運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行森林防火的分析

張玲

（濟(jì)南市林場(chǎng)，山東 濟(jì)南 250000）

0 引言

全球資源日漸匱乏，森林是人類(lèi)生存的基礎(chǔ)，森林一經(jīng)發(fā)生火災(zāi)便會(huì)燒死樹(shù)木、破壞森林，同時(shí)造成樹(shù)種的演替，弱化森林自身價(jià)值，為林區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施和人員生命安全構(gòu)成威脅。充分以地理信息系統(tǒng)技術(shù)為核心，助力森林防火工作推進(jìn)，可顯著增強(qiáng)森林防火預(yù)測(cè)可靠性、火災(zāi)撲救科學(xué)性，提升森林防火水平。森林防火工作作為一項(xiàng)復(fù)雜性工作，受多方面因素的影響，線下森林防火工作現(xiàn)狀不容忽視，應(yīng)借力地理信息系統(tǒng)技術(shù)提高森林防火效率及質(zhì)量。

1 地理信息系統(tǒng)技術(shù)及其用于森林防火的優(yōu)勢(shì)

GIS 信息系統(tǒng)主要對(duì)地理信息進(jìn)行收集、存儲(chǔ)、分析及管理，對(duì)空間信息的管理和分析是其優(yōu)勢(shì)，主要兼容、存儲(chǔ)、管理和分析等計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為分析和高效化處理海量數(shù)據(jù)通用技術(shù)。地理信息系統(tǒng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用進(jìn)程中，需依靠計(jì)算機(jī)及軟件，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，且將分析結(jié)果給予相應(yīng)領(lǐng)域。目前，GIS 已在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，且取得較佳成效，促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，特別在森林防火領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，為防火工作效率提升提供助力，保護(hù)我國(guó)森林資源。GIS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)源主要通過(guò)實(shí)測(cè)、統(tǒng)計(jì)及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等，轉(zhuǎn)換為具有空間地理特征的信息，可實(shí)現(xiàn)處于火災(zāi)發(fā)生之前，持續(xù)性提供火災(zāi)發(fā)生背景和條件信息，有利于確定部分火災(zāi)發(fā)生概率較高的區(qū)域、時(shí)段和危險(xiǎn)程度，制定應(yīng)對(duì)措施，減輕火災(zāi)產(chǎn)生的損失；火災(zāi)發(fā)生過(guò)程中，可充分利用地理信息技術(shù)，持續(xù)性監(jiān)測(cè)火災(zāi)進(jìn)程和發(fā)展態(tài)勢(shì)，及時(shí)將相關(guān)信息反饋至防火撲救中心，有助于高效、及時(shí)組織相應(yīng)救助活動(dòng)；火災(zāi)發(fā)生后可處于大范圍內(nèi)實(shí)施高速反應(yīng)，精準(zhǔn)檢查地區(qū)內(nèi)受損狀況，進(jìn)行精準(zhǔn)性評(píng)估，為現(xiàn)代化森林防火工作提供強(qiáng)有力的支撐。

2 森林防火工作現(xiàn)狀及問(wèn)題分析

森林火災(zāi)作為一種突發(fā)性強(qiáng)、發(fā)生面廣、破壞性大的自然災(zāi)害，其燒毀大量林木時(shí)，嚴(yán)重威脅整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)平衡，我國(guó)高度重視森林防火工作，對(duì)其提出相應(yīng)的要求。據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)2020 年共發(fā)生森林火災(zāi)1153 起，受害森林面積8526hm2，同比下降51%、27%，2021 年春季森林防火工作形勢(shì)嚴(yán)峻，1—2 月全國(guó)共發(fā)生森林火災(zāi)329 起，2020 年同期相比增加79.8%，估測(cè)春防期間，部分區(qū)域內(nèi)局部高溫、大風(fēng)天氣增多，火險(xiǎn)等級(jí)逐步提升，其實(shí)際防火存在問(wèn)題體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（1）GPS 火點(diǎn)定位技術(shù)的延時(shí)性?，F(xiàn)下森林防火工作實(shí)施過(guò)程中，使用頻次較高的便為GPS，該技術(shù)雖然可捕捉火點(diǎn)，但由于其信息傳輸速度、加工處理的影響，人們獲知森林火災(zāi)火點(diǎn)時(shí)，火情難以及時(shí)高效化控制，存在一定的延時(shí)醒，難以從本質(zhì)層面將火災(zāi)事故帶來(lái)的影響將至最小化，森林防火工作實(shí)際任務(wù)目標(biāo)和成果難以凸顯。

（2）火情判定與控制缺乏穩(wěn)定性。利用CPS 技術(shù)獲取的信息做出的火情判斷不僅存在上述延誤狀況，而且因火情持續(xù)性擴(kuò)展和延伸，GPS 技術(shù)難以及時(shí)、高效捕捉和展示各類(lèi)信息，因此當(dāng)下森林管理人員判定火情和控制時(shí)，實(shí)際狀況缺乏穩(wěn)定性，即便部分經(jīng)驗(yàn)豐富的人員可以憑借自身主觀經(jīng)驗(yàn)做出符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的判斷和決策，但其具有一定的偶然性，穩(wěn)定性仍難以把控。

（3）火情現(xiàn)場(chǎng)模擬表現(xiàn)抽象性。地圖作為森林防火工作開(kāi)展的導(dǎo)向，更是實(shí)施火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)指揮和發(fā)布各類(lèi)救援指令的參考，火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)直觀、真實(shí)的仿真模擬程度，直接與森林管理人員制定科學(xué)、合理的救援決策息息相關(guān)，傳統(tǒng)二維平面地圖實(shí)際呈現(xiàn)形式難以直觀呈現(xiàn)森林地形、水文分布等地理信息，存在一定的抽象性。若現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)人員對(duì)森林火災(zāi)發(fā)生的地理實(shí)際狀況缺少熟悉度，難以制定最合理、最有效的決策[1]。

3 運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行森林防火策略和方法

我國(guó)森林資源日漸匱乏，每年森林發(fā)生上萬(wàn)次火災(zāi)，產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，尤其是森林大火，其處于地形復(fù)雜、不利植被條件等因素，火勢(shì)蔓延速度快，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法撲滅，產(chǎn)生嚴(yán)重的損失。要在短周期內(nèi)制定相應(yīng)的撲救決策方案，控制整個(gè)火勢(shì)，對(duì)決策者提出新的要求，為最大程度減少火災(zāi)帶來(lái)的損失，短時(shí)間內(nèi)能確定決策方案，充分利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。

3.1 利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)林區(qū)信息統(tǒng)一管理

林區(qū)存在大量信息時(shí)管理部門(mén)應(yīng)動(dòng)態(tài)化掌握，如植被分布狀況、經(jīng)濟(jì)林面積、防火設(shè)施的分布等，可充分利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)，構(gòu)建完善的信息數(shù)據(jù)庫(kù)，建立不同的圖層實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信息、屬性信息統(tǒng)一化管理，將內(nèi)碼空間信息與屬性信息充分聯(lián)系和融合，方可精準(zhǔn)性查詢具體的屬性信息，為后續(xù)日常和災(zāi)時(shí)決策提供可靠的信息。為高質(zhì)量完成森林防火工作，需依附日?；A(chǔ)能力的建設(shè)，只有充分確保數(shù)據(jù)基礎(chǔ)儲(chǔ)備，方可保證森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)能及時(shí)決策。森林防火數(shù)據(jù)庫(kù)充分整合多方面信息，不僅包含基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專(zhuān)題地理信息數(shù)據(jù)，而且包含防火專(zhuān)題要素、重點(diǎn)關(guān)注要素等，可滿足日常管理和戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急基本需求。

3.2 森林防火應(yīng)急儲(chǔ)備圖應(yīng)用

完整、精準(zhǔn)收集上述相關(guān)數(shù)據(jù)，將此類(lèi)數(shù)據(jù)編制為相應(yīng)的地圖，將其作為應(yīng)急儲(chǔ)備用圖，發(fā)生火災(zāi)時(shí)即可投入使用，提高整個(gè)救災(zāi)效率，節(jié)省大量的救災(zāi)時(shí)間。充分利用地理信息技術(shù)生成多個(gè)儲(chǔ)備圖，為后續(xù)森林防火工作的實(shí)施提供助力，主要包含以下幾方面：第一，地理現(xiàn)狀圖。充分將土地上覆蓋的各類(lèi)要素，如林地、草地等相關(guān)資源，以及相關(guān)旅游景點(diǎn)、自然保護(hù)區(qū)等疊加至圖上，形成完整的地理現(xiàn)狀圖，為后續(xù)應(yīng)急指揮過(guò)程中精準(zhǔn)性判定火情發(fā)展主趨提供幫助，合理配置整個(gè)救援物資。第二，專(zhuān)題要素圖。專(zhuān)題防火資源圖主要是利用多個(gè)滅火基礎(chǔ)設(shè)施，危險(xiǎn)源及敏感設(shè)施專(zhuān)題數(shù)據(jù)，形成完整的專(zhuān)題資源圖，為應(yīng)急指揮提供使用[2]。

3.3 火災(zāi)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)

森林火災(zāi)實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，作為防火工作的關(guān)鍵，火災(zāi)的發(fā)生除氣象因子的干擾外，還存在人為活動(dòng)火源，所以需充分將其作為核心關(guān)鍵點(diǎn)，動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)可能導(dǎo)致火災(zāi)的特征量，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)火災(zāi)的目標(biāo)。主要選取熱敏、氣敏傳感器監(jiān)測(cè)火源，對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行跟蹤探測(cè)，達(dá)成火險(xiǎn)的預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)火災(zāi)。火險(xiǎn)預(yù)報(bào)主要是以每天自身氣象基本要素氣溫、濕度、降水縫實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，精細(xì)化計(jì)算分析后發(fā)出森林火險(xiǎn)信息，充分利用GIS 強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和加工處理功能，構(gòu)建完善的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)火險(xiǎn)預(yù)報(bào)目標(biāo)。當(dāng)下森林火災(zāi)發(fā)生因素、規(guī)律等研究并不完善，精準(zhǔn)估測(cè)未來(lái)發(fā)生森林火災(zāi)難度較大。利用地理信息技術(shù)的電子地理圖、數(shù)字地面模型和電子沙盤(pán)，可構(gòu)建仿真模型，實(shí)現(xiàn)處于任何狀況下數(shù)字地面模擬機(jī)電子地圖上蔓延和擴(kuò)展?fàn)顩r，結(jié)合預(yù)測(cè)的可能火災(zāi)實(shí)際狀況制定與之相吻合的森林火災(zāi)管理方案，為防火后續(xù)整體資源規(guī)劃和布設(shè)提供支撐。

3.4 利用地理信息優(yōu)化防火道開(kāi)設(shè)

開(kāi)設(shè)防火道作為高效化把控森林火災(zāi)重要舉措，防火道實(shí)際開(kāi)設(shè)方案確定，主要取決于不同時(shí)間火場(chǎng)邊界到達(dá)實(shí)際部位，確定該邊界位置應(yīng)綜合性考量多方面因素，包含大火發(fā)生風(fēng)速、空氣濕度和土壤含水量。通過(guò)上述火蔓延條件開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算處于此類(lèi)干擾因素下的火場(chǎng)情況，初步計(jì)算防火道。具體實(shí)踐防火道開(kāi)設(shè)時(shí)，部分陡坡區(qū)域內(nèi)開(kāi)設(shè)防火道，難以提升其實(shí)際效率，以及無(wú)法減少火災(zāi)引發(fā)的損失。充分利用地理信息技術(shù)可高效化解決改問(wèn)題，將林區(qū)等高線輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，通過(guò)其軟件進(jìn)行精準(zhǔn)性計(jì)算林區(qū)陡坡圖，提取相應(yīng)的地帶形成新的陡坡圖，將計(jì)算出初步防火道與該圖實(shí)現(xiàn)空間疊加，若防火道與陡坡圖存在銜接部位，獲取其疊加部位形成繞過(guò)陡坡的防火道[3]。

3.5 利用地理信息技術(shù)對(duì)防火設(shè)施科學(xué)調(diào)度

林區(qū)一經(jīng)發(fā)生火情，需及時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)組織進(jìn)行全方位撲救，利用地理信息技術(shù)可便捷調(diào)度人力物力，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

（1）防火設(shè)施分布的確定。充分將道路圖、水系圖、地形圖等林區(qū)相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)內(nèi)，分別作為獨(dú)立的圖層，構(gòu)建完善的數(shù)學(xué)模型精準(zhǔn)性計(jì)算明確防火點(diǎn)最佳分布狀況。正式建立數(shù)學(xué)模型過(guò)程中，應(yīng)積極考量以下幾方面因素：①防火點(diǎn)建議距離道路較近，可確保各防火點(diǎn)間實(shí)際基礎(chǔ)設(shè)施靈活性調(diào)用，防火點(diǎn)的防火能力應(yīng)最大限度覆蓋全部植被分布；②處于關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)林和景點(diǎn)分布區(qū)適當(dāng)增加防火點(diǎn)數(shù)及其基礎(chǔ)設(shè)施，處于易發(fā)生火災(zāi)地帶增加防火點(diǎn)數(shù)量或加強(qiáng)防火設(shè)施的防火能力。

（2）防火設(shè)施和消防人員的調(diào)度。從初期發(fā)現(xiàn)火情至后續(xù)開(kāi)展撲救工作時(shí)間周期短，要求處于較短時(shí)間內(nèi)作出合理的調(diào)度方案，利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)可達(dá)成該目標(biāo)。充分選用地理信息技術(shù)的距離分析功能，可精準(zhǔn)性確定距離火場(chǎng)最近的防火點(diǎn)，若此類(lèi)防火點(diǎn)自身能力無(wú)法滿足滅火要求，可從周?chē)嚯x最近區(qū)域內(nèi)靈活性調(diào)度基礎(chǔ)設(shè)施；利用地理信息網(wǎng)絡(luò)分析功能可確定到達(dá)火場(chǎng)途徑最近；利用地理信息資源分配功能可確定不同位置的火場(chǎng)需投入實(shí)際消防人數(shù)等。通過(guò)上述實(shí)際調(diào)度方案，可基于相應(yīng)數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)人機(jī)對(duì)話應(yīng)用程度實(shí)現(xiàn)，呈現(xiàn)以較低成本獲取較大成效的執(zhí)行方案[4]。

3.6 利用地理信息系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)災(zāi)后損失評(píng)估

森林火災(zāi)撲滅后做好精細(xì)化損失評(píng)估十分關(guān)鍵，使用地理信息技術(shù)可發(fā)揮關(guān)鍵性作用，將初期開(kāi)設(shè)的防火道以多邊形為特征建立圖層，將其與林區(qū)植被分區(qū)圖層完成空間疊加，進(jìn)而獲取被火災(zāi)損毀的森林植被分布，獲取不同類(lèi)別實(shí)際損失具體面積，通過(guò)計(jì)算獲取相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。災(zāi)后評(píng)估系統(tǒng)可對(duì)引發(fā)火災(zāi)原因、背景做好調(diào)查和管理，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)不同林業(yè)危害實(shí)際狀況做好數(shù)據(jù)收集。結(jié)合此類(lèi)災(zāi)后信息可為相關(guān)部門(mén)提供森林整體規(guī)劃策略，地理信息系統(tǒng)技術(shù)用于災(zāi)后管理中，可充分發(fā)揮定位系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)獲取受火災(zāi)危害的森林片區(qū)，且通過(guò)信息化技術(shù)，對(duì)該區(qū)域內(nèi)完成精準(zhǔn)性火災(zāi)編碼，有助于相關(guān)部門(mén)的查詢和后續(xù)對(duì)該區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)防火[5]。

4 項(xiàng)目實(shí)踐案例分析

4.1 項(xiàng)目地實(shí)際概況分析

該研究區(qū)域主要位于大渡河中游，其海拔處于550～4021m，當(dāng)下該區(qū)域內(nèi)森林覆蓋率為45.3%，人均占有林地為0.2hm2，低于該省平均水平；大部分有林地為自然更新的冷杉、闊葉雜木林和少量云杉、落葉松等，以經(jīng)濟(jì)價(jià)值較低和材質(zhì)較差的樹(shù)種占優(yōu)勢(shì)，其中中幼齡林超過(guò)90%，平均公頃活立木蓄積量不超過(guò)36m3。該縣城年平均氣溫為17.9℃，無(wú)霜期300d，日照時(shí)常為1475.8h，年活動(dòng)積溫為5844.7℃，年均降雨量為741.8mm。

4.2 地理信息系統(tǒng)技術(shù)實(shí)踐

通過(guò)利用信息系統(tǒng)技術(shù)，可將該區(qū)域內(nèi)相關(guān)圖層屬性數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以此精準(zhǔn)性劃分火險(xiǎn)等級(jí)，其主要取決于公頃蓄積量，該數(shù)值較大的區(qū)域內(nèi)植被較多，起火后易快速蔓延，引發(fā)大面積火災(zāi)，火險(xiǎn)等級(jí)較高。結(jié)合該研究區(qū)域內(nèi)實(shí)際狀況，將其劃分為三個(gè)火險(xiǎn)區(qū)，即Ⅰ級(jí)火險(xiǎn)區(qū)，實(shí)際總面積為8651.8hm2，Ⅱ級(jí)火險(xiǎn)區(qū)實(shí)際總面積為17341.82hn2，Ⅲ級(jí)火險(xiǎn)區(qū)，其實(shí)際總面積為80862.36hn2；該研究區(qū)域內(nèi)受地形、地質(zhì)、氣象等因素的影響，水土流失較為嚴(yán)重，其處于冬春季節(jié)森林發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)較高，可結(jié)合火險(xiǎn)等級(jí)劃分結(jié)果與各項(xiàng)因子相結(jié)合便可預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)火災(zāi)發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)，闊葉林和混交林場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高；高強(qiáng)度的火災(zāi)可將土壤化學(xué)、物理性質(zhì)損傷，降低土壤自身保水性，促使地下水位升高，不利于森林更新。該研究區(qū)域內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后，可充分利用計(jì)算機(jī)軟件，發(fā)揮地理信息系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)計(jì)計(jì)算損失林地面積以及建筑受損狀況，為災(zāi)后恢復(fù)工作提供參考。

5 結(jié)語(yǔ)

地理信息內(nèi)部涵蓋多個(gè)信息技術(shù)手段，可從圖像、定位、數(shù)據(jù)管理等方面對(duì)森林防火工作進(jìn)行高效化管控，提高整個(gè)防火工作效率及質(zhì)量。地理信息系統(tǒng)技術(shù)憑借自身優(yōu)勢(shì)，用于森林防火工作中，可精準(zhǔn)估測(cè)監(jiān)測(cè)火勢(shì)及其具體位置，并對(duì)其產(chǎn)生的損失統(tǒng)計(jì)，為防火決策制定提供現(xiàn)代化支撐，減少森林火災(zāi)的發(fā)生。