基于多重約束的森林防火觀測塔選址系統

蔚永強

摘要：森林防火是林業資源管理中的一項重要工作。為了做到盡早發現火情、實時監測火勢，林業部門通常會在林區建設森林防火觀測塔，由此產生了觀測塔的選址問題。這個問題的難度在于，選址的結果要同時滿足成本、視域等多個約束條件的要求，不能有所偏廢。而約束條件中不僅有數學約束，還有空間約束，這更增加了問題的難度。傳統的觀測塔選址是人工選擇，不僅缺乏科學依據，而且很難全面平衡各個約束條件的要求。因此，林業部門急需一種能夠同時考慮多種約束條件的智能化觀測塔選址方法。

關鍵詞：地理信息系統;可視域;觀測塔;選址;數學規劃

1、項目介紹

1.1 項目背景

森林防火是林業資源管理中的一項重要工作。森林火災一旦發生，往往會造成難以估量的損失。想要降低森林火災造成的損失，關鍵是要做到早發現、早處理。為此，各國都十分重視林火監測技術。我國林火監測實踐中通常在林區建設不同規格的觀測塔（又稱瞭望塔），在塔上安裝長焦可視鏡頭或紅外探測儀監測森林火災的發生與發展。

1.2 應用場景

1.2.1 森林防火觀測塔選址的現狀

本系統最初構思與素材源自指導老師幾年前參與的廣州市森林防火信息化項目，廣州市森林防火指揮部門規劃在廣州帽峰山和白云山等地建設紅外觀測塔，以實時監測火點與火情發展。目前森林防火部門建觀測塔是人工選址，選址思路主要是首先依據地形起伏將所有山頂點作為建塔候選點，再結合地圖量算和傳統測量方法估算觀測塔的可視域范圍，最后通過比較主觀挑選組合得到建塔選址方案。

1.2.2 森林防火觀測塔選址的基本要求

1）有利于最大范圍的觀測。最大限度地擴大每個觀測塔的有效觀察范圍，不出現或盡量減少盲區，設置森林防火瞭望塔的目的是為觀察森林火情，確定火點方位，以利指揮撲救。因此， 觀測塔應建在能夠觀察到大面積林區的地方，四周應沒有妨礙觀察的山峰或其它障礙物，所以通常建塔候選點是山頂。

2）盡量降低建塔成本。由于建造觀測塔的成本不菲，在林區內建立多個觀測塔組成觀測網， 其建造總成本和生態保護成本十分高昂。因此就經濟效益而言，應盡量選取性價比最高的選址方案，即觀測塔有效可視域/建塔成本的盡可能高。

1.2.3 森林防火觀測塔選址的問題

森林防火觀測塔選址的問題關鍵點就變成了在GIS技術和DEM輔助下，考慮實際可視域范圍、林區全覆蓋、性價比最高等多種約束條件下，組合各建塔候選點，達到選址方案總成本最低、觀測效果最佳的目標。這對森林防火管理者而言，依賴于傳統經驗和直觀判斷顯然難以得到的最優選址方案。這個選址問題既具有實際可視域范圍、林區地表全覆蓋等空間約束，又具有單塔性價比最高、總成本最低等非空間約束，演變為多重約束條件下的復雜線性規劃求解問題。

1.3 研究目標

針對森林防火觀測塔選址的問題，本研究目標是應用GIS軟件開發和DEM三維分析方法，參考復雜線性規劃問題求解的思路，建立多重約束的觀測塔選址模型，設計開發基于多重約束的森林防火觀測塔選址系統，實現選址計算與分析的自動化、智能化，以及選址結果的三維可視化，提供性價比最高觀測效果更好的建塔選址方案更要地服務于森林防火工作。

2、解決思路與方法

2.1 問題分析與數學模型

根據森林防火觀測塔選址的問題分析與系統需求，觀測塔選址需要考慮的主要因素為實際有效可視域面積與建塔成本（即性價比），因此我們約定在滿足多重約束的條件下（其中以可視域全覆蓋林區作為第一約束條件），以項目總成本作為最終的目標函數，建立選址模型。

2.2候選點計算模型

考慮到山頂處受到的遮擋比較少，視野更開闊，觀測塔通常都建在山頂。出于系統性能和算法模型的要求，本系統對于森林防火觀測塔德選址的解決思路為根據林區DEM通常柵格領域分析計算提取出山頂點作為候選點。本系統提供一個林區DEM計算觀測塔候選點的功能，計算模型只包含一種固定的計算算法， 其步驟包含2步，1為初步候選點搜索， 2為候選點填充。

填充方法如下： （1）將上節中得到的山頂點集合計算出總視域之和。（2）判斷總視域之和能否覆蓋全視域， 如果能則退出計算，如果不能則將總區域范圍的DEM與總視域之和做減法運算， 得到總視域以外的高程DEM柵格（原本DEM中可視的區域此處變為NODATA）。（3）在（2）中得到的剩余DEM柵格中查找高程的最大值處，也就是最高的柵格點，并將此柵格轉化為點要素。（4）將（3）中得到的剩余范圍中的最高點，計算其視域，并將該視域與總視域柵格做并集處理，得到一個新的總視域。（5）跳到第（2）重新進行判斷。直到總視域全覆蓋區域范圍為止.

3、選址計算

我們設計了一種減量模型，它是一種逆向思維的方法，其基本思想是，將所有候選點的所有建塔情況按照性價比最優的規則排序（一個地點上一種建塔方案稱為一個備選塔），然后講這些所有備選塔按照從小到大的順序逐個提取出來，檢查它的可視域中，判斷該視域中是否存在只能被它所看到、不能被其他觀測塔所看到的區域。如果有，那么這個備選塔就要保留;如果沒有，則標明該備選塔的視域和其他的重疊了，刪除這個候選點。由于這個方法每次都刪除一個備選塔，所以稱其為減量模型。

結論：

森林防火觀測塔選址模型2010年初經廣州市森林防火有關部門試驗，認為模型比較貼近實際、計算結果具有較高的決策參考價值。這鼓舞了我們繼續努力，采用ArcGIS平臺將選址模型開發成可直接服務于森林防火部門的軟件工具，并最終于今年9月初步發布選址系統的第一版。實際建塔的成本可能除了與塔的規格（高塔或低塔）有關系，還與實際地形情況、交通條件等影響因子有關，可能每個塔的成本都不同，下一步建塔參數設置要更靈活實用。選址模型可以進一步擴展，系統還可應用于森林消防通信中繼站選址、3G移動通信基站選址等行業與領域。

參考文獻：

[1] 郭麗娜.2009.漠河縣林火可視域分析.哈爾濱師范大學自然科學學報，25（1）：98-100.