基于多重約束的森林防火觀測塔選址系統(tǒng)

蔚永強(qiáng)

摘要：森林防火是林業(yè)資源管理中的一項(xiàng)重要工作。為了做到盡早發(fā)現(xiàn)火情、實(shí)時(shí)監(jiān)測火勢，林業(yè)部門通常會(huì)在林區(qū)建設(shè)森林防火觀測塔，由此產(chǎn)生了觀測塔的選址問題。這個(gè)問題的難度在于，選址的結(jié)果要同時(shí)滿足成本、視域等多個(gè)約束條件的要求，不能有所偏廢。而約束條件中不僅有數(shù)學(xué)約束，還有空間約束，這更增加了問題的難度。傳統(tǒng)的觀測塔選址是人工選擇，不僅缺乏科學(xué)依據(jù)，而且很難全面平衡各個(gè)約束條件的要求。因此，林業(yè)部門急需一種能夠同時(shí)考慮多種約束條件的智能化觀測塔選址方法。

關(guān)鍵詞：地理信息系統(tǒng);可視域;觀測塔;選址;數(shù)學(xué)規(guī)劃

1、項(xiàng)目介紹

1.1 項(xiàng)目背景

森林防火是林業(yè)資源管理中的一項(xiàng)重要工作。森林火災(zāi)一旦發(fā)生，往往會(huì)造成難以估量的損失。想要降低森林火災(zāi)造成的損失，關(guān)鍵是要做到早發(fā)現(xiàn)、早處理。為此，各國都十分重視林火監(jiān)測技術(shù)。我國林火監(jiān)測實(shí)踐中通常在林區(qū)建設(shè)不同規(guī)格的觀測塔（又稱瞭望塔），在塔上安裝長焦可視鏡頭或紅外探測儀監(jiān)測森林火災(zāi)的發(fā)生與發(fā)展。

1.2 應(yīng)用場景

1.2.1 森林防火觀測塔選址的現(xiàn)狀

本系統(tǒng)最初構(gòu)思與素材源自指導(dǎo)老師幾年前參與的廣州市森林防火信息化項(xiàng)目，廣州市森林防火指揮部門規(guī)劃在廣州帽峰山和白云山等地建設(shè)紅外觀測塔，以實(shí)時(shí)監(jiān)測火點(diǎn)與火情發(fā)展。目前森林防火部門建觀測塔是人工選址，選址思路主要是首先依據(jù)地形起伏將所有山頂點(diǎn)作為建塔候選點(diǎn)，再結(jié)合地圖量算和傳統(tǒng)測量方法估算觀測塔的可視域范圍，最后通過比較主觀挑選組合得到建塔選址方案。

1.2.2 森林防火觀測塔選址的基本要求

1）有利于最大范圍的觀測。最大限度地?cái)U(kuò)大每個(gè)觀測塔的有效觀察范圍，不出現(xiàn)或盡量減少盲區(qū)，設(shè)置森林防火瞭望塔的目的是為觀察森林火情，確定火點(diǎn)方位，以利指揮撲救。因此， 觀測塔應(yīng)建在能夠觀察到大面積林區(qū)的地方，四周應(yīng)沒有妨礙觀察的山峰或其它障礙物，所以通常建塔候選點(diǎn)是山頂。

2）盡量降低建塔成本。由于建造觀測塔的成本不菲，在林區(qū)內(nèi)建立多個(gè)觀測塔組成觀測網(wǎng)， 其建造總成本和生態(tài)保護(hù)成本十分高昂。因此就經(jīng)濟(jì)效益而言，應(yīng)盡量選取性價(jià)比最高的選址方案，即觀測塔有效可視域/建塔成本的盡可能高。

1.2.3 森林防火觀測塔選址的問題

森林防火觀測塔選址的問題關(guān)鍵點(diǎn)就變成了在GIS技術(shù)和DEM輔助下，考慮實(shí)際可視域范圍、林區(qū)全覆蓋、性價(jià)比最高等多種約束條件下，組合各建塔候選點(diǎn)，達(dá)到選址方案總成本最低、觀測效果最佳的目標(biāo)。這對森林防火管理者而言，依賴于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和直觀判斷顯然難以得到的最優(yōu)選址方案。這個(gè)選址問題既具有實(shí)際可視域范圍、林區(qū)地表全覆蓋等空間約束，又具有單塔性價(jià)比最高、總成本最低等非空間約束，演變?yōu)槎嘀丶s束條件下的復(fù)雜線性規(guī)劃求解問題。

1.3 研究目標(biāo)

針對森林防火觀測塔選址的問題，本研究目標(biāo)是應(yīng)用GIS軟件開發(fā)和DEM三維分析方法，參考復(fù)雜線性規(guī)劃問題求解的思路，建立多重約束的觀測塔選址模型，設(shè)計(jì)開發(fā)基于多重約束的森林防火觀測塔選址系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)選址計(jì)算與分析的自動(dòng)化、智能化，以及選址結(jié)果的三維可視化，提供性價(jià)比最高觀測效果更好的建塔選址方案更要地服務(wù)于森林防火工作。

2、解決思路與方法

2.1 問題分析與數(shù)學(xué)模型

根據(jù)森林防火觀測塔選址的問題分析與系統(tǒng)需求，觀測塔選址需要考慮的主要因素為實(shí)際有效可視域面積與建塔成本（即性價(jià)比），因此我們約定在滿足多重約束的條件下（其中以可視域全覆蓋林區(qū)作為第一約束條件），以項(xiàng)目總成本作為最終的目標(biāo)函數(shù)，建立選址模型。

2.2候選點(diǎn)計(jì)算模型

考慮到山頂處受到的遮擋比較少，視野更開闊，觀測塔通常都建在山頂。出于系統(tǒng)性能和算法模型的要求，本系統(tǒng)對于森林防火觀測塔德選址的解決思路為根據(jù)林區(qū)DEM通常柵格領(lǐng)域分析計(jì)算提取出山頂點(diǎn)作為候選點(diǎn)。本系統(tǒng)提供一個(gè)林區(qū)DEM計(jì)算觀測塔候選點(diǎn)的功能，計(jì)算模型只包含一種固定的計(jì)算算法， 其步驟包含2步，1為初步候選點(diǎn)搜索， 2為候選點(diǎn)填充。

填充方法如下： （1）將上節(jié)中得到的山頂點(diǎn)集合計(jì)算出總視域之和。（2）判斷總視域之和能否覆蓋全視域， 如果能則退出計(jì)算，如果不能則將總區(qū)域范圍的DEM與總視域之和做減法運(yùn)算， 得到總視域以外的高程DEM柵格（原本DEM中可視的區(qū)域此處變?yōu)镹ODATA）。（3）在（2）中得到的剩余DEM柵格中查找高程的最大值處，也就是最高的柵格點(diǎn)，并將此柵格轉(zhuǎn)化為點(diǎn)要素。（4）將（3）中得到的剩余范圍中的最高點(diǎn)，計(jì)算其視域，并將該視域與總視域柵格做并集處理，得到一個(gè)新的總視域。（5）跳到第（2）重新進(jìn)行判斷。直到總視域全覆蓋區(qū)域范圍為止.

3、選址計(jì)算

我們設(shè)計(jì)了一種減量模型，它是一種逆向思維的方法，其基本思想是，將所有候選點(diǎn)的所有建塔情況按照性價(jià)比最優(yōu)的規(guī)則排序（一個(gè)地點(diǎn)上一種建塔方案稱為一個(gè)備選塔），然后講這些所有備選塔按照從小到大的順序逐個(gè)提取出來，檢查它的可視域中，判斷該視域中是否存在只能被它所看到、不能被其他觀測塔所看到的區(qū)域。如果有，那么這個(gè)備選塔就要保留;如果沒有，則標(biāo)明該備選塔的視域和其他的重疊了，刪除這個(gè)候選點(diǎn)。由于這個(gè)方法每次都刪除一個(gè)備選塔，所以稱其為減量模型。

結(jié)論：

森林防火觀測塔選址模型2010年初經(jīng)廣州市森林防火有關(guān)部門試驗(yàn)，認(rèn)為模型比較貼近實(shí)際、計(jì)算結(jié)果具有較高的決策參考價(jià)值。這鼓舞了我們繼續(xù)努力，采用ArcGIS平臺將選址模型開發(fā)成可直接服務(wù)于森林防火部門的軟件工具，并最終于今年9月初步發(fā)布選址系統(tǒng)的第一版。實(shí)際建塔的成本可能除了與塔的規(guī)格（高塔或低塔）有關(guān)系，還與實(shí)際地形情況、交通條件等影響因子有關(guān)，可能每個(gè)塔的成本都不同，下一步建塔參數(shù)設(shè)置要更靈活實(shí)用。選址模型可以進(jìn)一步擴(kuò)展，系統(tǒng)還可應(yīng)用于森林消防通信中繼站選址、3G移動(dòng)通信基站選址等行業(yè)與領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭麗娜.2009.漠河縣林火可視域分析.哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，25（1）：98-100.