航空護林標繪系統(tǒng)在森林防火工作中的應用

郭天峰，周宇飛，吳澤鵬，肖永平，鄧宇科，林運通

（1.廣東省航空護林站 廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測中心，廣東 廣州 510520；2.廣東省森林培育與保護利用重點實驗室 廣東省林業(yè)科學研究院，廣東 廣州 510520）

在航空護林巡護中，我國大部分航空標繪系統(tǒng)都是直接使用基于地面的火場標繪系統(tǒng)，兩者之間在應用場景和功能上存在很大的差別，使得在航空標繪時出現(xiàn)諸多不便。如航空標繪人員在飛機上進行拍照等數(shù)據(jù)采集工作，但是采集的照片數(shù)據(jù)大多都不能直接自動生成拍照方向和位置信息，對火場實時的指揮和撲救工作帶來諸多不便。很多系統(tǒng)是基于PC端定制開發(fā)的，缺乏靈活性，定位也完全依賴于第三方的GPS定位設備。同時，系統(tǒng)操作復雜，不適合野外火場緊急指揮操作?，F(xiàn)有的航空標繪系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源有限，航空標繪人員很難實時全面地查詢火災周邊的資源分布和地形地貌等數(shù)據(jù)。由于網絡的限制，航空標繪人員難以把繪制的火場態(tài)勢圖及時回傳給后方人員，無法在最佳撲救時間內對撲火方案進行溝通，標繪成果實時共享性較差。這些問題在一定程度上制約了森林火災撲救的正常開展和撲救決策的正確性及時性[1]。本文結合強大的地圖功能、GPS定位導航功能等開發(fā)了航空標繪系統(tǒng)。該系統(tǒng)攜帶靈活，可實現(xiàn)航空護林標繪功能，并能實現(xiàn)資源信息實時共享。

1 航空護林標繪系統(tǒng)研發(fā)背景及原理

航空護林標繪系統(tǒng)是一種使用平板電腦，將GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GIS地理信息系統(tǒng)結合而成的航空防護系統(tǒng)。一般選用具有較高配置和藍牙功能的平板筆記本電腦作為航空護林標繪系統(tǒng)的主要硬件設備[2]。該系統(tǒng)是集地理信息、森林資源信息和跟蹤、監(jiān)控、定位、調度指揮為一體的具有信息化，智能化的森林防火指揮系統(tǒng)[3]。它不但可以查詢森林資源相關信息，還能結合全球GPS技術實時接受撲火隊伍GPS經緯度數(shù)據(jù)，監(jiān)視行進路線或圈定火場范圍，跟蹤監(jiān)控撲火隊伍的動態(tài)。該系統(tǒng)可將撲火隊伍的動態(tài)位置顯示在電子地圖上，實現(xiàn)“可視化”撲火指揮。目前包括南方航空護林總站、北方航空護林總站及所直屬的航空護林站和北方的一些林管局都在使用該系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構及設計

航空護林標繪系統(tǒng)體系架構如圖1所示。航空護林標繪系統(tǒng)的主要功能設計為地圖操作基礎功能、火場態(tài)勢標繪、火場定位、火場視頻監(jiān)控查看、防火專題查詢、火場數(shù)據(jù)采集功能。為實現(xiàn)以上功能，系統(tǒng)硬件方面以空間數(shù)據(jù)服務器、視頻監(jiān)控服務器為支撐，軟件方面以統(tǒng)一指揮調度平臺及防火業(yè)務數(shù)據(jù)服務為支撐，軟硬件支持共同實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。

圖1 系統(tǒng)體系架構

航空護林標繪系統(tǒng)以ArcGIS Runtime為開發(fā)平臺，創(chuàng)建實時、精確和可視化的航空護林服務平臺。該平臺可通過對地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)[4]，結合GPS技術、無線通信技術、網絡技術等，組建新型的航空護林標繪系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要開發(fā)語言為Objective-C，開發(fā)工具采用xcode+Interface Builder+instruments，數(shù)據(jù)庫選用了SQLite。

3 系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 主界面及功能菜單

標繪系統(tǒng)運行主界面由工具欄、圖層設置區(qū)、定位和天氣菜單組成，主要建立在ArcGIS Runtime的二次開發(fā)基礎上。工具欄包括火場標繪功能（點、線、面標繪等）。圖層設置區(qū)實現(xiàn)矢量地圖、衛(wèi)星地圖、離線地圖的轉換，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。定位菜單可進行GPS定位和巡護軌跡上傳操作。天氣菜單能夠對廣東省天氣情況進行查詢。系統(tǒng)主界面如圖2所示。

3.2 火場標繪功能的算法及實現(xiàn)

繪制火場態(tài)勢圖是航空護林標繪系統(tǒng)的核心功能。該系統(tǒng)提供符合國家標準的森林防火符號庫，以便航空標繪人員使用符號進行標繪。通過使用系統(tǒng)提供的點、線、文字標注撲火行軍箭頭等符號，在地圖上進行繪制，生成火場態(tài)勢圖。標繪人員可將態(tài)勢圖保存到本地或上傳給后方人員，后方人員看到態(tài)勢圖可就火場周邊信息對態(tài)勢圖進行修改并回傳給航空標繪人員，方便前后方及時溝通，給出合理的飛行方案及林火撲救方案，降低林火造成的損失。

航空護林標繪系統(tǒng)中撲火行軍箭頭采用的算法是B-樣條曲線。B-樣條曲線是貝茲曲線的一種一般化，該算法相較于貝茲曲線的優(yōu)點是：用B-樣條基函數(shù)代替Bernstein基函數(shù)、逼近特征多邊形的精度更高、多邊形的邊數(shù)與基函數(shù)的次數(shù)無關且具有局部修改性。

圖2 系統(tǒng)運行主界面

該系統(tǒng)生成箭頭的形狀主要受頭部高度、頭部寬度、頸部高度、頸部寬度以及尾部寬度五個因數(shù)的影響。由畫線所得的點集與五個因數(shù)進行相關計算可得出頭部形狀的箭頭點集、軀干點集、尾部點集。箭頭軀干點集分為左側右側點集是稀疏控制點集，通過分別計算B-樣條曲線（B曲線因子、Quadric B Spline因子、Binomial因子）得到兩側完善密集點集，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即是所畫箭頭。

火場標繪的功能實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 火場標繪的功能實現(xiàn)

3.3 火場定位及查詢功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)可利用平板電腦內置定位設備，通過GPS、移動網絡基站定位等手段，對設備進行快速定位、軌跡上傳，并實時更新設備所在位置。系統(tǒng)具有查詢定位軌跡并進行播放的功能，能自動記錄GPS定位點，生成巡護軌跡。前指指揮人員可查詢自己的巡護軌跡，并進行播放。此外系統(tǒng)還具有基于經緯度查詢定位等功能，通過輸入經緯度定位，可以在地圖上標記出該經緯度的位置，也可通過查詢地名獲取該地的經緯度。系統(tǒng)在地圖上任意位置點擊，可以查看該點的經緯度和地名等信息。

火場定位及查詢功能的實現(xiàn)主要是使用SQLite數(shù)據(jù)庫編程實現(xiàn)。在航空巡護的過程中，網絡不通暢的情況時有發(fā)生。為了保證在巡護過程中航空護林標繪系統(tǒng)能夠正常使用，該系統(tǒng)還可采用離線地圖數(shù)據(jù)。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)兩種。其中.tpk格式的影像底圖數(shù)據(jù)是由Arc-GIS10.1推出的一種數(shù)據(jù)文件類型，主要用于打包形成離線地圖包，可拷貝.tpk文件到內存卡中，使用ArcGIS API for Android/IOS進行離線地圖開發(fā)。Geodatabase格式的資源是由ArcGIS10.2推出的一種新的數(shù)據(jù)文件類型，是采用標準關系數(shù)據(jù)庫技術來表現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。這兩種數(shù)據(jù)都可以在ArcGIS Runtime或者ArcGIS for Android/IOS接口開發(fā)的系統(tǒng)中快速加載調用。

火場定位及查詢功能如圖4所示。

3.4 自動獲取照片位置的實現(xiàn)

在使用相機拍照時，系統(tǒng)通過USB及RS232接口聯(lián)結磁阻傳感器和陀螺儀，可通過磁阻傳感器識別方位，指明東西南北，并使用陀螺儀進行重力感應識別，把拍照場景的方位用3d羅盤的形式展現(xiàn)在相機界面上。出圖后，利用標注相應的方位和gps詳細位置信息，將照片標示于系統(tǒng)的電子地圖上。

圖4 火場定位及查詢功能

4 討論和結論

航空護林標繪系統(tǒng)部署在平板電腦上，航空標繪人員攜帶方便，可利用平板電腦內置GPS，進行火場定位，并將火場數(shù)據(jù)實時上傳到服務器；系統(tǒng)還可通過空間數(shù)據(jù)服務器，準確獲取全面的火場周邊的火場周邊地形、資源分布數(shù)據(jù)等地理信息數(shù)據(jù)，繪制各種火場態(tài)勢圖，上傳到后方指揮部，以便后方指揮部快速部署林火撲救工作，達到快速撲救森林火災、減少損失的目的。

航空護林標繪系統(tǒng)將火場前指人員、后方指揮人員、撲火部隊連接成一個有機的整體，有效地解決了航空標繪人員在防火撲救特別是火情標繪過程中系統(tǒng)使用不便、實時溝通困難等問題，在日常的火災預防、監(jiān)測預警、撲救決策等方面發(fā)揮重要作用，提高了撲火決策的效率，相應可以極大減少由森林火災造成的經濟、社會以及生態(tài)損失。