GIS在森林防火中的應用現(xiàn)狀

姚芃甫, 金 日

(延邊大學, 吉林 延邊 133002)

森林火災是一種突發(fā)性強、破壞性大、處理困難的自然災害。森林火災的常見原因有閃電、人為疏忽或故意縱火、火山爆發(fā)等。張曉等通過對2012—2020年安徽省森林火災發(fā)生規(guī)律進行研究,發(fā)現(xiàn)其主要受社會經濟因素控制,植被、氣候等地理因素的影響相對有限[1]。近年來大規(guī)模的森林火災頻發(fā),并嚴重影響著生態(tài)環(huán)境和人類社會的穩(wěn)定。我國“十四五”規(guī)劃中明確提出將推進森林草原火災消防科技創(chuàng)新作為重點任務。GIS作為一種用于輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機系統(tǒng),能夠對森林和周圍環(huán)境進行精確的空間分析和地圖制作,從而幫助森林管理人員更好地了解和掌握森林的地理信息,預測火災風險和燃燒概率,提前采取預防和響應措施,及時防止森林火災的發(fā)生。因此,GIS在森林防火中具有極其廣闊的應用前景。

1 GIS在森林防火中的應用

1.1 火災監(jiān)測與預測

受限于復雜的地形與起火點的突發(fā)性,森林火災通常難以被及時監(jiān)測,一旦發(fā)生火災,火勢極易迅速蔓延。統(tǒng)計數據顯示,全球每年平均發(fā)生火災22萬起,造成至少600萬hm2森林被燒毀[2]。目前我國森林火災監(jiān)測有多種方式,如衛(wèi)星、航空(包括固定翼、無人機等)、瞭望塔(包括人工瞭望、視頻監(jiān)控)、地面巡護(護林員巡護、巡護員巡護),天地空一體化已初步形成,但由于技術有限,往往難以準確了解火災信息。GIS在森林火災監(jiān)測中可以與上述多種監(jiān)測方式互相結合應用,提高監(jiān)測數據的準確性和綜合分析能力。例如,在衛(wèi)星監(jiān)測過程中,GIS可以結合衛(wèi)星遙感數據,通過對衛(wèi)星圖像進行分析處理,快速發(fā)現(xiàn)火災跡象,并進行火災范圍的測算和熱點監(jiān)測;在航空監(jiān)測過程中,GIS可以利用航拍無人機、固定翼等航空設備獲取的高精度數據,對數據進行處理和分析,實現(xiàn)三維可視化、熱點分析和模擬演練等功能;在瞭望塔監(jiān)測過程中,可以結合瞭望塔監(jiān)測技術,將采集的數據信息與GIS中的地圖、路網等相結合,實現(xiàn)對火災位置、火災范圍、火災遷移等信息的實時監(jiān)測和分析;在地面巡護過程中,地面巡護人員可以通過GIS對采集的數據信息進行處理和分析,實現(xiàn)對森林環(huán)境和火險情況的監(jiān)測和評估,指導防火決策和資源調配。

1.2 火災風險評估

森林火災的發(fā)生與許多因素有關,如氣候、季節(jié)、植被類型、人類活動等,是一個復雜的系統(tǒng)科學問題。在特定區(qū)域中,森林火災的發(fā)生通常是多種影響因素共同作用的結果。了解區(qū)域森林火災時空分布特征是對其進行風險研究的基礎[3]。通過對吉林省1969—2013年發(fā)生的6 519起森林火災進行分析研究,發(fā)現(xiàn)林火面積與火災頻率的時空分布存在明顯的年、月、地區(qū)差異[4]。為了最大限度地減少森林火災的危害,必須對每個區(qū)域的火災進行空間分析,并因地制宜地制定相關政策。GIS可以結合地形、植被、氣象等因素,建立不同圖層,將空間信息與地理屬性相聯(lián)系,從而分析評估森林火災的風險程度與發(fā)生概率,并生成火災易感性地圖,為預防火災提供科學依據。與此同時,通過將地理信息數據與統(tǒng)計模型相結合,可以更加精準地預測火災發(fā)生的時間和地點[5]。杜春英等通過結合GIS、SPSS、Matlab相關技術,對黑龍江省大興安嶺地區(qū)的雷暴、植被、海拔、地形等地理因素與雷擊火的關系進行了定量分析,并得出該地區(qū)雷擊火事件發(fā)生的時空演變規(guī)律[6]。“全國自然災害綜合風險普查”(2020—2022年)是建國以來首次在全國范圍內大規(guī)模、系統(tǒng)性組織開展的森林和草原火災風險普查活動,取得了極其顯著的成效。GIS因其卓越的數據處理能力,在數據管理、數據分析、決策支持等方面為此次普查工作做出了巨大貢獻,如構建分植被區(qū)域、分類型的可燃物模型庫和分析野外火源分布情況及減災能力等,極大提高了火災風險評估水平。

1.3 火災現(xiàn)場響應

森林火災是全球森林生態(tài)系統(tǒng)中不可避免、不可或缺的生態(tài)干擾行為。在森林火災發(fā)生時,消防資源的調配工作非常重要,消防隊伍的及時選派與行進路線的確定是滅火的關鍵。但在滅火過程中導致的人員傷亡是我國目前所面臨的重要問題,1988—2018年間,森林火災救援過程中死亡人數為4 418人,在2019年和2020年四川省春季森林火災救援行動中,分別有31名和19名消防員犧牲[7]。韓煥金等人的研究表明,火災救援中人員傷亡受到惡劣的林火環(huán)境與指揮不當等因素的影響[8]。因此,通過技術手段降低人員傷亡是火災救援行動未來發(fā)展的必然趨勢。當森林火災發(fā)生時,GIS通過實時顯示火場邊界、火勢、風向等數據,可以幫助指揮人員更好地掌握火場情況,快速定位火點位置,指導滅火作戰(zhàn),及時調度消防力量和資源,有效地進行滅火工作。與此同時,ArcGIS軟件能基于內置數據庫Geo-Database構建森林火災撲救網絡數據庫,綜合考慮火場的地形、水系、資源等因素,將最短路徑問題與成本路徑分析相結合,規(guī)劃出最優(yōu)的救援路徑,為救援人員提供最安全、便捷的行進路線,最大程度減少火災造成的人員傷亡與經濟損失。

1.4 火災后評估

森林火災的發(fā)生會極大影響森林生態(tài)系統(tǒng)中的群落演替,火燒跡地植被的生長與恢復受到太陽輻射、水文條件、土壤養(yǎng)分及其他因素的影響,精準評估火災發(fā)生后植被恢復狀況對森林管理與物種多樣性保護具有重要意義[9]。遙感技術為獲取火災后恢復動態(tài)的大規(guī)模觀測結果提供了一種可行性高且成本較低的解決辦法。GIS可以對火場進行測繪,生成火災后的植被覆蓋情況、地形變化等圖層,并與火前圖層進行比對,評估火災的影響范圍和程度,為恢復重建提供科學依據。張玉紅等將地理信息技術與生態(tài)模型相結合,對1988—2013年黑龍江省大興安嶺地區(qū)的火災后森林恢復情況進行模擬與遙感估算,解決了傳統(tǒng)定點估算凈初級生產力數值的局限性與長期性等問題,實現(xiàn)了大尺度的災后森林生態(tài)監(jiān)測[10]。Rebecca等利用地理信息系統(tǒng)強大的數據采集和圖像處理能力,創(chuàng)新提出了一種火災后生態(tài)恢復衛(wèi)星圖像監(jiān)控方法——火災后穩(wěn)定指數,并且證明了其較好的性能與適用性,借助該方法可以較大提升目前我們對森林火災發(fā)生后恢復動態(tài)的理解[11]。此外,GIS可以利用圖像分類、歸一化燃燒指數等方法,對森林火災后的受災范圍和損失程度進行評估和分析,為災后恢復提供參考。

2 GIS在森林防火應用中存在的問題及對策

GIS系統(tǒng)在森林防火中的應用已經成為一種有效手段,可以幫助管理者實時掌握森林火情和預測火勢,從而指導防火決策。然而,這種技術在應用過程中也存在一些問題,例如數據質量的問題、依賴技術人員的問題、系統(tǒng)的安全問題等。為了解決這些問題,需要采取一系列的措施。

2.1 數據來源不全面

數據來源不全面是指缺乏關于影響森林火災發(fā)生和蔓延關鍵變量的全面而準確的數據,如天氣條件、地形和人類活動等,這將嚴重影響GIS對森林火災進行建模和預測的精準度。對此,可以通過使用衛(wèi)星圖像等遙感數據填補有關森林覆蓋、地形等數據空白,為GIS提供全面的地理數據。與此同時,可以對地面?zhèn)鞲衅?、氣象站等多個來源的數據進行整合,創(chuàng)建更全面的數據集。此外,機器學習算法和其他數據分析工具也可以根據現(xiàn)有數據推斷出缺失數據。例如,若某地區(qū)天氣數據缺失,可通過使用附近地區(qū)天氣的歷史數據訓練機器學習算法,對缺失數據進行預測。

2.2 缺乏實時監(jiān)控

GIS在森林防火中通常使用靜態(tài)或半靜態(tài)的地圖數據,更新周期較長,不能提供實時監(jiān)測信息,但火災發(fā)生時常常伴隨著復雜的地形、氣候條件、人類活動的變化,這將直接導致突發(fā)森林火災時消防人員無法通過最新數據快速進行反應和調整滅火策略。為解決此問題,可以考慮引入無人機、衛(wèi)星遙感等實時監(jiān)測技術對森林火情實時收集,并將這些技術與GIS結合使用,及時更新數據。此外,在森林火災風險較高地區(qū)可以建立滅火指揮中心,集中管理和分析地圖數據以及實時監(jiān)測信息,為消防人員提供實時的火情信息,并及時將最新數據導入GIS以制定滅火計劃。

2.3 高度依賴人力資源

在GIS的應用過程中,數據收集、輸入和處理數據、設置參數等過程都需要專業(yè)技術人員進行操作,并且培養(yǎng)經驗豐富的GIS操作人員需要耗費大量時間和精力,這也直接導致了GIS的應用成本較高,難以迅速普及。為此,引入自動化數據收集和處理技術尤為重要,利用人工智能、機器學習等技術可以有效降低GIS技術對人力資源的依賴性。此外,開發(fā)易于使用的GIS軟件,降低使用難度,可促進GIS在森林防火中的推廣普及。

2.4 系統(tǒng)安全問題

在GIS的應用過程中,大量的數據需要被收集、存儲、傳輸和處理。這些數據包括火災發(fā)生的地理位置、時間、火勢大小等關鍵信息。如果這些數據被黑客攻擊或泄露,將會對森林防火工作造成極大的威脅。但GIS在森林防火中應用的安全問題是一個復雜的問題,主要涉及到數據安全、系統(tǒng)安全和用戶安全等多個方面。如果這些問題不能得到有效解決,將會對森林防火工作造成嚴重影響。為此,需要建立完善的安全管理機制,包括數據的備份、加密、權限控制等,并采取系統(tǒng)的備份、加固、監(jiān)控等措施,與此同時,對系統(tǒng)進行定期安全檢查和漏洞掃描,防止系統(tǒng)遭到破壞。此外,還需要建立完善的用戶安全管理機制,包括對用戶進行身份認證、權限控制、訪問控制等,防止用戶權限濫用和賬戶被盜用。最后,需建立緊急響應機制,及時發(fā)現(xiàn)和應對安全事件,在系統(tǒng)遭受攻擊或數據泄露時,采取緊急措施,限制安全事件的影響范圍,并盡快恢復系統(tǒng)正常運行。

3 GIS在森林防火中的應用前景

目前,GIS在森林防火中應用廣泛,包括火險評估、火災監(jiān)測、火災響應和災后評估等方面。未來,隨著技術的不斷發(fā)展,GIS在森林防火中的應用還會不斷拓展和深化,以下是一些未來可能的發(fā)展方向。

3.1 無人機輔助監(jiān)測

隨著無人機技術的不斷成熟,可以利用無人機進行森林防火的監(jiān)測和探測。無人機可以搭載高分辨率攝像頭和紅外傳感器等設備,對火災點進行實時監(jiān)測和數據采集,為防火工作提供更加準確的數據支持。

3.2 多源數據融合分析

可以將多種數據源進行融合分析,如遙感數據、地理信息數據、氣象數據等,通過機器學習等算法,建立更加精確的火險評估和預測模型,提高火災預警和防范的準確性和及時性。

3.3 人工智能輔助決策

可以利用人工智能技術,對火災預警和響應進行智能化處理,如利用機器學習算法對歷史火災數據進行分析,預測未來可能發(fā)生的火災,為防火決策提供科學依據和決策支持。

3.4 3D可視化和虛擬現(xiàn)實技術

可以利用3D可視化和虛擬現(xiàn)實技術,建立森林防火模擬場景,模擬火災的擴散和響應過程,為防火決策提供更加直觀的決策支持。

3.5 區(qū)域協(xié)同防火管理

可以通過GIS技術建立森林防火的區(qū)域協(xié)同管理平臺,實現(xiàn)不同部門、不同區(qū)域之間的數據共享和協(xié)同工作,提高森林防火的管理效率和水平。

4 結語

森林火災由于其特有的危害性,一旦發(fā)生就會對生態(tài)環(huán)境和社會經濟造成較嚴重影響,因此,預防工作是重中之重。GIS技術在森林防火中的應用有助于系統(tǒng)而有效地做好森林防火綜合治理工作,并且目前已經逐步成熟,極大提高了森林防火的效率和精度[12]。通過GIS技術,可以精確地分析森林的地形、植被、氣象等因素,提高預測和監(jiān)測森林火災的能力,實現(xiàn)對火場的精確定位和火情的快速響應,從而減少火災發(fā)生的可能性,降低火災對生態(tài)環(huán)境的破壞和對經濟的影響。此外,GIS還能提高森林資源的管理效率,實現(xiàn)森林資源的可持續(xù)利用,促進森林生態(tài)和經濟效益的協(xié)同發(fā)展。