基于ArcGIS森林防火地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 巖

基于ArcGIS森林防火地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張 巖

（河北省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北 石家莊 050051）

該文介紹了基于ArcGIS技術(shù)的森林防火地理信息系統(tǒng)的概述、管理和功能。從林火補(bǔ)救指揮和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、林火設(shè)施的布局分析、林火的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、火災(zāi)處理等幾個(gè)方面詳細(xì)闡述了森林防火地理信息系統(tǒng)的解決方案。

ArcGIS；森林防火；森林防火地理信息系統(tǒng)

森林資源是人類共同擁有的資源，森林防火也是人類共同擔(dān)負(fù)的職責(zé)，隨著社會(huì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)林業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境的重視，不斷出臺(tái)各種政策，加強(qiáng)對(duì)森林資源的保護(hù)，組建森林消防隊(duì)伍，更新?lián)浠鹪O(shè)備，積極地預(yù)防和減少森林火災(zāi)的發(fā)生。森林火災(zāi)是一個(gè)極其復(fù)雜的自然現(xiàn)象，它涉及到可燃物的類型及其分布狀況、地形地貌分布狀況、氣象因子等多重因素。要全面掌握如此之多的信息非人力所為，特別是森林火災(zāi)的發(fā)生又具有突發(fā)性，要在很短的時(shí)間內(nèi)判斷林火的發(fā)展趨勢(shì)，并及時(shí)采取決策，同時(shí)還要隨時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的狀況，就需要指揮者具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。作為指揮者要做到這一步，就必須采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來(lái)提高判斷能力和現(xiàn)場(chǎng)指揮能力。

本文利用ArcGIS將所有與林火相關(guān)的信息進(jìn)行管理，建立森林防火地理信息系統(tǒng)，并對(duì)森林防火數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理與分析，森林防火地理信息系統(tǒng)與遙感和GPS相結(jié)合實(shí)現(xiàn)林火資源的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為林火預(yù)防和指揮撲救提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 森林防火地理信息系統(tǒng)概述

森林防火地理信息系統(tǒng)是以地理信息平臺(tái)（目前主要為ArcGIS軟件）為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)森林防火指揮管理一張圖，實(shí)現(xiàn)林火及時(shí)預(yù)警預(yù)報(bào)、及時(shí)組織撲救、現(xiàn)場(chǎng)指揮調(diào)度的信息化管理。森林防火地理信息系統(tǒng)能夠查詢?nèi)珖?guó)或全省自然、社會(huì)、林業(yè)等方面綜合信息；查詢森林防火各類專題信息；撲火指揮過(guò)程中查詢地形、地貌、交通、水系、設(shè)施等相關(guān)信息，進(jìn)行火場(chǎng)定位、火情態(tài)勢(shì)標(biāo)繪，跟蹤和監(jiān)控?fù)浠痍?duì)伍動(dòng)態(tài)等；使森林防火指揮部在進(jìn)行防火指揮時(shí)，能夠迅速獲得準(zhǔn)確信息，幫助指揮者形成決策。

2 森林防火地理信息系統(tǒng)管理

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

將森林防火有關(guān)的數(shù)據(jù)采集到計(jì)算機(jī)中，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)庫(kù)有地圖數(shù)據(jù)庫(kù)、屬性數(shù)據(jù)庫(kù)和方法庫(kù)。

地圖數(shù)據(jù)庫(kù)（圖1）：以林相圖（或遙感影像）和地形圖為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，從林相圖中獲取植被分布圖、防護(hù)林帶圖等，依據(jù)植被的類型和特征分析地表可燃物類型（表1），從地形圖中獲取地形、水系、交通和行政區(qū)劃信息，從交通信息中分析撲火隊(duì)伍分布圖和救火設(shè)施分布圖。

圖1 森林防火地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

表1 可燃物類型分級(jí)

通過(guò)ArcGIS將林相圖和地形圖進(jìn)行數(shù)字化，處理成豐富、形象的地圖，建立森林防火地理信息系統(tǒng)。

屬性數(shù)據(jù)庫(kù)：將與地圖、林火有關(guān)的屬性特征信息建立成數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括小班、氣象、地形、火災(zāi)記錄、撲火隊(duì)伍、道路、居民地、防火機(jī)構(gòu)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面的數(shù)據(jù)。依據(jù)最高氣溫的森林火險(xiǎn)指數(shù)（表2），氣象信息的屬性表設(shè)計(jì)為表3，地形信息的屬性表設(shè)計(jì)為表4。

最終將屬性數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為15個(gè)參數(shù)：植被類型（X1），郁閉度（X2），齡級(jí)（X3），歷年火災(zāi)受害率（X4），歷年火險(xiǎn)期內(nèi)月平均氣溫（X5），平均相對(duì)濕度（X6），平均風(fēng)速（X7），平均降水量（X8），坡度（X9），坡向（X10），海拔（X11），人口密度（X12），路網(wǎng)密度（X13），水網(wǎng)（X14），防火林帶（X15）。通過(guò)建立屬性數(shù)據(jù)和圖形數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，就可以將地圖和屬性信息有機(jī)的結(jié)合，達(dá)到相互調(diào)用和綜合分析。

表2 最高氣溫的森林火險(xiǎn)指數(shù)

表3 氣象屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

表4 地形屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

方法庫(kù)或模型庫(kù)：對(duì)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系，采用動(dòng)態(tài)聚類模型的建立方法表達(dá)出來(lái)，有了這些模型就可以把握住客觀事物的內(nèi)在規(guī)律，掌握自然現(xiàn)象的本質(zhì)。

2.2 數(shù)據(jù)檢索和輸出

利用ArcGIS可以隨時(shí)輸出森林火險(xiǎn)區(qū)劃圖、森林火災(zāi)歷史分布圖等各種專題圖?？梢栽趲追昼娚踔翈酌腌娭畠?nèi)查詢到需要的數(shù)據(jù)并以地圖、表格、多媒體等多種形式表現(xiàn)出來(lái)。還可以采用仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)的方式將信息直觀的提供給決策者。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)的動(dòng)態(tài)管理

對(duì)地圖數(shù)據(jù)的編輯更新，可利用資源狀況、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)更新，如造林、撫育、采伐、道路建設(shè)等各種經(jīng)營(yíng)活動(dòng)以及資源的變化，都可以利用ArcGIS管理起來(lái)，隨時(shí)都能查詢到最新的現(xiàn)狀信息，做到?jīng)Q策方案的真實(shí)可靠。

3 森林防火地理信息系統(tǒng)功能

3.1 林火撲救指揮和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

3.1.1 與GPS的結(jié)合

通過(guò)GPS可以將火區(qū)邊緣、交通道路、防火隔離帶的地理位置信息采集到ArcGIS中。通過(guò)給撲火隊(duì)伍配備GPS和相應(yīng)的通訊設(shè)施，就可以將撲火隊(duì)伍行進(jìn)的地理位置和路線信息及時(shí)傳輸?shù)街笓]部的森林防火地理信息系統(tǒng)中，ArcGIS就可以將相關(guān)信息準(zhǔn)確地定位在地圖中，從而就可以對(duì)撲火隊(duì)伍行動(dòng)的方向、位置、到達(dá)的目的地進(jìn)行及時(shí)地糾正和調(diào)整。

3.1.2 與遙感技術(shù)的結(jié)合

利用衛(wèi)星搭載遙感儀器可以探察包括森林、環(huán)境、土地和其他地球資源和大氣等現(xiàn)象。它成像面積大、成像迅速、成本低廉，能隨時(shí)監(jiān)測(cè)林火發(fā)生和林火的動(dòng)態(tài)變化，近幾年遙感技術(shù)在我國(guó)森林防火管理工作中發(fā)揮了巨大作用。但由于精度低，在某些應(yīng)用中還具有很大的局限性，在具體林火撲救方面表現(xiàn)不足，如果結(jié)合ArcGIS就可以將這個(gè)缺陷彌補(bǔ)。ArcGIS可以將遙感影像與系統(tǒng)中已有的各種專題地圖進(jìn)行匹配，疊加在一起，也可以根據(jù)影像上著火點(diǎn)的位置在地圖上準(zhǔn)確定位，然后通過(guò)森林防火地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)可以查詢到周邊地區(qū)的資源和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等狀況，由此可以判斷造成災(zāi)害的可能性，以及造成災(zāi)害的后果。近年來(lái)，森林防火、森林病蟲害等突發(fā)情況，需要快速獲取遙感數(shù)據(jù)時(shí)，衛(wèi)星影像和傳統(tǒng)的航空攝影都難以承擔(dān)，隨著無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)逐漸地應(yīng)用于林業(yè)工作中，利用無(wú)人機(jī)快速獲取發(fā)生災(zāi)害地區(qū)的影像有很大的優(yōu)勢(shì)。

3.1.3 現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告與林火的定位

ArcGIS具有豐富的查詢功能，對(duì)于從現(xiàn)場(chǎng)報(bào)告的模糊信息，可以利用ArcGIS的模糊查詢功能，對(duì)森林火災(zāi)發(fā)生的地理位置進(jìn)行定位，并將火災(zāi)發(fā)生地的其他相關(guān)的信息顯示給指揮部。

3.1.4 與瞭望臺(tái)結(jié)合進(jìn)行林火定位

根據(jù)瞭望臺(tái)的觀測(cè)情況和數(shù)據(jù)，傳輸?shù)缴址阑鸬乩硇畔⑾到y(tǒng)后，就可以將林火的發(fā)生位置定位在地圖上。再利用ArcGIS建立林區(qū)的三維虛擬地理信息系統(tǒng)，基于真實(shí)地理環(huán)境瀏覽，能絕對(duì)真實(shí)地將著火點(diǎn)的精確位置顯示在三維電子圖上，同時(shí)還能顯示著火點(diǎn)及周圍地區(qū)的地形地貌。

3.1.5 與通訊網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合

通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，森林防火地理信息系統(tǒng)可以將相關(guān)信息進(jìn)行快速更新，及時(shí)傳遞決策方案。ArcGIS結(jié)合通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將變成以ArcGIS為中心樞紐的信息網(wǎng)，從各個(gè)方面以多種途徑傳遞各種信息，系統(tǒng)可以將各種信息統(tǒng)一的管理協(xié)調(diào)起來(lái)，對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行快速更新，并保障決策方案能及時(shí)傳遞。

3.2 林火設(shè)施的布局分析

3.2.1 防火設(shè)施數(shù)據(jù)維護(hù)

定期核查、更新防火設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)，包括防火設(shè)施的空間、屬性信息，敦促防火基層單位對(duì)防火設(shè)進(jìn)行定期檢修和更換，保證防火設(shè)施數(shù)據(jù)的時(shí)效性、準(zhǔn)確性。

3.2.2 瞭望臺(tái)布局分析

利用地形圖和瞭望臺(tái)站網(wǎng)的分布特點(diǎn)，可計(jì)算出盲區(qū)、定位區(qū)和不可定位區(qū)，在需要建立或增設(shè)瞭望臺(tái)站的地區(qū)，可以利用ArcGIS的三維分析功能，從多個(gè)角度來(lái)瀏覽表面數(shù)據(jù)，查詢表面，從表面上一選定的位置來(lái)確定什么對(duì)象可見，還可以通過(guò)疊加?xùn)鸥駡D像和矢量數(shù)據(jù)來(lái)模擬真實(shí)的地理環(huán)境，使瞭望臺(tái)的布局與定點(diǎn)更合理化、科學(xué)化。

3.2.3 交通道路布設(shè)

根據(jù)目前林道分布的現(xiàn)狀和森林經(jīng)營(yíng)的要求以及林火火險(xiǎn)等級(jí)的分布圖，利用ArcGIS可以設(shè)計(jì)出既有利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，又有利于林火快速撲救的林區(qū)交通道路的設(shè)計(jì)方案。

3.2.4 防火隔離帶的布設(shè)

利用森林防火地理信息系統(tǒng)的空間信息分析能力，可以直觀在地圖上設(shè)計(jì)出經(jīng)費(fèi)節(jié)省效果佳的防火隔離帶。

3.2.5 水源的布設(shè)分析

根據(jù)現(xiàn)有的自然和人工水源分布情況，分析水源布局的合理性，設(shè)計(jì)新增水源的布局，分析布設(shè)成本。

3.3 林火的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

由于ArcGIS能將不同的信息源進(jìn)行統(tǒng)一管理和綜合分析，因而將更有利于進(jìn)行林火發(fā)生及發(fā)展趨勢(shì)分析，并且以最形象、直觀的形式將林火的火險(xiǎn)分析提供給管理者。ArcGIS林火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的過(guò)程是：接收氣象數(shù)據(jù)，選用火險(xiǎn)等級(jí)分析模型，綜合氣象、資源、地形地貌數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析，得出火險(xiǎn)等級(jí)數(shù)據(jù)，可以用圖形顯示或輸出火險(xiǎn)等級(jí)分布圖，并且發(fā)出警告信息。

3.4 火災(zāi)處理

3.4.1 火災(zāi)折算

對(duì)過(guò)火面積、蓄積損失、經(jīng)濟(jì)損失，以及在撲火過(guò)程中的各種經(jīng)濟(jì)投入能快速并準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)計(jì)算。利用地面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，對(duì)林火火燒面積進(jìn)行量算。

3.4.2 災(zāi)后處理

火燒跡地的清理、造林規(guī)劃設(shè)計(jì)。

3.4.3 災(zāi)后評(píng)估統(tǒng)計(jì)

通過(guò)火災(zāi)過(guò)火范圍對(duì)森林資源數(shù)據(jù)進(jìn)行裁切統(tǒng)計(jì)，可以統(tǒng)計(jì)出過(guò)火面積和損失的蓄積量，通過(guò)評(píng)估模型計(jì)算出林木損失，評(píng)估災(zāi)害的后果和恢復(fù)能力。

4 結(jié)論

森林火災(zāi)具有突發(fā)性、隨機(jī)性，在較短的時(shí)間內(nèi)能造成較大損失的特點(diǎn)，因此一旦有火警發(fā)生，就必須以極快的速度采取補(bǔ)救措施。森林防火地理信息系統(tǒng)的建立和應(yīng)用，對(duì)森林火災(zāi)的防范和補(bǔ)救具有重要意義。通過(guò)構(gòu)建森林防火地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了林業(yè)相關(guān)信息的快速傳遞，有利于森林防火指揮中心及時(shí)了解詳實(shí)的火場(chǎng)情況，制定合理的撲火方案，實(shí)現(xiàn)撲火力量的最優(yōu)配置，把森林火災(zāi)造成的損失盡量減少到最低限度。

［1］彭振德.森林防火地理信息系統(tǒng)的研建［J］.綠色科技，2012（2）.

［2］楊毅，周汝良，張珍蔭.基于GIS的森林防火信息系統(tǒng)的研究與開發(fā)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2003（6）.

［3］張巖.ArcGIS在森林防火上的應(yīng)用［J］.河北林業(yè)科技，2009（4）.

［4］沙宗堯，田揚(yáng)戈.森林防火地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.地理空間信息，2007（5）.

Design of Forest Fire Geographic Information System Based on ArcGIS

ZHANG Yan
（ Forestry Survey,Planning and Design Institution of Hebei，Shijiazhuang，Heibei 050051）

This paper introduces the general situation,management and function of forest fire geographic information system based on ArcGIS Technology.Forest fire rescue command and real-time monitoring,fire facilities layout analysis,forest fire forecast,fire treatment and other aspects of forest fire protection geographic information system solutions.

ArcGIS；Forest fire;Forest fire geographic information system

S762

A

1002-3356（2017）03-0061-03

2017-06-05

張巖（1975-），女，學(xué)士，工程師，主要從事資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理。