基于GIS的西天山自然保護區(qū)森林防火微波監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：依據(jù)GIS平臺，利用Arcgis系統(tǒng)，結(jié)合空間分析原理，以西天山自然保護區(qū)數(shù)據(jù)為材料，對其森林防火微波監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)置進行分析描述。得出其最佳視頻監(jiān)控點位置和可視域范圍，為有效監(jiān)控森林火災(zāi)提供了依據(jù)和決策基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 西天山 森林防火 可視域 DEM 監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：P951文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）04（a）-0-02

森林火災(zāi)作為一種突發(fā)性強、破壞性大、處置救助困難的自然災(zāi)害，已成為各國應(yīng)急管理工作的重要領(lǐng)域[1]。森林火災(zāi)是世界性的林業(yè)重要災(zāi)害之一，隨著中國造林事業(yè)的不斷發(fā)展，防火工作成為首要任務(wù)。森林防火必須有效、快速地發(fā)現(xiàn)火災(zāi)火情，“預(yù)防為主，積極補救”，早發(fā)現(xiàn)，早解決。為此，基于有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于森林防火監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域。

國內(nèi)采用的監(jiān)測方法：①地面巡護，主要任務(wù)是向群眾宣傳，控制人為火源，深入監(jiān)控點觀測的死角進行巡邏。對來往人員及車輛，野外生產(chǎn)和生活用火進行檢查和監(jiān)督。存在的不足是巡護面積小、視野狹窄、確定著火位置時，常因地形地勢崎嶇、森林茂密而出現(xiàn)較大誤差；在交通不便、人煙稀少的偏遠山區(qū)，無法進行地面巡護，需用各種交通工具費用及人員工資費用，只能用視頻監(jiān)測方法來彌補。②監(jiān)控點監(jiān)測，是通過監(jiān)控點來觀測林火的發(fā)生，確定火災(zāi)發(fā)生的地點，報告火情，它的優(yōu)點是覆蓋面較大、效果較好。存在的不足：是無生活條件的偏遠林區(qū)不能設(shè)監(jiān)控點；它的觀察效果受地形地勢的限制，覆蓋面小，有死角和空白，觀察不到，對煙霧濃重的較大面積的火場、余火及地下火無法觀察；雷電天氣無法上塔觀察；監(jiān)控是一種依靠監(jiān)控員的經(jīng)驗來觀測的方法，準(zhǔn)確率低，誤差大。另外監(jiān)控員人身安全受雷電、野生動物、森林腦炎等的威脅。③航空巡護是利用巡護飛機進行林火的探測。它的優(yōu)點是巡護視野寬、機動性大、速度快，同時對火場周圍及火勢發(fā)展能做到全面觀察，可及時采取有效措施，但也存在著不足：夜間、大風(fēng)天氣、陰天能見度較低時難以起飛，同時巡視受航線、時間的限制，而且觀察范圍小，只能一天一次對某一林區(qū)進行觀察，如錯過觀察時機，當(dāng)日的森林火災(zāi)也觀察不到，容易釀成大災(zāi)，固定飛行費用2000元/h，成本高，租用飛機費用昂貴，飛行費用嚴(yán)重不足。④衛(wèi)星遙感，利用極軌氣象衛(wèi)星、陸地資源衛(wèi)星、地球靜止衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星探測林火。能夠發(fā)現(xiàn)熱點，監(jiān)測火場蔓延的情況、及時提供火場信息，用遙感手段制作森林火險預(yù)報，用衛(wèi)星數(shù)字資料估算過火面積。它探測范圍廣、搜集數(shù)據(jù)快、能得到連續(xù)性資料，反映火的動態(tài)變化，而且收集資料不受地形條件的影響，影像真切。存在的不足：準(zhǔn)確率低，需要地面花費大量的人力、物力、財力進行核實，尤其是交通不便的地方，火情核實十分重要。

“森林防火微波監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)”可以實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、實時的監(jiān)控林火情況，配合林政管理、生態(tài)建設(shè)管理及林業(yè)活動等功能實現(xiàn)各種管理。西天自然保護區(qū)面積較大，需要監(jiān)測的范圍廣，交通不便，通信條件落后。采用人工巡護監(jiān)測森林火情十分困難。一旦火災(zāi)發(fā)生，易貽誤火情。因此建立防火微波監(jiān)測系統(tǒng)，通過不斷傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的野外監(jiān)測圖像，能夠及時發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確掌握火災(zāi)發(fā)生的時間、地點、災(zāi)情及火災(zāi)曼延情況，為及時組織撲救和制定有效的撲救措施提供可靠的依據(jù)，從而降低火災(zāi)隱患。

1 研究區(qū)概況與研究資料

1.1 研究區(qū)概況

西天山國家級自然保護區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州鞏留縣東部，坐落在中天山西段，天山西部林區(qū)的中心位置。東鄰鞏留林場大吉爾格郎營林區(qū)，西靠鞏留林場大莫合營林區(qū)，北隔大吉爾格郎河與新源縣相望，南依那拉提山脈分水嶺與和靜縣相鄰，地理坐標(biāo)：北緯43 °03′～43 °15′東經(jīng)82 °04′～83 °46′，面積31217 hm2。西天山自然保護區(qū)位于天山北坡，是天山地區(qū)降水量最豐富的地段，由于地勢較高，受到北冰洋氣團的影響。保護區(qū)位于中亞和亞洲中部的過渡地帶，其谷地地勢向西傾斜而開闊，有來自西部的暖濕氣流從伊犁河谷西段至中亞的缺口處進入，受到高山阻擋形成豐富的降水。西天山國家級自然保護區(qū)位于中天山西段，坐落在中天山南支脈東西走向的那拉提山系北坡，南、北、東三面高山環(huán)繞，形成一個喇叭口，西面開闊而地勢低，東面狹窄而地勢高。保護區(qū)內(nèi)地勢險峻，坡度陡峭，群峰林立，總趨勢南高北低，區(qū)內(nèi)群峰大部分在海拔3000～3700 m之間，3600 m以上常年被冰川、積雪覆蓋。最高海拔4100 m，最低海拔1100 m?？芍^高巖深壑，是宏偉多姿，巍峨疊翠的山形地貌特征。

1.2 研究資料

本研究使用的遙感數(shù)據(jù)為ETM衛(wèi)星影像圖，分辨率為30 m，成像期為2010年6月21日，研究區(qū)DEM，衛(wèi)星影像對應(yīng)的地面位置為西天山一帶。全要素數(shù)字地形圖數(shù)據(jù)。包括河流、水系、道路、建筑物、居民地、高程點、等高線、社會經(jīng)濟、標(biāo)注等數(shù)據(jù)層。

林相圖。提供森林資源分布和可燃物類型分布。屬性數(shù)據(jù)。

望臺數(shù)據(jù)、撲火隊伍、救火設(shè)施、防火隔離帶。

2 建模與分析

2.1 可視域建模

可視域建模，由于是建立在對圖層數(shù)據(jù)的操作上的，又稱為地圖建模（CartographicModeling）[2]。它是通過組合空間分析命令操作以回答有關(guān)空間現(xiàn)象問題的過程，更形式化一些的定義是通過作用于原始數(shù)據(jù)和派生數(shù)據(jù)的一組順序的、交互的空間分析操作命令，對一個空間決策過程進行的模擬 [3]。

在Arcgis中利用研究區(qū)DEM，具體操作如下：

選擇3D分析中的視場工具（viewshed）；

選擇計算表面（Input surface）；

設(shè)定觀察點；

設(shè)定高程變換系數(shù)；

指定輸出柵格單元大小；

指定輸出文件名稱。

白色區(qū)域表示不可見區(qū)域，灰色為可見區(qū)域。

2.2 數(shù)據(jù)分析

建設(shè)防火微波監(jiān)控點5處，使用30 mDEM，通過比高分析在保護區(qū)提取了35個地勢較高的山脊進行影像判讀，解析；結(jié)合現(xiàn)地考察，確定了10個地勢較高、視域開闊、交通便利的監(jiān)控站位置；基于Arcgis系統(tǒng)創(chuàng)建可視域范圍；依據(jù)有利于觀測、以整個林區(qū)為單位、在一個監(jiān)控網(wǎng)內(nèi)、適當(dāng)考慮方便生活[4]的原則。最終確定5個監(jiān)控點，其地理坐標(biāo)如表1所示。

其中1號點高程為1758 m，可視域面積為2092.06 hm2，占森林資源面積的15.6271%；

2號點高程為1855 m，可視面積為1946.761 hm2，占森林資源面積的14.81%；

3號點高程為1797 m，可視域面積為1442.11 hm2，占森林資源面積的10.77%；

4號點高程為1277 m，可視域面積為1813.97 hm2，占森林資源面積的13.55%；

5號點高程為1415 m，可視域面積90.06 hm2，占森林資源總面積的0.67%。

5個點總可視域范圍如圖1所示。

5個監(jiān)控點總可視域面積為4936.202 hm2，占森林資源面積的36.87%，共包含了11個林班，479個小班。由于研究區(qū)地形復(fù)雜，多山地溝壑，森林植被覆蓋度大，可視域范圍雖沒有達到研究區(qū)總面積的60%，已經(jīng)得到的監(jiān)控范圍已達到研究區(qū)森林密度較大區(qū)域的監(jiān)控要求，可行。

3 結(jié)語

森林火災(zāi)具有突發(fā)性強、危害性大、處置難度高的特點。一旦發(fā)生森林火災(zāi)，長時間培育的林木將會瞬間化為烏有，會給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失。因此，森林防火成為保護森林資源的重要

環(huán)節(jié)[5]。

在GIS中，數(shù)字高程模型（DEM）常常選用格網(wǎng)模型來描述地形，便于對地形進行各種分析操作。結(jié)合ArcGIS平臺的可視域分析工具，能夠利用DEM從一個或多個觀察點，分析找到研究區(qū)域的可視域范圍，并輸出可視域圖，為森林防火微波監(jiān)控系統(tǒng)提供決策性依據(jù)，能夠及時發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確掌握火災(zāi)發(fā)生的時間、地點、災(zāi)情及火災(zāi)曼延情況，為及時組織撲救和制定有效的撲救措施提供可靠的依據(jù)，從而降低火災(zāi)隱患。

參考文獻

[1]朱學(xué)芳，朱明，朱光.基于數(shù)字圖像信息技術(shù)的林火預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].情報科學(xué)，2012，30（2）：302-305.

[2]Michael Zeiler.Modeling_our_World[M].Environmental Sys-tems Research Institute，Inc.1999：39-50.

[3]王佳，張貴，肖化順.ArcGIS可視域分析在瞭望臺管理中的應(yīng)用[J].湖南林業(yè)科技，2005，32（2）：24-26.

[4]熊惠.瞭望臺的選址原則和方法[J].甘肅林業(yè)科技，1994（2）：47-48.

[5]吳幸城.談國有林場目前森林防火存在的問題與對策[J].吉林農(nóng)業(yè)，2013，301（4）：221.