基于3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)研究

白雪 郭曉麗 許一銘 陳佳妮 杜志成 夏雪超

摘要：基于3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)主要將計(jì)算機(jī)、GPS、通信等技術(shù)集于一體應(yīng)用于現(xiàn)代森林防火中，為消防安全應(yīng)急指揮中提供準(zhǔn)確的火災(zāi)信息。由于我國(guó)森林火災(zāi)頻發(fā)，各界部門都開始重視。將3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)應(yīng)用于森林防火技術(shù)勢(shì)在必行，經(jīng)過(guò)研發(fā)人員的設(shè)計(jì)研究3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域熱門的研究方向，并且在業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：森林火災(zāi);防火;應(yīng)急指揮系統(tǒng);3DGIS

中圖分類號(hào)：S762.3? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2021）03-0048-02

森林是最重要的資源之一，我國(guó)森林資源十分缺乏，全國(guó)森林面積不超過(guò)1.5億，森林覆蓋率只有百分之十三，分布十分不均，人均占有森林面積也低于全球人均水平[1]。森林環(huán)境受到地形地勢(shì)和天氣的影響，很容易發(fā)生火災(zāi)，而且火災(zāi)蔓延迅速且很難控制。3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)將成為森林防火的主要力量。3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)能夠迅速準(zhǔn)確確定森林火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)、對(duì)火災(zāi)范圍進(jìn)行的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)，從減少不必要的時(shí)間，為消防工作人員提供更長(zhǎng)的撲救的時(shí)間[2]。目前我國(guó)3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)已基本全面應(yīng)用于森林防火指揮中心，且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)也已經(jīng)達(dá)到了一定的技術(shù)水平，并在不斷完善，可基本滿足應(yīng)急指揮的需求，模塊清晰，內(nèi)容豐富，界面互動(dòng)，視頻成像，方便使用，為指揮者決策者提供了可靠的信息，為森林火災(zāi)的預(yù)防及撲火提供可靠的平臺(tái)支持與技術(shù)保障。

一、森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)的發(fā)展

森林防火系統(tǒng)的發(fā)展有著很長(zhǎng)的歷史。近些年來(lái)，我國(guó)森林防火系統(tǒng)主要朝著事物自化網(wǎng)絡(luò)化，可視化和自動(dòng)化方向研究，取得了很大的進(jìn)步[3]。森林防火系統(tǒng)最先應(yīng)用于國(guó)外，開始的時(shí)候稱之為野外林火管理輔助決策系統(tǒng)。我國(guó)森林防火系統(tǒng)起步較晚，大興安嶺火災(zāi)發(fā)生后，我國(guó)逐漸建立了森林防火計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這標(biāo)志著我國(guó)森林防火系統(tǒng)正式走向自動(dòng)化。近些年來(lái)森林防火系統(tǒng)不斷升級(jí)引進(jìn)了3DGIS，其綜合應(yīng)用了全球定位系統(tǒng)，采用可視化的場(chǎng)景界面，并且錄入了地理信息。這套系統(tǒng)在操作過(guò)程中能夠精準(zhǔn)定位火點(diǎn)信息，并且具有可視化，還可以通過(guò)技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)走勢(shì)分析。相比于傳統(tǒng)的防火系統(tǒng)，它能更加精準(zhǔn)高效并且判斷相對(duì)縝密[4]。3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)運(yùn)用先進(jìn)的可視化技術(shù)、GPS定位技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)等，大大提升了我國(guó)森林防火的應(yīng)急能力。

二、基于3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)架構(gòu)分析

（一）系統(tǒng)需求分析

森林火災(zāi)發(fā)生的原因并不是單一的，而是一個(gè)多變復(fù)雜的過(guò)程。火災(zāi)的發(fā)生原因有很多，想要得到準(zhǔn)確的預(yù)警，就必須綜合利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)[5]。將系統(tǒng)內(nèi)融入數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，還有大量的地理位置信息。運(yùn)用三維的場(chǎng)景計(jì)算火災(zāi)蔓延的趨勢(shì)。通過(guò)系統(tǒng)的可視化，監(jiān)控火場(chǎng)內(nèi)的情況以及火場(chǎng)的面積，然后根據(jù)特點(diǎn)實(shí)施滅火部署。本著早發(fā)現(xiàn)早撲救的原則。因此3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)要具有實(shí)時(shí)性，可互動(dòng)，可視性。所以整個(gè)3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)要有足夠的數(shù)據(jù)進(jìn)行支持，首先需要的就是地形地貌數(shù)據(jù)。可以通過(guò)三維場(chǎng)景定制模型，在場(chǎng)景的基礎(chǔ)上添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)，做到真正的大規(guī)模可視化[6]。其次系統(tǒng)還應(yīng)該重視其交互性，指揮人員可以在地圖上進(jìn)行標(biāo)記和編輯，以便后期查詢工作。森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)也需不斷提高智能化水平，這依賴于三維場(chǎng)景中數(shù)據(jù)分析能力的優(yōu)化，及對(duì)數(shù)據(jù)信息整理的快速響應(yīng)能力的提升。

（二）系統(tǒng)的功能架構(gòu)分析

森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括以下幾個(gè)構(gòu)架：三維地形瀏覽圖層管理，火點(diǎn)定位，撲救路徑顯示，林火蔓延模擬，撲救資源查詢。其中三維地形瀏覽，包括可以放大和縮小的瀏覽，并且能對(duì)瀏覽進(jìn)行旋轉(zhuǎn);火點(diǎn)定位要求系統(tǒng)定位準(zhǔn)確詳細(xì)到經(jīng)緯度的查詢;火點(diǎn)定位包括經(jīng)緯度的查詢和地名的查詢;撲救路徑是系統(tǒng)根據(jù)所包含數(shù)據(jù)進(jìn)行快速分析，描繪出最佳路徑，并且指揮人員可以對(duì)路徑進(jìn)行修改;林火蔓延模擬器主要包含了面積預(yù)測(cè)和著火區(qū)域的顯示，他是通過(guò)系統(tǒng)做最精準(zhǔn)的模擬。撲救資源查詢包含地理資源查詢和隊(duì)伍分布查詢，地理資源查詢是可以借助外界環(huán)境對(duì)火災(zāi)地點(diǎn)進(jìn)行支援，隊(duì)伍分布查詢能有效防止隊(duì)伍失聯(lián)失控，保障救火隊(duì)伍安全性。

（三）系統(tǒng)體系架構(gòu)分析

首先整個(gè)森林防火系統(tǒng)是一個(gè)大的數(shù)據(jù)庫(kù)，引入3DGIS能夠有效地建立起三維模型，增加火災(zāi)環(huán)境的可視化程度[7]。3DGIS模型的建立需要大量的數(shù)據(jù)。如DEM數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)和XML文件。另一部分是三維數(shù)據(jù)引擎，它主要包含了地形地貌、飛行瀏覽、專題要素、GPS定位還有一些重要的標(biāo)號(hào)顯示。通過(guò)數(shù)據(jù)整理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。并且設(shè)定專門的編輯操作，提供可編輯區(qū)域。這就是整個(gè)3DGIS森林防火系統(tǒng)的架構(gòu)。

三、基于3DGIS森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

（一）主要功能及其實(shí)現(xiàn)

3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)主要功能是視頻聯(lián)網(wǎng)功能和視頻采集和存儲(chǔ)功能還有林火智能識(shí)別功能，并且3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)還能進(jìn)行繪圖工作、火點(diǎn)定位、火災(zāi)推測(cè)、撲救方案、對(duì)火災(zāi)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)等。

1.視頻聯(lián)網(wǎng)功能

3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)。在指揮器終極顯示屏上可以展現(xiàn)實(shí)時(shí)畫面。視頻聯(lián)網(wǎng)可以監(jiān)控起火地點(diǎn)以及起火發(fā)生的時(shí)間。聯(lián)網(wǎng)功能能自動(dòng)存儲(chǔ)日期，時(shí)間和歷史圖像。

2.視頻采集和存儲(chǔ)

這項(xiàng)功能是通過(guò)視頻轉(zhuǎn)化為數(shù)字進(jìn)行存儲(chǔ)。數(shù)字圖像可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸。一條視頻采集和存儲(chǔ)周期大概30天左右。通過(guò)在森林內(nèi)部設(shè)定林區(qū)監(jiān)控站有效地對(duì)整個(gè)林區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行圖像視頻的采集和存儲(chǔ)。

3.智能識(shí)別功能

3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)最主要的功能莫過(guò)于智能識(shí)別起火地點(diǎn)。智能化有利于盡早發(fā)現(xiàn)起火點(diǎn)。他比人類探測(cè)更加準(zhǔn)確迅速。系統(tǒng)檢測(cè)出起火地點(diǎn)，可以迅速拉響警報(bào)，提醒消防值班人員進(jìn)行探查。消防人員根據(jù)視頻顯示畫面，可以及時(shí)了解到森林火情與具體位置。

4.繪圖功能

消防管理工作人員可以通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行專題繪圖。專題繪圖主要包含了森林的資源，相應(yīng)的地形地貌，頻發(fā)起火點(diǎn)，以及防火力量和環(huán)境，社會(huì)資源。

5.GIS地圖

GIS地圖是三維地圖和二維地圖相結(jié)合的產(chǎn)物。它可以放大縮小旋轉(zhuǎn)地圖上的每個(gè)位置。并且支持鷹眼功能，可以將撲火指揮的過(guò)程轉(zhuǎn)換為視頻。并且圖層清晰，管理人員可以直觀地看到數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息。在地圖上可直觀清晰地明確起火點(diǎn)的地理位置、地理名稱以及起火范圍大小。

6.火災(zāi)推測(cè)

火災(zāi)推測(cè)主要是系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，通過(guò)地形地貌地勢(shì)與天氣環(huán)境進(jìn)行多方面數(shù)據(jù)分析，得出一個(gè)火災(zāi)蔓延。進(jìn)行三維模式的火情推演。為撲火滅火提供有效的數(shù)據(jù)支持。

7.火點(diǎn)定位

火點(diǎn)定位主要是通過(guò)智能的監(jiān)控設(shè)備對(duì)起火點(diǎn)的每個(gè)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。當(dāng)林區(qū)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)前端控制設(shè)備進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)。準(zhǔn)確定位起火的經(jīng)緯度，海拔高度，并結(jié)合GIS地圖進(jìn)行標(biāo)注。

8.撲救方案

3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)里的信息及數(shù)據(jù)制定最佳的撲救方案與撲救路線[8]。結(jié)合火災(zāi)的實(shí)際情況，可以迅速通知相關(guān)單位和人員進(jìn)行準(zhǔn)確的滅火。并及時(shí)補(bǔ)充滅火物資。運(yùn)用系統(tǒng)的智能化能夠縮短制定預(yù)案的時(shí)間，并且路線相對(duì)精準(zhǔn)。

9.火災(zāi)總結(jié)

系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)總結(jié)出此次火災(zāi)受害面積以及損傷程度，通過(guò)多次火災(zāi)發(fā)生的數(shù)據(jù)，總結(jié)相應(yīng)的規(guī)律。為指揮防火的工作人員提供參考。

（二）界面設(shè)計(jì)

依據(jù)友好、簡(jiǎn)約、安全的設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)的界面根據(jù)指揮者所掌握知識(shí)情況進(jìn)行各相關(guān)功能的設(shè)計(jì)，在指揮者界面操作過(guò)程中提供有效的輔助和及時(shí)的提示，保證操作失誤可返回原點(diǎn)，切實(shí)提高圖上作業(yè)和指揮任務(wù)的執(zhí)行效率，進(jìn)而提高森林火災(zāi)撲救工作的效率。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，要充分利用3DGIS技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)林地火災(zāi)的監(jiān)控工作，盡量減少火災(zāi)的發(fā)生。遇到火災(zāi)發(fā)生能夠盡早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)撲救。要完善3DGIS的森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)，建立健全林地林木、森林信息管理系統(tǒng)，在實(shí)踐中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的漏洞，制定更合理的林地保護(hù)計(jì)劃，有效保護(hù)我國(guó)森林資源。實(shí)踐表明，在森林火災(zāi)滅火的過(guò)程中，只有把握先機(jī)，才能最大程度地挽回?fù)p失，減少林地和人員的傷亡。森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)，它是一個(gè)管理收集，數(shù)據(jù)查詢，災(zāi)情分析，災(zāi)情預(yù)測(cè)集一身的自動(dòng)化系統(tǒng)。森林防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)也是現(xiàn)代森林防火中重要的研究領(lǐng)域，系統(tǒng)能有效地運(yùn)用地理信息數(shù)據(jù)，通過(guò)3DGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)實(shí)情的可視化，可以高度還原火災(zāi)場(chǎng)景，并做到精準(zhǔn)定位，對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致分析和預(yù)測(cè)，并根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行撲救方案制定。撲救工作最重要的是時(shí)機(jī)，3DGIS應(yīng)急防火指揮系統(tǒng)為撲救人員贏得了火場(chǎng)撲救的時(shí)機(jī)，是當(dāng)代消防工作必不可少的輔助系統(tǒng)，值得廣泛推廣和使用。

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