基于GIS二三維一體化的森林防火指揮管理系統建設研究

森林火災具有突發性強，破壞性大，處置救助極為困難等特點；森林火災不但造成了人民生命財產的巨大損失，而且也造成了巨大的生態損失；森林防火相關部門為撲救林火耗費了大量人力、物力和財力，森林火災對森林資源和生態環境的破壞所造成的損失難以估量。因此，建立科學、高效、先進的森林防火信息化管理系統，集實時監控、自動報警、指揮撲救、森林火災災后評估及防火信息管理于一體，解決森林火情發現不及時、信息不準確、撲火路徑不合理、信息化管理程度低等問題，將森林火災撲滅在萌芽階段，已成為森林防火工作的一項迫在眉睫、亟待解決的重大課題。

一、系統建設目標

森林防火信息化管理系統建成后，將提高火險等級的預測預警能力，確保森林防火的指揮暢通，提高森林防火預測的可靠性、火災撲救的可靠性和科學性、災后評估的快速準確性；同時可改善基礎設施，增強信息安全保障能力，提升資源共享和應用水平，實現森林防火監控預警電子化、數據信息化、決策科學化，為建設現代森林防火提供強大支撐。

二、系統的需求分析

（一）業務需求

本系統旨在對火災前期的預警、中期的處置、后期的分析的指揮管理工作進行開發，首先調用視頻監控結合三維地圖進行火災精準定位功能，實現火災前期的預警，其次在中期的火災處置業務方面，結合視頻監控、三維地圖，對火災發生時的撲救路線、火場范圍、地形地貌等信息進行綜合分析，按應急方案要求進行火災標準化指揮，把火災處置流程體現在指揮環節中。做到從火災的發現，發生時的處置指揮，火災結束后的總結分析，整體火災的處置及全部指揮過程記錄的一體化操作。

（二）功能需求

通過收集各方反饋意見，擬開發一套能夠調用視頻監控圖像，并補充火場精準定位、最優路徑規劃、物資檢索展示、態勢圖、火災回放等相關功能模塊；增加火災指揮、火情管理、規劃設計、數據管理、授權管理等功能的森林防火指揮管理系統。

（三）數據需求

森林防火涉及到的數據需求包括：衛星地面遙感數據、基礎地理信息數據、氣候氣象數據、森林資源林業基礎數據、森林火災現場視頻數據、森林火災歷史數據、防火機構人員設施數據、專家知識數據等。

三、系統的主要技術方案

系統利用網絡技術、空間數據技術、二三維一體化地理信息系統等先進技術，集監控預警、火場指揮處置、火情管理、規劃設計、森林防火資源等為一體，為森林防火和遠程指揮決策提供輔助信息。同時設計衛星地面接收站、指揮控制中心、視頻無線傳輸等硬件設備，是大型綜合集成的軟硬件系統。

系統采用 ArcGIS 系 列的 ArcInfo、ArcEditor、3D Analyst、ArcSDE、ArcIMS、ArcView、ArcObjects等軟件，構建三種混合運行模式，即技術和管理層面上的Client/Server體系結構，應用層面的Browser/Server體系結構和火場前指Client/Server一體化的單機運行模式，并形成數據服務層、GIS應用服務層和客戶端網絡資源層。

系統采用C/S與B/S結構相結合的方式、組件化的GIS軟件技術，便于模型嵌入信息系統，賦予其GIS可視化功能，采用分布式組織結構和WEBGIS技術，使應用系統的開發具有伸縮性、開放性、系列化和標準規范化的特征。在軟件集成方面，以GIS服務器為核心，安裝基于ArcInfo的森林防火地理信息系統軟件并裝載ArcSDE空間數據引擎，實現海量地理信息數據的數據庫管理。在技術和管理層面，通過基于ArcGIS的客戶端軟件與ArcSDE空間數據引擎之間建立TCP/IP連接，構成C/S體系架構。可實現在客戶端進行系統資源的檢索、查詢、編輯、制圖、統計、分析等數據管理工作。在應用層面，網絡客戶端通過HTTP協議構成B/S架構，用戶通過瀏覽器向ArcIMS提出請求，獲取ArcSDE中的空間數據進行查詢分析，將結果返回到相應的瀏覽器終端。在硬件集成方面，建立衛星地面接收站，利用GPS、視頻信息無線傳輸系統軟硬件設備，防火指揮中心的大屏幕以及網絡環境構建森林防火先進、高效、完善的硬件環境。

四、系統功能架構

森林防火信息化管理系統可實現自動報警和智能顯示火點位置、火場位置信息同步標會、指揮撲救方案制定、智能輔助決策、森林火災災后評估及歷史檔案查詢、統計和分析等功能，同時可實現省—市—縣多級管理層次的森林防火信息指揮系統的信息互換，圖像數據、流媒體數據、森林防火信息系統數據、地理信息系統數據的共享。

（一）森林防火基礎數據庫管理

根據森林防火的需求，森林防火基礎數據庫包括如下數據源：煙火視頻監控圖像、衛星遙感影像數據、基礎地理數據、氣候氣象數據、森林資源基礎數據、森林火災歷史數據、防火機構、人員及設施數據、森林火災現場視頻數據等。系統的基礎地理數據采集范圍為市所轄范圍。基礎數據庫管理子系統提供數據導入、管理、更新維護、查詢、統計報表輸出等功能。

（二）火情監控預警子系統

該系統與二三維一體化GIS掛接，實現基于GIS的視頻監控，在電子地圖模式下能夠在地圖上定位監控點，并能在地圖上直接點播監控點的實時圖像等功能。以GIS方式的操作使監控點監控、設置、報警聯動等操作更加形象化。

報警自動定位系統借助精密的GPS全球定位系統，及高清三維的GIS系統。當接到報警時，定位報警火點位置，同時彈出周邊監控點的圖像。操作者可以并通過三維智能定位功能快速定位，監看周邊場景，并在GIS系統里面嵌入指揮車的位置，以便統一協調指揮。同時，在電子地圖上劃定區域，系統自動標識該區域內的前端監控點，可直觀地調用監控點視頻。該子系統具有自定義搜索，能夠快速定位監控點，實現資源的高效利用。系統接收報警后，報警的地點能夠自動在地圖上突出顯示。

（三）指揮撲救子系統

接收到森林火災監測與自動報警子系統的火點自動報警信息后，進行火點定位、火勢發展行為預測，獲取火場蔓延趨勢圖，然后進行三維仿真模擬，在此基礎上結合二三維一體化地理信息系統，進行撲救方案的制定和最佳前進路線的規劃，并通過森林火災火場實時監控模塊指揮森林火災撲救。

1.火點定位

包括衛星遙感圖像火點定位、瞭望臺火點定位以及現場巡護森林防火定位。衛星遙感圖像火點定位是利用衛星遙感影像，經配準后，提取出火點中的經緯度，同時與行政區劃圖、森林小班數據疊加，可確定出火場的具體位置即所在的林場或行政村。瞭望臺火點定位是利用兩個瞭望臺的瞭望員提供的森林火災方位信息，采用前方交會方法可以計算出火點的具體位置。同時疊加行政區劃圖、森林小班數據即可確定出火場的具體位置，即所在的林場或行政村。現場巡護森林防火定位一是在重點監控區域或火險等級比較高的地區，給地面巡護人員配備手持GPS，一旦發生火災，即可將該地的經緯度數據或大地坐標數據和火災規模報告給指揮中心，疊加行政區劃圖、森林小班數據即可確定出火場的具體位置，即所在的林場或行政村。二是在非重點監控區，如無GPS，可以給指揮中心報告當地所在的行政位置（村、鄉、縣），利用模糊查詢的功能也可在系統中確定出火災發生地點。

2.森林火災行為預測

森林火災行為預測對撲火指揮決策十分重要。只有對未來火場做出較為正確的估計，才能合理地組織人力、物力，并采取恰當的措施進行撲救。森林火災的發生?發展是一個復雜的動態過程，涉及諸多的因素，既有自然因素，如可燃物分布、地形地貌、氣象等，又有社會因素。系統可通過多種數據為基礎計算預測火災蔓延的趨勢，依托實時的氣象信息和計算機數據傳輸網絡提供的各種碼值和數據來計算林火行為參數。

火勢蔓延趨勢的分析依據本地自然數據，包括本地的高程數據（DEM數據）、坡度數據、坡向數據以及可燃物指數因子數據，并結合天氣因子（當天當地的相對濕度、溫度、風向、風力、風速等）對火勢蔓延速度進行分析。完成上述參數設置后，可以在地圖上標會起火點或者起火區域進行火勢蔓延預測。支持動態分析和預測火勢蔓延的方向、火場面積、火場邊界、火勢蔓延速度等功能。同時，可實時動態估算當前過火面積和范圍的動態數據以及蔓延火勢對火燒地區的摧毀時間。

3.撲救方案制定

根據火災位置、規模、森林火災行為預測結果，基礎地理數據庫中的地形、交通、水系等數據，火災現場視頻數據、防火人員及設施數據，知識庫中的知識，自動制定出最佳滅火方案。包括撲救戰場確定、阻火隔離帶位置及兵力、機具配制、撲火戰場所需兵力及機具、以及撲火最佳路徑分析等。

4.最佳路徑分析

利用二三維一體化地理信息系統，使用經緯度結合DEM數據來計算兩點之間的地表距離，以一定距離間隔提取點高程以及經緯度坐標計算，轉換為直角坐標系坐標，用經緯度坐標計算地表上兩點間的距離。在GIS地理信息系統中標會火點發生實際位置，選擇最安全、最短路徑，并查看林火周邊的林火撲救隊伍、撲救設施，根據林火發生、發展的狀況調派隊伍和設施，使周邊資源得到最大化的利用，減少人員傷亡，降低物資損耗。

5.實時監控

森林火災實時監控涉及衛星地面接收系統、無線視頻傳輸與控制系統、大屏幕視頻轉換系統。利用森林防火信息系統對上述系統進行軟硬件集成，實現森林火災的實時監控。

指揮中心工作人員利用衛星影像和火災現場視頻信息，以及森林防火信息系統的輔助決策信息為參考，進行指揮調度，將指令通過無線設備傳到火災現場撲火指揮員，指揮森林火災撲救。同時，根據火災現場傳回的視頻圖像信息，及時調整森林火災撲救方案并反饋給火災現場撲火指揮員。

（四）森林火災災后評估子系統

森林火災災后評估子系統指對森林火災災害的規模及火災破壞損失程度的估測與評定。及時、準確和全面的進行森林火災災后評估，能使災害管理工作者正確掌握有關森林火災的背景，現場破壞情景和災害損失等個方面的信息。該子系統通過災情統計數據、森林防火基礎數據，結合適宜森林火災災后評估指標體系，運用計算機技術完成森林火災的災后評估。包括森林火災面積測定、經濟損失評估、抗災救災措施評估、減災效益評估測定、生態環境評估、森林火災歷史數據庫更新等功能。

森林火災災后評估子系統可為決策部門提供可選擇的輔助決策方案，制定恢復重建總體規劃和單項計劃的基礎，為即將開展的災后恢復和重建工作提供行動依據。亦可為研究林火災害積累歷史資料。

1.森林火災面積測定

一是用GPS測定森林火災過火面積。當火災過火面積較小時，利用GPS實地獲得火場周邊的地理坐標，工作人員利用通訊設備將坐標數據傳輸到系統數據庫，火災面積測定模塊從系統數據庫獲得坐標值后，生成封閉的多邊形，最終計算森林火災的過火總面積。二是用遙感圖像測定森林火災過火面積。火災過火面積大時，可通過對遙感衛星圖像的過火像元計算、求出面積，來評估火災過火面積。子系統從防火基礎數據庫中獲得該區域的災后遙感圖像，提取圖像信息確定森林火災過火區域，讀取該區域內的像元數，乘以該圖像的空間分辨率，得到過火總面積。

2.歷史林火災害數據庫更新

對結果數據庫中的災情統計數據進行整理，并對森林防火基礎數據庫中歷史災情數據庫更新，錄入本次林火災害的各項數據，為今后的森林火災預測預報，制定撲救方案，為減少森林火災以及森林防火工程的建設提供依據。

（五）森林火災信息服務功能

系統對外發布與森林防火有關的政策法規和森林防火相關知識，同時發布防火機構、人員及設施信息，火險天氣預報、森林火險等級預報、歷史林火災害信息、熱源點的監測情況和一些輔助決策信息。該子系統同時具有文本信息的查詢顯示功能。具體如：圖形信息的圖層選擇、圖形區域選擇，比例尺設定，圖形放大、縮小、漫游、查詢，以及其他交互功能：建立網上論壇功能；用戶權限及注冊管理等功能。

五、結論

該系統利用網絡技術、空間數據技術、二三維一體化地理信息系統等先進技術建立的森林防火預警之后指揮管理系統是數字林業的一個重要內容，是當前森林防火的主要發展趨勢，對林業可持續發展和森林多種效益的發揮具有重要的理論和實踐意義。系統建成后，可提高森林防火預測的可靠性、火災撲救的可靠性和科學性，災后評估的快速準確性。同時可為林業防火部門提供信息化解決手段，解決森林火災預警不及時，火情發現晚、周邊部門調配和救火路線規劃不合理、火場綜合指揮效果差等問題，對提升森林公安的執法的突擊性和效率有很大的幫助。