃物類型、坡度等因素的影響，通過收集相關(guān)數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)對火勢蔓延的提前預(yù)測，生成火場發(fā)展形勢圖，并借助GIS直觀地表現(xiàn)。此外對于森林火災(zāi)損失面積、蓄積的分析評估可以為林業(yè)部門清理火場、制定森林恢復(fù)措施提供決策依據(jù)。

3S技術(shù)現(xiàn)已在多個領(lǐng)域體現(xiàn)出技術(shù)優(yōu)勢，并為森林防火工作提供了重要的技術(shù)支持。森林蘊含寶貴的自然資源，火災(zāi)的發(fā)生將會使森林資源遭受嚴重損失，給生態(tài)環(huán)境帶來危害。由于人工看護的覆蓋范圍有限，加之近年來我國森林防火形勢日益嚴峻，因此，林業(yè)部門應(yīng)積極開展推動3S技術(shù)的推廣，促進我國林業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻

[1]杜子春.網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)在森林防火管理中的應(yīng)用[J].電子世界，2014（8）.

[2]金朝. GPS導(dǎo)航技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用[J].科技信息，2013（1）.

[3]周全. GIS技術(shù)在森林防火管理中的應(yīng)用研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（10）.

（責(zé)任編輯：趙中正）endprint