三維森林資源管理與防火應急指揮系統設計與實現
——以國家級昆明經濟技術開發區為例

洪濤,陳克偉,張志堅

(昆明市測繪研究院,云南昆明 650051)

三維森林資源管理與防火應急指揮系統設計與實現
——以國家級昆明經濟技術開發區為例

洪濤?,陳克偉,張志堅

(昆明市測繪研究院,云南昆明 650051)

隨著科技的不斷進步,目前使用三維可視化手段已經可以完美實現地形數據的三維展示和查詢、統計和分析等功能應用,為防火應急指揮提供科學決策依據。系統以Skyline為展示平臺進行二次開發,充分利用GIS在分析、查詢等方面的成熟技術,最終設計實現集森林資源管理與防火應急指揮為一體的系統,通過應用證明該系統性能穩定、先進、實用、可操作性強,達到了系統建設的預期目標,為今后在旅游展示、地籍管理、房產管理、智能交通等行業中的應用提供了寶貴的經驗。

森林資源;森林防火;應急指揮;系統建設

1 引 言

森林火災是危害森林資源的主要災害,防范和減少森林火災是林業工作的重要組成部分,是保護森林資源的重要措施[1～3]。但是,由于人們在社會活動中的某些失控和異常自然因素影響等原因,森林火災時有發生,對人類的生命財產、地球資源及生態環境造成了巨大的危害。當森林火災發生時,如何及時掌握火點周圍基本情況,采取科學有效的方法撲滅林火、減少損失,已成為當今國內外森林防火領域的一個重要研究熱點。本系統以Skyline為展示平臺進行二次開發,充分利用GIS在分析、查詢等方面的成熟技術,最終設計實現集森林資源管理與防火應急指揮為一體的系統。

2 系統目標

系統建設目標主要包括三點:

(1)制定符合昆明經濟技術開發區實際情況的森林資源與森林防火信息的標準與規范[4,5],包括信息采集標準、元數據標準、數據庫設計規范和數據檢索規范等。

(2)建立林業基礎信息平臺框架。在國家級昆明經濟技術開發區(以下簡稱:經開區)三維地理信息系統平臺基礎之上,增加林業專題數據,生成全區森林資源分布電子地圖。

(3)建立森林防火空間信息庫。在林業基礎信息平臺上,實現與森林防火各要素空間信息的連續;開發經開區三維森林資源管理與防火應急指揮系統,提高日常森林資源管理和撲火決策指揮效率。

3 現狀及存在問題

目前,經開區在林業專題數據、林業設施數據、撲火隊伍信息等數據管理方面還停留在對傳統的紙質數據管理程度,這些數據難以系統地保存、管理和維護;在防火預案制作方面僅依靠文字描述,無法實現直觀的展示預案內容;火災發生后現場撲救決策者根據現場火情憑借經驗進行撲救指揮工作,無法從全局對火災現場情況把握,決策指揮缺少科學的理論依據。因此,經開區在森林資源管理與防火應急指揮方面面臨著諸多亟待解決的問題:

(1)功能方面:要能滿足對森林資源的日常管理;將傳統的紙質防火預案運用標繪功能在系統中生動展示;根據突發火災現場情況,在系統中實時展現火場態勢及人員部署情況,并為撲救決策者提供輔助決策分析功能。

(2)數據種類繁多:針對不同類型的數據,采用不同的存儲方式,實現實時對這些數據的查詢、更新、管理等。

(3)確保數據安全:只有對林業數據資料整理、入庫并進行統一、安全地保存、管理、維護、共享和應用,才能滿足經開區的內部管理需要并可為社會提供服務。

4 解決思路

為了保證經開區在防火應急指揮中各項工作的順利進行以及今后經開區森林資源的建設、管理,有必要建立一個專業、科學、先進的森林資源管理系統,實時地對森林資源數據查詢、更新、管理等,為經開區的防火應急指揮提供全面、準確的數據。

隨著科技的不斷進步,目前使用三維可視化手段已經可以完美實現地形數據的三維展示和查詢、統計和分析等功能應用,為防火應急指揮提供科學決策依據。同時,在國內、省內都已經有建設森林資源管理和防火應急指揮系統的成功案例。

因此,我們提出建立基于三維可視化應用的國家級昆明經濟技術開發區三維森林資源管理與防火應急指揮系統平臺。

4.1 系統設計

在系統設計過程中,考慮到關鍵數據的安全保密性,本系統將由物理隔離的內、外網組成,防火預案管理、應急指揮管理、損失評估等構成的三維森林防火綜合管理系統部署在內網上;而主要提供天氣信息及防火等級的獲取方式的三維防火外網系統將部署在外網上。內、外網通信由電子報盤搭建橋梁,電子報盤只能在指定的兩臺工作站之間傳遞指定的數據。

三維防火外網系統功能結構圖,如圖1所示:

圖1 三維防火外網系統功能結構圖

三維森林防火綜合管理系統功能結構圖,如圖2所示:

圖2 三維森林防火綜合管理系統功能結構圖

結合經開區管委會已有的軟硬件資源和網絡資源以及用戶對系統響應需求、安全性及對系統的可擴展性、可維護性等方面綜合考慮,系統基于B/S模式,采用SOA架構,數據存儲采用機架式服務器加磁盤陣列的方式進行,服務器包括:應用服務器、數據庫服務器和備份服務器。同時配備了防火墻和企業版網絡防病毒軟件作為系統安全的保證。系統部署邏輯結構圖如圖3所示:

圖3 系統部署邏輯結構圖

4.2 系統結構設計

三維防火外網系統采用內嵌權威網站的網頁方式進行開發實現。

三維森林防火綜合管理系統在基礎軟硬件環境、數據庫系統的支撐之下,基于基礎二維和三維GIS平臺,進行二次開發,封裝出具備良好可擴展性的三維接口服務集,并在此基礎上不斷深化系統業務,開發出面向終端用戶的具有友好用戶界面的應用系統,很好完成了系統的建設。整個系統結構層次圖如圖4所示:

圖4 系統層次結構圖

三維森林防火綜合管理系統自下而上可劃分為5個層次,即基礎層、數據層、平臺層、服務層和應用層。

基礎層包括系統運行的操作系統、存儲系統、主機設備、服務器等軟件及硬件環境。

數據層采用SQLServer 2008作為數據庫管理系統,用于存放和管理各類空間數據和業務數據,為系統提供必要的數據支持。

平臺層主要是指系統搭建的基礎地理信息平臺,三維GIS平臺采用Skyline 6.1中文版、二維GIS數據管理平臺采用ArcSDE 10.0。

服務層通過三維接口服務集子系統、運維管理子系統和三維森林防火綜合管理系統接受來自應用層的服務請求,并提供相應的響應,同時在需要地圖服務和數據服務時,系統將調用二維和三維GIS平臺中相應的數據內容。

應用層是用戶向服務層發送請求服務,并接受系統響應。

5 系統功能實現

5.1 三維防火外網系統

該系統主要提供給用戶獲取經開區范圍內的各種氣象信息提供一種便捷的通道。通過外網系統,用戶只需要在瀏覽器中輸入系統地址,即可以實時從權威網站中獲取經開區范圍內的風力、風向、溫度、濕度等氣象信息;同時獲取經開區區域范圍內的高森林火險天氣警報、一周火險預報、火險氣象等級預報等信息,如圖5所示。

5.2 三維森林防火綜合管理系統

該系統主要用于對建設方林地資源進行有效管理,在管理好數據資源的基礎上,充分發揮數據資源的價值,利用各類數據資源進行森林防火預案的編制,為森林防火工作及應急指揮提供直觀方便的輔助決策方式,提高決策效率。

(1)基本功能

基本功能包括查詢定位、量測、分析、瀏覽方式、運維管理等。

系統提供了靈活、操作簡單的各種信息的查詢及定位方式,并提供多條件模糊查詢、緩沖區分析等查找感興趣的圖層數據信息內容。

提供多種量測方式,包括水平量測、空間量測、面積量測等,并對量測結果提供多種數據單位形式,例如:面積量測結果包括平方千米、公頃和畝。

分析功能包括等高線分析、坡度分析、視域分析、通視分析等,為展開撲救工作時查看地形信息和選址提供了決策保障。

瀏覽方式包括環繞飛行、前方瀏覽、后方瀏覽、放大、縮小等,方便用戶從各個角度對感興趣區域進行查看。

運維管理不僅包括對傳統系統中用戶的增、刪、改等操作,還包括對用戶的功能權限和數據權限的設置、查看、修改等,如圖6所示。

圖6 坐標快速定位和等高線分析

(2)防火預案管理

防火預案模擬是森林防火輔助決策的重要功能之一。系統實現了對各種可能性火災撲救情況的預先模擬,并針對這次可能性的火災(火災熱點)或者已經發生了的火災(著火點)地點、周邊環境因子、氣象因子以及專家數據庫中的撲救信息,輔助做出合理有效的科學撲救方案;并通過查詢分析功能獲取火點及其周圍的重要設施、危險設施設備、周圍可燃物的類型等重要信息,再根據周圍道路情況查找合適的消防隊,將火點位置、最短路徑等信息以彩信(圖片)、短信(文本)的方式實時發送給消防隊員或在前端參加戰斗的工作人員;通過系統的標繪功能,實現將火場情況及人員部署情況按撲救步驟進行標繪;系統還提供了對已經完成的各種預案的管理功能,如圖7所示。

圖7 防火預案管理

(3)應急指揮管理

應急指揮管理功能突出實時在三維場景中的輔助指揮能力。應急指揮功能可實時對火場情況和人員分布情況進行標繪,以某著火點為起始點,系統綜合風力風向因素、植被及可燃物、地形地貌、阻隔物等因子,通過先進的數學分析模型分別計算出所預先設定的時間段內的林火蔓延情況,如圖8所示;并可通過林火蔓延分析情況查詢周邊危險設備設施等信息;通過實時的風力、風向、溫度、濕度等分析火場所在地的森林火險等級,為撲救決策提供決策支持;最后通過標繪功能對現場撲救情況進行部署并實施。

圖8 林火蔓延分析

(4)損失評估

發生火災后,可通過多種方法獲得過火區域,例如:根據現場情況直接在地圖上進行勾畫出過火區域,或者使用GPS設備對過火區域的軌跡進行采集,并在地圖上準確生成對應的過火區域及其面積,再結合小班信息及林木的市場價格估算林地損失情況;并將此次火災中破壞或損壞的其他設施設備,如房屋、道路、橋梁等進行市場估價,最后初步估算得出此次森林火災的損失情況,同時該功能還可以應用于日常管理工作中的違法破壞占用林地資源的損失評估工作,如圖9所示。

圖9 火災損失計算

(5)林地資源管理

該功能主要解決林業數據資源的日常管理工作,包括對系統所涉及的各種林業數據及其對應的屬性數據的輸入、存儲、管理、維護和更新等工作,如圖10所示。

圖10 林地資源管理

5 結 語

系統采用先進的三維地理信息技術,實現了火點快速定位、輔助分析決策指揮、災后損失評估等功能,并將其部署于經開區管委會內部政務網中,使得林業管理業務在經開區管委會內部實現了透明化、公開化;并將傳統的紙質防火預案和紙質圖紙數據在三維系統中生動形象展示,同時實現了對數據內容的實時交互;在應急指揮方面為指揮者提供了強大的標繪功能和各種輔助決策功能。通過應用證明該系統性能穩定、先進、實用、可操作性強,達到了系統建設的預期目標,為今后在旅游展示、地籍管理、房產管理、智能交通等行業中的應用提供了寶貴的經驗。

為了使經開區森林防火工作能更上一個臺階,系統的下一步開發應著力研建實現林火自動監測、報告;實現對護林人員的實時定位和管理功能;建立與國家、省、市、縣間的信息聯網與互動指揮;并著力解決森林防火地理信息指揮系統、火災預測預報系統、森林防火信息管理系統等之間的信息共享與更新問題;應進一步開發以三維效果為主的顯示功能,提高系統的可視化程度,使森林防火指揮更加直觀[6]。

[1] 高顯連,王慶杰.防災/森林防火信息系統的主要技術[J].林業資源管理,2003,8(4):51～55.

[2] 江建生.湖北省森林防火指揮決策系統有關問題的探討[J].湖北林業科技,2003(4):33～35.

[3] 方永池,葉速輝,丘華衛.GPS技術在森林防火指揮無線通信指揮系統中的應用[J].森林防火,2003(4):33～36.

[4] 閻正.城市地理信息系統標準化指南[M].北京:科學出版社,1998.

[5] 方陸明.我國森林資源信息管理的發展[J].浙江林學院學報,2001,18(3):302～328.

[6] 梁九姝,王喚良.基于GIS的森林資源動態變化預測[J].森林工程,2007,23(6):6～7.

Three-dimensional Forest Resource Management and Fire Emergency Command System Design and Implementation——A Case Study In Kunming National Economic and Technological Development Zone

Hong Tao,Chen Kewei,Zhang Zhijian
(Kunming Surveying and Mapping Research Institute,Kunming 650051,China)

As technology advances,the current use of visualization tools have been able to achieve the perfect terrain data applications such as three-dimensional display functions and query,statistics and analysis,and provide scientific basis for decision making fire emergency command.Skyline showcase system for secondary development,make full use of GIS in the analysis,query and other mature technology,designed to achieve the ultimate collection of forest resource management and fire emergency command system as a whole,through the application prove that the system is stable performance,advanced,practical,workable,system construction to achieve the desired objectives for future application in tourism show,cadastral management,property management,intelligent transportation and other industries provide a valuable experience.

forest resources;forest fire;emergency command;system construction

1672-8262(2014)06-82-05

P208.2

B

2014—08—13

洪濤(1971—),女,高級工程師,主要從事城市測繪及地理信息系統的研究和應用工作。