GIS技術(shù)在阿勒泰地區(qū)森林防火中的應(yīng)用

■ 加娜西·哈吾旦 新疆維吾爾自治區(qū)阿爾泰山國(guó)有林管理局青河分局

阿勒泰為全國(guó)六大林區(qū)之一，擁有森林面積高達(dá)2341萬畝，森林覆蓋率達(dá)到13.2%。由于該地區(qū)夏季干熱，因此每年都有森林火災(zāi)發(fā)生。為了能夠更好地應(yīng)對(duì)森林大火的發(fā)生以及造成的損失，相關(guān)部門決定應(yīng)用GIS 技術(shù)來輔助當(dāng)?shù)厣址阑鸸ぷ?。在此，以選取阿勒泰地區(qū)某國(guó)家森林公園2500hm2試驗(yàn)區(qū)域?yàn)榉治鰧?duì)象，設(shè)計(jì)一套森林防火系統(tǒng)。

一、GIS 定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

（一）構(gòu)建系統(tǒng)需求要件分析

1.目標(biāo)及功能需求

本設(shè)計(jì)共計(jì)布置4 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)和1 處管理中心，并實(shí)現(xiàn)4 處監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間與管理中心的無線互聯(lián)工作。本次森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)主要功能包括：火點(diǎn)定位（雙點(diǎn)、單點(diǎn)、多點(diǎn)等）、火災(zāi)形式預(yù)估、圖片調(diào)取、ArcMap 地圖基礎(chǔ)等[1]。其中ArcMap 地圖基礎(chǔ)功能包括：要素添加及刪除、圖層設(shè)置、面積和距離測(cè)算、信息查詢等。

2.數(shù)據(jù)需求

數(shù)據(jù)是構(gòu)成GIS 定位系統(tǒng)的根本，本項(xiàng)目所需要的數(shù)據(jù)包括：某國(guó)家森林公園矢量數(shù)據(jù)（形狀、面積、海拔等）、數(shù)字高程數(shù)據(jù)DEM[2]。

3.硬件需求

GIS 定位系統(tǒng)依托于windows 操作系統(tǒng)，對(duì)硬件需求較高，本項(xiàng)目所采用的硬件配置需求詳見下表1所示。

表1 定位系統(tǒng)硬件需求

（二）空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

空間數(shù)據(jù)庫(kù)主要作用是將項(xiàng)目區(qū)范圍的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，通過專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化處理后存入系統(tǒng)，是GIS 定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)。

1.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本項(xiàng)目所涉及的地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用geodatabase格式模型存儲(chǔ)，可以對(duì)森林?jǐn)?shù)據(jù)（面積、海拔、樹種、樹齡等）進(jìn)行編輯。此外，也能利用Subtype 操作來實(shí)現(xiàn)將屬性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為圖層顯示[3]。

2.數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容

本項(xiàng)目針對(duì)森林防火這一目的，建立的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容包括：空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1:5000 項(xiàng)目區(qū)地理和高程數(shù)據(jù)）、森林防火專題數(shù)據(jù)（防火物資、撲火隊(duì)位置、檢查站、通訊站、瞭望監(jiān)測(cè)臺(tái)等點(diǎn)狀空間數(shù)據(jù)）。

（三）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.地圖基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)

（1）地圖檢索可按照經(jīng)緯度、名稱、區(qū)域編號(hào)、圖層等進(jìn)行查詢和管理，方便用戶不同需求；（2）由于系統(tǒng)內(nèi)主要是地圖類文檔，且種類繁多，因此系統(tǒng)采用分級(jí)圖層組來簡(jiǎn)化圖層控制，用戶可任意調(diào)整圖層順序、是否可見等；（3）本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)潔易用的量算功能（距離和面積），用戶只要點(diǎn)擊確定后系統(tǒng)會(huì)給出數(shù)據(jù)，也支持手動(dòng)繪制。

2.火點(diǎn)定位功能設(shè)計(jì)

（1）雙點(diǎn)和單點(diǎn)定位功能均使用Arcobject 下的IFeature 圖層實(shí)現(xiàn)，具體方法會(huì)進(jìn)行后續(xù)說明；（2）本項(xiàng)目使用漸進(jìn)窮舉和數(shù)據(jù)擬合法來計(jì)算火點(diǎn)位置，高程計(jì)算通過pidentify 指向數(shù)字高程DEM 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

3.火情態(tài)勢(shì)標(biāo)繪功能設(shè)計(jì)

（1）本系統(tǒng)火情態(tài)勢(shì)標(biāo)繪支持手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，包括點(diǎn)狀（火點(diǎn)、裝備倉(cāng)庫(kù)、防火機(jī)構(gòu)、瞭望監(jiān)測(cè)點(diǎn)等）、線狀（火線、防火隔離帶、公路、巡航路線等）、面狀（火場(chǎng)范圍、受影響區(qū)域等）等符號(hào)；（2）通過火情態(tài)勢(shì)標(biāo)繪，系統(tǒng)會(huì)給出滅火力量調(diào)動(dòng)、火態(tài)蔓延方向（需要輸入天氣參數(shù)）等，可供用戶參考。

二、GIS技術(shù)在阿勒泰森林火點(diǎn)定位中的應(yīng)用

本系統(tǒng)可以通過在瞭望監(jiān)測(cè)塔安裝攝像機(jī)自動(dòng)掃描來對(duì)一定范圍內(nèi)的森林情況進(jìn)行跟蹤錄像。一旦發(fā)生森林火災(zāi)，攝像機(jī)的識(shí)別模塊被啟動(dòng)并觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，GIS 系統(tǒng)此時(shí)通過空間數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)定位。

（一）雙點(diǎn)定位方法分析

1.定位算法分析

雙點(diǎn)定位法原理見下圖1所示，在此規(guī)定方位角ai均是以瞭望監(jiān)測(cè)塔正北方為0°位置，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)至目標(biāo)方向，具體定位過程如下：

圖1 雙點(diǎn)定位原理示意圖

（1）圖1 中角a1、a2分別為瞭望塔A、瞭望塔B 相對(duì)于火點(diǎn)（x，y）的方位角，取射線交叉點(diǎn)即為火點(diǎn)位置。但在此需要注意：由于存在磁偏角，因此真正火點(diǎn)的方位角還需要在磁方位角的基礎(chǔ)上減去該地區(qū)的磁偏角；

（2）兩臺(tái)攝像機(jī)同時(shí)捕捉到火點(diǎn)后將數(shù)據(jù)傳輸至電子地圖上，之后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)標(biāo)定出起火點(diǎn)并顯示給監(jiān)控中心。

2.雙點(diǎn)定位法特點(diǎn)分析

雙點(diǎn)定位法具有報(bào)警準(zhǔn)確率高、定位精度高等顯著優(yōu)點(diǎn)，但其最大局限性有兩點(diǎn)：（1）必須要有兩座瞭望監(jiān)測(cè)塔同時(shí)監(jiān)測(cè)到火點(diǎn)位置，因此該方法適用于監(jiān)控點(diǎn)布置密度較大的森林；（2）由于監(jiān)測(cè)儀器是以煙柱和火光為標(biāo)準(zhǔn)來發(fā)出警報(bào)，因此夜間監(jiān)測(cè)能力較差，只有出現(xiàn)火光才會(huì)報(bào)警。

本項(xiàng)目應(yīng)用雙點(diǎn)定位法覆蓋了約320hm2區(qū)域，瞭望監(jiān)測(cè)塔布置在海拔較高的山坡上，盡量使其視野好、覆蓋面廣。

（二）單點(diǎn)定位方法分析

單點(diǎn)定位法只需要一個(gè)瞭望塔監(jiān)測(cè)到火點(diǎn)就可成功定位，因此理論上可使觀測(cè)點(diǎn)減少50%，成本大大降低。

1.定位基本原理分析

單點(diǎn)要想實(shí)現(xiàn)定位，必須借助相關(guān)三維地理數(shù)據(jù)，同時(shí)應(yīng)用漸進(jìn)窮舉法。具體操作是在瞭望塔處設(shè)置電子全站儀，通過棱鏡反射作用得到火點(diǎn)距離L，而方位角a 可通過監(jiān)測(cè)煙柱或火光獲得，因此也可以定位火點(diǎn)，其基本原理見下圖2所示。

圖2 單點(diǎn)定位原理示意圖

2.單點(diǎn)定位法特點(diǎn)分析

單點(diǎn)法具有同等監(jiān)測(cè)點(diǎn)條件下，監(jiān)測(cè)覆蓋范圍廣這一突出優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)必須結(jié)合GIS 系統(tǒng)電子地圖才能最終定位，最終精度受氣候、地形、坡度等影響較大，因此定位精度相比于雙點(diǎn)法較差。

本項(xiàng)目應(yīng)用單點(diǎn)定位法覆蓋了約590hm2區(qū)域，瞭望監(jiān)測(cè)塔布置在海拔較高的山坡上，經(jīng)過測(cè)試其定位精度誤差在500m 范圍內(nèi)，基本可以滿足實(shí)際需要。

三、結(jié)語

森林防火工作涉及范圍往往很大，一旦發(fā)現(xiàn)起火點(diǎn)較晚一般火勢(shì)不再容易控制，因此積極應(yīng)用GIS 等先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)來輔助監(jiān)測(cè)，可大大減少人力物力財(cái)力，而且提高了監(jiān)測(cè)效率，這是現(xiàn)代森林防火的發(fā)展方向。但是應(yīng)用GIS 系統(tǒng)時(shí)對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、調(diào)試等要求較高，且需要有一定的計(jì)算機(jī)知識(shí)水平，對(duì)森林防火人才建設(shè)也提出了一定的要求。