基于平板的森林防火移動前指指揮系統(tǒng)應(yīng)用研究

許忠海+向曉飛+殷德義+張志宏

【摘要】：本文主要結(jié)合森林防火移動前指指揮系統(tǒng)在紅花爾基森林防火工作中的具體應(yīng)用，探討在“互聯(lián)網(wǎng)+”的新時代背景下，利用移動互聯(lián)網(wǎng)、GPS和GIS等技術(shù)，提升森林防火工作的信息化水平，提高森林防火前指人員指揮能力。本文簡單介紹了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵技術(shù)特點以及系統(tǒng)各主要功能的設(shè)計和實現(xiàn)。

【關(guān)鍵字】：森林防火： 移動指揮

【引言】：森林火災(zāi)是森林最危險的敵人，也是森林最可怕的災(zāi)害，它會給森林帶來最有害，最具有毀滅性的后果。從國內(nèi)外森林火災(zāi)撲救的實踐來看，主要采用人工巡查和航空護林兩種方式，這兩種方式都需要將火場信息勾繪到地圖上，傳統(tǒng)的手工存在幾個問題： 1）. 由于沒有專門的觀測儀器設(shè)備，觀測效果與護林員的目視效果不一致，需要護林員有很高的識圖、標(biāo)繪技巧才能獲得準(zhǔn)確的火場信息判斷，易導(dǎo)致火場空間信息誤差，給后期的火場圖的判讀帶來一定的困難，最終可能導(dǎo)致錯誤的滅火部署和決策。2）. 依靠人的目視和手工操作，并將觀測到的火場信息標(biāo)繪到地形圖上，工作效率低下，勢必延誤撲救的時機。隨著IT技術(shù)迅速發(fā)展利用移動互聯(lián)網(wǎng)、GPS和GIS等技術(shù)，提升森林防火工作的信息化水平，提高森林防火前指人員指揮能力的森林火情電子標(biāo)繪系統(tǒng)漸成主流。

在實際的森林防火電子標(biāo)繪的實踐來看，需要認(rèn)真解決以下問題：

（1） 前指指揮人員隨時攜帶的設(shè)備過于沉重，電源供應(yīng)比較麻煩，現(xiàn)有標(biāo)繪系統(tǒng)操作復(fù)雜，不適合野外火場操作；

（2） 前指指揮人員很難實時查詢火災(zāi)周邊的資源分布和地形地貌等數(shù)據(jù)；

（3） 前指指揮人員難以把繪制的火場態(tài)勢圖實時回傳給后方人員，無法對撲火方案實時溝通交流，標(biāo)繪成果共享性和實時性差。

另一方面，目前國內(nèi)的一些林場一般已經(jīng)建立了比較先進高清的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是只有后方的值班室人員才能看到，前指指揮人員很難通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)看到實時的火場全貌。這些問題在一定程度上制約了森林火災(zāi)撲救的正常開展和撲救決策的正確性及時性，

因此，為了有效地解決森林防火前指指揮人員在防火撲救中面臨的問題，需要單獨設(shè)計一套森林防火移動前指指揮系統(tǒng)，本文主要是針對以上問題開發(fā)出結(jié)合強大地圖功能、GPS定位導(dǎo)航、視頻數(shù)據(jù)瀏覽與管理于一體的基于平板的森林防火移動前指指揮系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)介紹

1.1體系結(jié)構(gòu)

森林防火移動前指指揮系統(tǒng)采用（C/S）結(jié)構(gòu)，以GIS 服務(wù)器為核心， 利用Web Map Service方式裝載地理信息數(shù)據(jù)， 前指指揮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)客戶端訪問GIS 服務(wù)器上的地理信息資料， 進行GIS通用操作，快速、準(zhǔn)確地繪制各種火場態(tài)勢圖及點、線、面符號（ 起火點、火頭等）。前指網(wǎng)絡(luò)客戶端訪問視頻監(jiān)控系統(tǒng)，適時的把火場視頻流展示和進行相關(guān)操作；網(wǎng)絡(luò)客戶端利用平板電腦內(nèi)置GPS，進行火場定位。這些為決策者們快捷、科學(xué)的了解火場信息提供了可靠依據(jù)。本系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)工具

該系統(tǒng)的主要開發(fā)語言為Java， 開發(fā)工具采用Eclipse + arcgis runtime sdk for android1+ Java JDK，數(shù)據(jù)庫方面選用了sqlite。

2. 關(guān)鍵技術(shù)

2.1離線數(shù)據(jù)加載

為了保持系統(tǒng)能在網(wǎng)絡(luò)不暢通的情況下正常使用，系統(tǒng)的使用離線地圖數(shù)據(jù)，包括tpk格式的影像底圖數(shù)據(jù)和.geodatabase格式的資源數(shù)據(jù)。

TPK文件和 .Geodatabase文件分別是ArcGIS10.1和ArcGIS10.2推出的一種新的數(shù)據(jù)文件類型，前者主要是用于將切片文件打包形成離線地圖包，包內(nèi)的柵格數(shù)據(jù)是按網(wǎng)格單元的行與列排列、具有不同灰度或顏色的陣列數(shù)據(jù)。每一個單元（像素）的位置由它的行列號定義，所表示的實體位置隱含在柵格行列位置中，數(shù)據(jù)組織中的每個數(shù)據(jù)表示地物或現(xiàn)象的非幾何屬性或指向其屬性的指針； 后者是采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)來表現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包，兩者都可以在ArcGIS Runtime或者ArcGIS for Android/iOS接口開發(fā)的系統(tǒng)中快速加載調(diào)用。

2.2火場標(biāo)繪中的撲火行軍箭頭算法

本系統(tǒng)中用到的是B-樣條曲線。B-樣條曲線是貝塞爾曲線的一種一般化，它的優(yōu)勢在于：逼近特征多邊形的精讀更高；多邊形的邊數(shù)與基函數(shù)的次數(shù)無關(guān)；具有局部修改性。B樣條曲線曲面具有幾何不變性、凸包性、保凸性、變差減小性、局部支撐性等許多優(yōu)良性質(zhì)，使得我們能給更多一般的幾何體建造精確的模型。本程序生成箭頭形狀主要受五個因數(shù)的影響分別是，頭部高度、頭部寬度、頸部高度、頸部寬度以及尾部寬度。由畫線所得點集與五個因數(shù)相應(yīng)計算可得出頭部形狀的箭頭頭部點集，箭頭軀干點集，箭頭尾部點集。箭頭軀干點集分為左側(cè)右側(cè)點集是稀疏控制點集，分別通過計算B-樣條曲線（B曲線因子，QuadricBSpline因子，Binomial因子）得到兩側(cè)完善密集點集，使得曲線圓滑，計算完成后將所得點集按順序連接并繪制起來j是所畫箭頭。

3. 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

系統(tǒng)運行主界面由2個工具欄。圖形顯示窗口及地圖轉(zhuǎn)換按鈕、GPS按鈕2個按鈕組成；主工具欄主要提供GIS通用功能（距離量算、面積量算等），系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入、輸出、保存等功能；工具欄1包括3.1 火場標(biāo)繪功能（點、線、面標(biāo)繪等）；GPS按鈕進行GPS定位操作；地圖轉(zhuǎn)換按鈕實現(xiàn)電子地圖與GIS地圖之間的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)運行主界面生動直觀如圖2所示。

3.1火場標(biāo)繪功能

火場態(tài)勢圖繪制功能是平板系統(tǒng)的核心功能，系統(tǒng)提供符合國家標(biāo)準(zhǔn)的森林防火符號庫，以供標(biāo)繪人員便捷的使用各類符號信息，通過使用系統(tǒng)提供的點、線、文字標(biāo)注和撲火行軍箭頭等繪制按鈕，在地圖上繪制具有含義的要素，生成火場態(tài)勢圖，標(biāo)繪人員可以把態(tài)勢圖保存到本地或上傳給后方人員，后方人員看到態(tài)勢圖后可以修改并回傳給前指人員，方便及時溝通撲救方案?；饒鰳?biāo)繪的演示如圖3所示。endprint

3.2火場定位

利用平板電腦內(nèi)置設(shè)備，通過GPS、移動網(wǎng)絡(luò)基站定位等手段，對設(shè)備快速定位。系統(tǒng)實時更新設(shè)備所在位置。系統(tǒng)通過輸入經(jīng)緯度定位，可以在地圖上標(biāo)記出該經(jīng)緯度的位置。系統(tǒng)在地圖上任意位置點擊，可以查看該點的經(jīng)緯度和小班因子屬性。

3.3查詢功能

系統(tǒng)可實現(xiàn)定位軌跡查詢及回放，系統(tǒng)自動記錄GPS定位出的點，生成一條軌跡線，前指人員可以隨時查詢自己行走的軌跡并回放。此外系統(tǒng)還提供基于空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的查詢，如：基于經(jīng)緯度的查詢定位，火情標(biāo)繪歷史檔案的查詢等。

3.4視頻瀏覽及相關(guān)操作

系統(tǒng)可以連接到現(xiàn)有的視頻監(jiān)控點，查看實時的監(jiān)控視頻，并可以調(diào)節(jié)視頻監(jiān)控點的水平角、俯仰角、焦點和焦距等參數(shù)。視頻瀏覽的演示如圖4所示。

3.5應(yīng)急災(zāi)備

當(dāng)系統(tǒng)或外部環(huán)境異常導(dǎo)致系統(tǒng)退出時，系統(tǒng)提供自動記錄當(dāng)前標(biāo)繪的成果，下次進入系統(tǒng)時自動恢復(fù)的功能。

結(jié)束語

紅花爾基林業(yè)局是呼倫貝爾市以保護、培育和經(jīng)營“國寶”樟子松為主要資源的地方林業(yè)局。全局施業(yè)區(qū)總面積59.8萬公頃，有林地面積21.3萬公頃，活立木蓄積量2526萬立方米，森林覆蓋率35.6%，是聞名遐邇的樟子松故鄉(xiāng)。本森林防火移動前指指揮系統(tǒng)在紅花爾基森林防火中的應(yīng)用取得了很大成功，用戶很滿意。由于森林防火移動前指指揮系統(tǒng)部署在Android平板電腦上，火場前指指揮人員攜帶方便，減少了隨身攜帶設(shè)備的重量，并且通過系統(tǒng)可以查看火場周邊地形、資源數(shù)據(jù)分布數(shù)據(jù)，通過控制火場周邊的視頻監(jiān)控點查看火場周邊全貌，能夠極其方便地繪制火場態(tài)勢圖，制作撲救方案并與后方指揮人員及時溝通修改，把火場前指人員、后方指揮人員及現(xiàn)有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)連接成一個有機的整體。這有效地解決了森林防火前指指揮人員在防火撲救特別是火情標(biāo)繪過程中遇到的一些問題，系統(tǒng)在日常的火災(zāi)預(yù)防，監(jiān)測預(yù)警，管理決策等方面發(fā)揮了重要的支撐作用，提高了決策支持的效率，取得了較大的經(jīng)濟和社會效益。

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作者簡介：許忠海（1974年11月3日）；性別：男；籍貫：山東省成武縣；學(xué)歷：本科，畢業(yè)于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)；現(xiàn)有職稱：林業(yè)中級工程師；研究方向：森林防頭endprint