森林防火綜合信息查詢模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周生瑞，陳順偉，潘穎瑛，茅史亮，何 誠(chéng)，舒立福

（1.國(guó)家林業(yè)和草原局北方航空護(hù)林總站，黑龍江 哈爾濱 150027；2.浙江省航空護(hù)林管理站，浙江 杭州 31000；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所，北京 100091）

1987年大興安嶺“5·6”大火發(fā)生后，我國(guó)加強(qiáng)了森林火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、撲救等技術(shù)的研究[1]。森林防火管理系統(tǒng)的相關(guān)研究得以快速發(fā)展，逐步走向正規(guī)化。我國(guó)的林火管理系統(tǒng)基本上都是基于3S技術(shù)開發(fā)平臺(tái)，主要分為林火信息管理、林火監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、林火設(shè)施布局、林火撲救和災(zāi)后評(píng)估等模塊[2]。1992年研建的基于GIS的國(guó)家林火管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了模型庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)和地形庫(kù)的一體化，并在全國(guó)范圍內(nèi)推廣。1995年，國(guó)家林業(yè)局森林防火辦公室和中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院通過(guò)引進(jìn)地理信息系統(tǒng)，開發(fā)了森林防火地理信息系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)、撲火地理信息系統(tǒng)等[3]。國(guó)家林業(yè)局森林防火辦公室采用ERDAS Virtural GIS與野外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，構(gòu)建了重點(diǎn)區(qū)域?qū)崟r(shí)防火監(jiān)控與指揮系統(tǒng)，主要用于林火監(jiān)測(cè)和輔助撲救決策。

與此相比較，20世紀(jì)80年代以后，國(guó)外就已經(jīng)研發(fā)了各自的森林火災(zāi)管理系統(tǒng)。比如，1972年美國(guó)的火險(xiǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[4]、1987年加拿大的森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)[5]以及1988年美國(guó)的野外火管理輔助決策系統(tǒng)等[6]。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，森林火災(zāi)預(yù)防與監(jiān)控的方法，也由傳統(tǒng)的以地面巡護(hù)為主的被動(dòng)方式向多方位保護(hù)發(fā)展，不僅有地面巡護(hù)，更多時(shí)候是采取以瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)、航空巡護(hù)和衛(wèi)星遙感相結(jié)合的方式[7]。美國(guó)采用的智能微塵監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，利用航空巡護(hù)進(jìn)行森林溫度探測(cè)和準(zhǔn)確測(cè)位，根據(jù)定位溫度異常點(diǎn)，利用飛機(jī)進(jìn)行低空噴水降溫[8]。德國(guó)投入使用的是當(dāng)前全歐洲最新的技術(shù)，應(yīng)用數(shù)碼攝像技術(shù)的森林火災(zāi)自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)（Fire-Watch System）是一款經(jīng)過(guò)多年實(shí)地試驗(yàn)的系統(tǒng)，它能夠及時(shí)識(shí)別與定位森林火災(zāi)[9]。葡萄牙和俄羅斯研發(fā)的森林火災(zāi)自動(dòng)探測(cè)分析報(bào)警系統(tǒng)，不僅能及早發(fā)現(xiàn)森林中的著火點(diǎn)，并且極大地降低森林防火員的工作強(qiáng)度。葡萄牙的探測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地探測(cè)到火災(zāi)，并在5分鐘內(nèi)向消防和其他相關(guān)應(yīng)急部門傳送信息。

加拿大開發(fā)了許多國(guó)際著名的計(jì)算機(jī)林火管理系統(tǒng)，如加拿大森林火險(xiǎn)等級(jí)系統(tǒng)、加拿大魁北克計(jì)算機(jī)林火管理系統(tǒng)以及加拿大資源與環(huán)境管理系統(tǒng)開發(fā)公司開發(fā)的林火管理系統(tǒng)等，對(duì)推動(dòng)森林防火工作的現(xiàn)代化幫助很大[10]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則

本系統(tǒng)既可以實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的查詢檢索，又可以實(shí)現(xiàn)圖形到屬性和屬性到圖形的雙向查詢，包括按不同區(qū)域范圍（點(diǎn)、矩形、多邊形）的圖上查詢、任意（一個(gè)或多個(gè)）屬性項(xiàng)圖上顯示及對(duì)于屬性數(shù)據(jù)多種條件的復(fù)合查詢。其技術(shù)要點(diǎn)是，通過(guò)屬性數(shù)據(jù)表和圖形數(shù)據(jù)中的屬性表中相一致的編碼進(jìn)行連接，相互定位搜索。因?yàn)閷傩詳?shù)據(jù)表的記錄數(shù)與圖形數(shù)據(jù)中的矢量圖形是通過(guò)編碼一一對(duì)應(yīng)的，故不存在雙方一對(duì)多或多對(duì)一的可能，確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。

具體地說(shuō)，對(duì)于圖查屬性，按不同區(qū)域范圍包括點(diǎn)、矩形、多邊形，先將其區(qū)域范圍內(nèi)的所有矢量圖形（點(diǎn)、線、面）通過(guò)AO編程實(shí)現(xiàn)高亮顯示，當(dāng)具體指定某一點(diǎn)（線、面）時(shí)，先提取該點(diǎn)（線、面）的編碼，編程實(shí)現(xiàn)該編碼的點(diǎn)（線、面）閃爍。如果編碼是12位，則說(shuō)明其是防火專題屬性數(shù)據(jù)，然后根據(jù)編碼的第8、9位先連接外部屬性數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)表，再根據(jù)編碼定位該記錄，即可顯示其專題屬性詳細(xì)信息。如果編碼是9位，則說(shuō)明其是林相數(shù)據(jù)，連接林相圖本身的屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，再根據(jù)其編碼定位該記錄，即可顯示其林場(chǎng)、林班、小班的詳細(xì)信息。對(duì)于屬性查圖（這里僅指外部數(shù)據(jù)庫(kù)中的專題屬性）也是同樣思路，只是過(guò)程顛倒。當(dāng)用戶指定某一個(gè)或某幾個(gè)記錄時(shí)，先提取這些記錄編碼，根據(jù)其編碼在圖上定位其矢量圖形，然后高亮顯示。

對(duì)于屬性數(shù)據(jù)的多條件復(fù)合查詢，是通過(guò)其所屬關(guān)系和類別，根據(jù)編碼的定義確定其范圍。例如，要查找滿足以下復(fù)合條件的通信臺(tái)站：①管理部門歸賓縣林業(yè)局大泉子林場(chǎng)，②類別是固定超短波，則可歸結(jié)為滿足編碼=101060313***的所有記錄。

2 功能實(shí)現(xiàn)

2.1 空間定位

衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的熱點(diǎn)有些并不是林火，而是老百姓燒荒或林業(yè)部門燒防火隔離帶產(chǎn)生的。這就要求我們?cè)谙到y(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中區(qū)別熱點(diǎn)信息，即：若是熱點(diǎn)就簡(jiǎn)單記錄，若是林火則要詳細(xì)登記，以便今后對(duì)林火信息進(jìn)行有效的管理和查詢（圖1和圖2）。

圖2 林火信息登記界面

2.2 智能查詢

對(duì)指定地點(diǎn)周圍的地理信息進(jìn)行查詢，主要是在確定熱點(diǎn)和火點(diǎn)后，快速查看周圍的基本地理情況和防火設(shè)施（圖3）。該功能可通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn)。

1）確定半徑查詢：在給定點(diǎn)周圍，進(jìn)行確定半徑的查詢（圖3a和圖3c）。

2）不確定半徑查詢：與確定半徑查詢的功能相同，只是在中心點(diǎn)的選擇和半徑的選取上，都是用鼠標(biāo)來(lái)完成的（圖3b和圖3c）。

圖3 智能查詢界面

2.3 森林資源信息查詢

森林資源信息查詢模塊分為兩部分：林場(chǎng)基本信息查詢和小班資源信息的條件查詢。

1）林場(chǎng)信息查詢。林場(chǎng)信息主要包括林場(chǎng)的各類土地面積、森林面積與蓄積、國(guó)有林場(chǎng)的類型等信息。主要流程如圖4a所示。

2）小班資源信息查詢。森林資源信息的查詢，主要是根據(jù)一定的查詢條件找出符合條件的小班森林資源，并顯示小班的基本森林資源信息及圖形數(shù)據(jù)。主要流程如圖4b所示。

圖4 森林資源信息查詢流程圖

3 森林防火專題屬性數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的原則

系統(tǒng)專題屬性數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的總體原則是：①屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)分離；②重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)的合理性與科學(xué)性；③充分考慮數(shù)據(jù)的可擴(kuò)充性和綜合性；④屬性數(shù)據(jù)庫(kù)表與圖形數(shù)據(jù)庫(kù)表用連接字段（編碼）聯(lián)系；⑤在進(jìn)行表間連接設(shè)計(jì)時(shí)，確保存儲(chǔ)量最小和運(yùn)行速度最快。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)的邏輯設(shè)計(jì)（編碼的設(shè)計(jì)）

以紅花爾基森林防火地理信息系統(tǒng)為例，通過(guò)需求分析，首先確定了采用數(shù)據(jù)模型為關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，即使用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。所謂關(guān)系模型，通俗地講就是一張二維表格。如何將一個(gè)二維數(shù)據(jù)與空間圖形數(shù)據(jù)相聯(lián)系，成為數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如果采用二維表格中的經(jīng)度、緯度與空間圖形數(shù)據(jù)相聯(lián)系，不但不能保證其唯一性，而且不能說(shuō)明其代表的防火項(xiàng)目，所以需要單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)用戶并不知曉的編碼字段，以期具有唯一性。

定義字符型編碼共12位：前3位為市級(jí)地方林業(yè)局代碼；第4、5位為市林業(yè)局下轄縣林業(yè)局代碼；第6、7位為該縣林業(yè)局下轄林場(chǎng)代碼，即市林業(yè)局最多可以有99個(gè)，同一林業(yè)局最多可以有99個(gè)林場(chǎng)；第8、9位為該林場(chǎng)森林防火項(xiàng)目代碼（見表1）；最后3位為同一防火項(xiàng)目不同區(qū)位點(diǎn)代碼，即同一防火項(xiàng)目最多可以有999個(gè)，容量足夠本系統(tǒng)目前的使用和將來(lái)的擴(kuò)充。例如：編碼101060302001表示的是紅花爾基林業(yè)局林場(chǎng)001號(hào)瞭望臺(tái)。

表1 林業(yè)局森林防火項(xiàng)目代碼

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)用戶及系統(tǒng)的總體需要，建立森林防火GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，其下共設(shè)計(jì)了10個(gè)表，一一對(duì)應(yīng)查詢及維護(hù)的各個(gè)子項(xiàng)。這10個(gè)表物理上相互獨(dú)立，但邏輯上以行政區(qū)劃和林業(yè)區(qū)劃為主表，其他表均為子表。它們之間均以編碼字段相關(guān)聯(lián)。每一張表除編碼外均可以為空。每個(gè)字段的數(shù)據(jù)完整性、約束、默認(rèn)及規(guī)則沒有在數(shù)據(jù)庫(kù)這一級(jí)別設(shè)定，主要原因是一旦設(shè)定，當(dāng)用戶錄入數(shù)據(jù)違反上述約束及規(guī)則，系統(tǒng)以英文形式報(bào)錯(cuò)，用戶使用不方便，故對(duì)每一字段的約束及規(guī)則均用VB編程控制。由于篇幅限制，有關(guān)項(xiàng)目的屬性數(shù)據(jù)表及其具體結(jié)構(gòu)就不在此詳細(xì)列出。

3.4 模塊操作流程圖

1）防火信息查詢流程，具體步驟見圖5。

2）圖查屬性流程，具體步驟見圖6。

圖5 防火信息查詢流程

4 技術(shù)難點(diǎn)及關(guān)鍵代碼

1）以屬性項(xiàng)在圖上顯示時(shí)，對(duì)編碼的存取為難點(diǎn)之一。因?yàn)檫x擇專題屬性項(xiàng)隨機(jī)性強(qiáng)，數(shù)量不確定，用戶交互性需求大。對(duì)于這一功能的實(shí)現(xiàn)，采用可變長(zhǎng)數(shù)組，而且該變長(zhǎng)數(shù)組具有堆棧的性質(zhì)，即可進(jìn)可出，以確保用戶選擇后又取消該選擇，從而機(jī)動(dòng)地存取用戶選擇的記錄編碼，保證用戶使用的隨機(jī)性和交互性。

圖6 圖查屬性流程

2）多個(gè)矢量點(diǎn)在地圖中以最適合的比例尺高亮顯示且自動(dòng)計(jì)算可視域范圍，為難點(diǎn)之二。因?yàn)槎鄠€(gè)矢量圖形在地圖中的位置可能很分散，為滿足用戶隨機(jī)選擇的屬性在圖上同時(shí)顯示，其顯示比例尺不能固定。解決這一難題的方法為：確定用戶選取的多個(gè)矢量點(diǎn)的X Y坐標(biāo)值，求得X軸方向上的最大和最小值、Y軸方向上的最大和最小值，然后自動(dòng)將可視域定義為該4個(gè)點(diǎn)所構(gòu)成的矩形大小，此矩形能夠滿足用戶的查詢要求。

3）圖查屬性包括點(diǎn)查詢、矩形查詢、多邊形查詢和智能查詢。每類查詢其結(jié)果均需形成一個(gè)小目錄樹。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)以VB6.0為主要可視化開發(fā)工具，充分采用GIS的強(qiáng)大空間分析和定位功能以及多元化信息處理手段，進(jìn)行火災(zāi)日常管理，成功實(shí)現(xiàn)了GIS與防火信息專題和林相專題的集成。火災(zāi)一旦發(fā)生，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)定位、迅速查明火情、分析火勢(shì)、火后森林資源損失評(píng)估以及輔助火災(zāi)撲救，為防火決策部門提供強(qiáng)有力工具。當(dāng)然，森林防火綜合信息查詢系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的GIS應(yīng)用系統(tǒng)，其準(zhǔn)確性和科學(xué)性還需要在實(shí)踐中進(jìn)一步提高和完善。