基于DEM的永平縣森林防火瞭望臺(tái)可見(jiàn)性分析

陽(yáng) 昭

(永平縣林業(yè)和草原局，云南 永平 672600)

森林火災(zāi)突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大，危險(xiǎn)難撲救，在撲救中時(shí)有人員傷亡，預(yù)防和監(jiān)測(cè)十分重要。瞭望臺(tái)是森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)體系中不可缺少的重要部分，其與地面巡護(hù)、衛(wèi)星監(jiān)測(cè)、航空護(hù)林飛機(jī)不定期巡航監(jiān)測(cè)共同組成永平縣森林防火立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。永平縣自1991—2017年已建成使用4個(gè)森林防火瞭望臺(tái)，2017年在一個(gè)瞭望臺(tái)上安裝了一套可視和遠(yuǎn)紅外攝像視頻監(jiān)控設(shè)備。可見(jiàn)區(qū)域面積是防火瞭望臺(tái)觀測(cè)能力的重要指標(biāo)，由于技術(shù)條件限制，選址時(shí)可見(jiàn)區(qū)域面積、可視距離等數(shù)據(jù)以目測(cè)估計(jì)的方法得出，數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確并長(zhǎng)期得不到修正?！?S”(RS、GIS、GPS)和DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)字地形分析理論技術(shù)已在科學(xué)研究、軍事、通訊等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中在林業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用改變了以往的林業(yè)調(diào)查規(guī)劃作業(yè)方式。在森林防火工作中，吳斌闡述了以計(jì)算機(jī)和“3S”技術(shù)構(gòu)建森林防火地理系統(tǒng)[1]，毛麗君基于“3S”技術(shù)制作森林防火規(guī)劃圖[2]，吳小群等以GIS進(jìn)行森林防火瞭望塔的通視性分析[3]。本文基于DEM在ArcGIS10.2軟件平臺(tái)下以ArcMap10.2進(jìn)行永平縣4個(gè)森林防火瞭望臺(tái)瞭望觀測(cè)的可見(jiàn)性分析，以修正彌補(bǔ)選址時(shí)可見(jiàn)區(qū)域面積等數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題，同時(shí)對(duì)永平縣森林防火瞭望臺(tái)建設(shè)、森林火情瞭望觀測(cè)等進(jìn)行討論并提出建議。

1 研究區(qū)范圍概況

研究區(qū)范圍為永平縣全境。永平縣位于云南省大理州西部，轄7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)75個(gè)村民委員會(huì)(社區(qū))。地理坐標(biāo)為99°17′～99°56′E，25°03′～25°45′N。全縣土地總面積 279 024 hm2，林地面積 242 967.1 hm2，其中有林地面積 202 003.2 hm2，易燃的云南松、華山松等針葉林面積 101 789 hm2，森林覆蓋率72.88%，林木綠化率76.38%，屬云南省重點(diǎn)林區(qū)縣。地勢(shì)西北高、東南低，順濞河之西、銀江河之東是云臺(tái)山，銀江河之西、瀾滄江之東是博南山。形成三河夾兩山，高山、河谷、壩子縱橫交錯(cuò)的獨(dú)特地形。境內(nèi)最高海拔 2 933 m，最低海拔 1 240 m，相對(duì)高差 1 693 m。山區(qū)林地、農(nóng)地、居民點(diǎn)交錯(cuò)，坡度≥25°的面積有 143 410 hm2，占全縣土地總面積的51.4%。屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬春干旱少雨，森林防火形勢(shì)嚴(yán)峻，森林防火是全縣林業(yè)工作的重中之重。

2 研究方法

可見(jiàn)性是指從一個(gè)或多個(gè)位置所能看到的地表區(qū)域面積。在ArcGIS下以構(gòu)建TIN法將永平縣等高線插值生成DEM，基于DEM用3D Analyst工具的“可見(jiàn)性”工具對(duì)得到可見(jiàn)柵格表面數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。可見(jiàn)性分析只獲得地表可見(jiàn)區(qū)域，林火的特殊性是燃燒煙氣上升，在瞭望觀測(cè)視線覆蓋下的范圍內(nèi)有燃燒的情況下，從燃燒煙氣能間接地判斷出不可見(jiàn)區(qū)域是否有林火，因此，瞭望觀測(cè)視線覆蓋下的范圍也是客觀評(píng)價(jià)瞭望臺(tái)觀測(cè)能力的一個(gè)指標(biāo)?！疤祀H線”工具生成3D折線，其上各折點(diǎn)均為沿各條觀測(cè)采樣視線分布的最遠(yuǎn)可見(jiàn)點(diǎn)。采用永平縣及周邊的ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行天際線分析，獲得瞭望臺(tái)瞭望觀測(cè)視線下的覆蓋范圍。為便于讀者操作驗(yàn)證，文中列出了所使用工具在ArcGIS10.2地理處理工具箱(ArcToolbox)內(nèi)的路徑位置。

2.1 數(shù)據(jù)收集

從永平縣自然資源局、縣林業(yè)和草原局收集到永平縣等高線(比例尺1：50000)，永平縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍面，4個(gè)瞭望臺(tái)位置坐標(biāo)點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)投影坐標(biāo)系為Xian_1980_GK_CM_99E，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。從中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)下載到永平縣及周邊ASTER GDEM V2版的DEM數(shù)據(jù)。ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)由日本METI和美國(guó)NASA聯(lián)合研制，數(shù)據(jù)時(shí)期為2009年，坐標(biāo)系WGS_1984，空間分辨率為30 m，格式為T(mén)IFF。其空間分辨率精度和高程精度比ASTER GDEM V1版高，并對(duì)V1版存在的錯(cuò)誤做了很好的矯正。ASTER GDEM V2版于2015年1月6日正式發(fā)布，用戶可免費(fèi)下載使用。

2.2 可見(jiàn)性分析

2.2.1構(gòu)建TIN

生成DEM要通過(guò)對(duì)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，插值方法有反距離權(quán)重法(IDW)、樣條函數(shù)法(Spline)、克里金法(Kriging)、自然鄰域法(Natural Neighborhood)等。插值方法對(duì)建模精度影響大，要根據(jù)離散點(diǎn)數(shù)據(jù)特征選擇合適的方法。用等高線數(shù)據(jù)生成DEM先創(chuàng)建TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))無(wú)論在效率還是內(nèi)插精度上都是最優(yōu)的[4]。等高線數(shù)據(jù)生成TIN的插值法是自然鄰域法，采用“創(chuàng)建TIN”工具完成(3D Analyst工具→數(shù)據(jù)管理→TIN→創(chuàng)建TIN)，參與創(chuàng)建TIN的矢量數(shù)據(jù)為“永平縣等高線”和“永平縣范圍面”。等高線數(shù)據(jù)提供等高線上的折點(diǎn)為采樣點(diǎn)并作為結(jié)點(diǎn)進(jìn)行三角化，參數(shù)中高程字段為記錄高程值的“BSGC”字段，“SF Type”(表面要素類型)為“Mass Points”(離散多點(diǎn))，“Tag Field”(標(biāo)簽字段)為“None”。裁剪TIN邊界的矢量數(shù)據(jù)“永平縣范圍面”高程字段為“None”，“SF Type”為“Hard Clip”(硬裁剪)，“Tag Field”為“None”。為了使TIN三角網(wǎng)的三角形不出現(xiàn)穿越等高線和3個(gè)頂點(diǎn)均在同一條等高線上(即“平坦三角形”)，降低三角網(wǎng)與地表逼近程度，降低建模精度情況，再將“永平縣等高線”作為約束條件的隔斷線限制插值范圍參與三角網(wǎng)的生成。參數(shù)中高程字段為記錄高程值的“BSGC”字段，“SF Type”為“Hard Line”(硬斷線)，“Tag Field”為“None”。

2.2.2TIN轉(zhuǎn)換成規(guī)則格網(wǎng)DEM

由TIN向格網(wǎng)(Grid)的轉(zhuǎn)換，實(shí)際上是基于TIN的內(nèi)插計(jì)算。由于自然鄰域插值法比線性插值法結(jié)果更平滑，選擇用自然鄰域插值法(NATURAL_NEIGHBORS)，用“TIN轉(zhuǎn)柵格”工具完成TIN向DEM的轉(zhuǎn)換(3D Analyst工具→轉(zhuǎn)換→由TIN轉(zhuǎn)出→TIN轉(zhuǎn)柵格)。根據(jù)何政偉等[5](2010)的研究成果，輸出柵格像元大小確定為10 m，即采樣距離為“CELISIZE 10”。輸出數(shù)據(jù)類型為“INT”(整型)。采樣距離也就是數(shù)據(jù)空間分辨率，生成的10m×10m(100m2)的柵格單元是分析評(píng)價(jià)的最小單位。

2.2.3獲取瞭望臺(tái)位置點(diǎn)高程值數(shù)據(jù)

瞭望臺(tái)位置點(diǎn)高程值是地面高程值加上瞭望臺(tái)建筑物高度15 m，地面高程值用“值提取至點(diǎn)”工具從DEM獲取(Spatial Analyst→提取分析→值提取至點(diǎn))。輸入點(diǎn)為4個(gè)瞭望臺(tái)位置點(diǎn)數(shù)據(jù)和DEM，輸出點(diǎn)要素自動(dòng)添加了一個(gè)名為“RASTERVALU”的字段存儲(chǔ)地面高程值，在編輯會(huì)話狀態(tài)下加上建筑物高度得到瞭望臺(tái)高程值。瞭望臺(tái)位置坐標(biāo)、高程值數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 瞭望臺(tái)位置坐標(biāo)、高程值數(shù)據(jù)

2.2.4瞭望臺(tái)位置點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)3D

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)3D后可使用3D Analyst工具，用“依據(jù)屬性實(shí)現(xiàn)要素轉(zhuǎn)3D”工具實(shí)現(xiàn)(3D Analyst工具→3D要素→依據(jù)屬性實(shí)現(xiàn)要素轉(zhuǎn)3D)。工具參數(shù)中“高度字段”是存儲(chǔ)瞭望臺(tái)高程值的“RASTERVALU”字段。

2.2.5可見(jiàn)性分析

以DEM和瞭望臺(tái)3D點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可見(jiàn)性分析，得到4個(gè)瞭望臺(tái)在全縣范圍內(nèi)的可見(jiàn)區(qū)域面積，采用“可見(jiàn)性”工具完成(3D Analyst工具→可見(jiàn)性分析)。工具對(duì)話框內(nèi)要選擇“RASTERVALU”為觀察點(diǎn)高程字段，勾選“使用地球曲率校正”。為便于統(tǒng)計(jì)和進(jìn)一步分析，從可見(jiàn)性分析結(jié)果中提取出可見(jiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成面要素與鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍面進(jìn)行疊加分析以獲得鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱屬性?！翱梢?jiàn)性”工具分析結(jié)果在有多個(gè)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)像元值用于指示從像元位置可看到多少個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，像元值為0表示不可見(jiàn)。用“按屬性提取”工具完成可見(jiàn)區(qū)域像元提取(Spatial Analyst→提取分析→按屬性提取)，SQL查詢表達(dá)式中Where子句中輸入查詢條件Value>=1。用“柵格轉(zhuǎn)面”工具實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)區(qū)域像元轉(zhuǎn)面(轉(zhuǎn)換工具→由柵格轉(zhuǎn)出→柵格轉(zhuǎn)面)。用“標(biāo)識(shí)”工具進(jìn)行疊加分析(分析工具→疊加分析→標(biāo)識(shí))，標(biāo)識(shí)要素為“鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍面”。由于疊加分析會(huì)產(chǎn)生狹長(zhǎng)細(xì)碎面，用“消除”工具合并狹長(zhǎng)細(xì)碎面到相鄰面(數(shù)據(jù)管理工具→制圖綜合→消除)?！拜斎雸D層”中要先選中需要合并的狹長(zhǎng)細(xì)碎面要素，“消除”工具才能執(zhí)行。將處理完成數(shù)據(jù)的屬性表轉(zhuǎn)換為Excel格式(.xls)，在Excel2010下進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用“表轉(zhuǎn)Excel”工具完成轉(zhuǎn)換(轉(zhuǎn)換工具→Excel→表轉(zhuǎn)Excel)。

2.3 天際線分析

2.3.1合并下載的分幅DEM數(shù)據(jù)

將分幅下載的永平縣及周邊ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)合并，用“鑲嵌”工具完成(數(shù)據(jù)管理工具→柵格→柵格數(shù)據(jù)集→鑲嵌)。

2.3.2提取分析范圍數(shù)據(jù)

從已合并的DEM數(shù)據(jù)中提取出用于分析的數(shù)據(jù)范圍，用“裁剪”工具和提取分析的工具均可實(shí)現(xiàn)。提取分析工具是按多邊形、圓形、矩形、掩膜提取的一組工具。本研究用“按掩膜提取”工具完成(Spatial Analyst→提取分析→按掩膜提取)，提取掩膜面范圍要遠(yuǎn)大于永平縣范圍才能滿足天際線分析的需要。本研究提取范圍為永平縣范圍向外擴(kuò)大100 km。

2.3.3數(shù)據(jù)投影變換

將坐標(biāo)系為WGS_1984的ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)變換到Xian_1980、GaussKruger投影(高斯—克魯格投影)，采用“投影柵格”工具完成(數(shù)據(jù)管理工具→投影和變換→柵格→投影柵格)。由于輸入、輸出坐標(biāo)系的基準(zhǔn)面不同，要指定地理(坐標(biāo))變換方法，本研究使用自定義的地理(坐標(biāo))變換方法進(jìn)行。DEM數(shù)據(jù)是表面連續(xù)數(shù)據(jù)，重采樣技術(shù)不宜選擇NEAREST(最鄰近分配法)和MAJORITY(眾數(shù)重采樣法)，因以上方法不會(huì)更改柵格單元值。本研究采用BILINEAR(雙線性插值法)。

2.3.4天際線分析

天際線分析可獲得瞭望臺(tái)瞭望觀測(cè)視線下的覆蓋范圍，用“天際線”工具實(shí)現(xiàn)(3D Analyst工具→可見(jiàn)性→天際線)。工具參數(shù)中“輸入觀察點(diǎn)要素”是瞭望臺(tái)3D數(shù)據(jù)，“輸入表面”是提取出并經(jīng)過(guò)投影變換的分析范圍DEM數(shù)據(jù)，其他參數(shù)為默認(rèn)值。天際線工具對(duì)每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均單獨(dú)執(zhí)行分析并生成各自的3D封閉折線，將分析結(jié)果得到的線要素轉(zhuǎn)換成面要素后合并即可得到參與分析的所有瞭望臺(tái)瞭望觀測(cè)視線覆蓋下的范圍面。采用“要素轉(zhuǎn)面”工具實(shí)現(xiàn)線轉(zhuǎn)面(數(shù)據(jù)管理工具→要素→要素轉(zhuǎn)面)，在編輯會(huì)話狀態(tài)下采用編輯器的“合并”命令即可獲得合并面。

3 結(jié)果分析

4個(gè)森林防火瞭望臺(tái)的瞭望觀測(cè)視線已覆蓋到周邊縣市，永平縣域面積均在其瞭望觀測(cè)視線下的覆蓋范圍內(nèi)，其中縣域內(nèi)可見(jiàn)區(qū)域面積為 55 085 hm2，占縣域面積的19.7%。分鄉(xiāng)鎮(zhèn)情況見(jiàn)表2。

表2 瞭望臺(tái)永平縣內(nèi)可見(jiàn)區(qū)域面積

分析結(jié)果表明，4個(gè)森林防火瞭望臺(tái)瞭望觀測(cè)縣內(nèi)可見(jiàn)面積占比低，觀測(cè)盲區(qū)大，縣內(nèi)近80%的區(qū)域不可見(jiàn)。但不可見(jiàn)區(qū)域范圍均在其瞭望觀測(cè)視線覆蓋范圍內(nèi)，發(fā)生林火時(shí)可通過(guò)燃燒時(shí)上升的煙氣間接判斷監(jiān)測(cè)?？傊?，通過(guò)瞭望臺(tái)可直接瞭望觀測(cè)或間接監(jiān)測(cè)到全縣林火情況。瞭望觀測(cè)視線覆蓋面積范圍及全縣可見(jiàn)區(qū)域面積范圍見(jiàn)圖1。

圖1 瞭望臺(tái)瞭望觀測(cè)視線下覆蓋范圍及全縣可見(jiàn)區(qū)域面積范圍

從圖1可以看出，可見(jiàn)區(qū)域面積僅占19.7%似乎不正確，這是圖紙縮小后形成的錯(cuò)覺(jué)。

4 討論與建議

可見(jiàn)性分析除普遍用于哨所、瞭望臺(tái)、廣播通訊無(wú)線發(fā)射塔等選址評(píng)估外，還可用于城市環(huán)境輔助設(shè)計(jì)規(guī)劃、景觀分析，航空飛行路徑受到高射炮等威脅的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等，應(yīng)用范圍廣泛。蘇州中科圖新公司的LSV軟件(LocaSpaceViewer)的可視域分析工具能基于一個(gè)觀察點(diǎn)在選定的觀察半徑內(nèi)生成可見(jiàn)區(qū)域和不可見(jiàn)區(qū)域，操作便利快速，不足的是結(jié)果只能瀏覽，不能獲取結(jié)果數(shù)據(jù)，其分析質(zhì)量和數(shù)據(jù)的可移植性、可挖掘性與ArcGIS是不能相比的。單獨(dú)從能瞭望觀測(cè)到的區(qū)域范圍、距離來(lái)說(shuō)，4個(gè)瞭望臺(tái)的位置不是最好的，因?yàn)檫x址時(shí)需綜合考慮可見(jiàn)區(qū)域范圍、距離，自然環(huán)境，社會(huì)經(jīng)濟(jì)，交通通訊等因素。

研究中由于無(wú)永平縣周邊地區(qū)等高線數(shù)據(jù)，永平縣范圍以1∶50 000 比例尺等高線生成的數(shù)據(jù)用于可見(jiàn)性分析、分辨率為10m的DEM精度比下載的數(shù)據(jù)用于天際線分析、分辨率為30 m的ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)高。分析結(jié)果受DEM數(shù)據(jù)質(zhì)量、精度、分辨率的影響，可見(jiàn)性分析結(jié)果比天際線分析結(jié)果更精確。

永平縣山高谷深、山梁溝箐縱橫交錯(cuò)，瞭望觀測(cè)視線易受到阻隔，可見(jiàn)區(qū)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有平原地區(qū)大，瞭望觀測(cè)效果即使在通視的情況下還受到距離、能見(jiàn)度、望遠(yuǎn)鏡倍數(shù)等的制約影響，但瞭望臺(tái)在森林防火體系中基礎(chǔ)性的功能和作用不容置疑，其不僅具有發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)林火、火場(chǎng)定位、無(wú)線電通訊及中繼等功能作用，還具宣傳警示、震攝等政治、社會(huì)功能。

由于永平縣地形獨(dú)特，增加防火瞭望臺(tái)數(shù)量后相應(yīng)的可見(jiàn)面積增加不大，建設(shè)運(yùn)行成本投入與效果不匹配對(duì)應(yīng)、不經(jīng)濟(jì)，故不宜再增加瞭望臺(tái)數(shù)量。只有以瞭望臺(tái)瞭望觀測(cè)為基礎(chǔ)，依靠全縣598位巡山護(hù)林員和廣大干部群眾的積極支持配合，才能實(shí)現(xiàn)縣域內(nèi)林火監(jiān)測(cè)無(wú)盲區(qū)全覆蓋。要把防火瞭望臺(tái)信息化建設(shè)作為重點(diǎn)，使瞭望臺(tái)發(fā)揮更大作用。