GIS技術在阿勒泰地區森林防火中的應用

■ 加娜西·哈吾旦 新疆維吾爾自治區阿爾泰山國有林管理局青河分局

阿勒泰為全國六大林區之一，擁有森林面積高達2341萬畝，森林覆蓋率達到13.2%。由于該地區夏季干熱，因此每年都有森林火災發生。為了能夠更好地應對森林大火的發生以及造成的損失，相關部門決定應用GIS 技術來輔助當地森林防火工作。在此，以選取阿勒泰地區某國家森林公園2500hm2試驗區域為分析對象，設計一套森林防火系統。

一、GIS 定位系統結構設計分析

（一）構建系統需求要件分析

1.目標及功能需求

本設計共計布置4 處監測點和1 處管理中心，并實現4 處監測點之間與管理中心的無線互聯工作。本次森林火災監測定位系統主要功能包括：火點定位（雙點、單點、多點等）、火災形式預估、圖片調取、ArcMap 地圖基礎等[1]。其中ArcMap 地圖基礎功能包括：要素添加及刪除、圖層設置、面積和距離測算、信息查詢等。

2.數據需求

數據是構成GIS 定位系統的根本，本項目所需要的數據包括：某國家森林公園矢量數據（形狀、面積、海拔等）、數字高程數據DEM[2]。

3.硬件需求

GIS 定位系統依托于windows 操作系統，對硬件需求較高，本項目所采用的硬件配置需求詳見下表1所示。

表1 定位系統硬件需求

（二）空間數據庫設計

空間數據庫主要作用是將項目區范圍的地理數據進行整合，通過專業化、標準化處理后存入系統，是GIS 定位系統實現功能的基礎。

1.數據存儲

本項目所涉及的地理信息數據統一采用geodatabase格式模型存儲，可以對森林數據（面積、海拔、樹種、樹齡等）進行編輯。此外，也能利用Subtype 操作來實現將屬性數據轉化為圖層顯示[3]。

2.數據庫內容

本項目針對森林防火這一目的，建立的數據庫內容包括：空間基礎數據（1:5000 項目區地理和高程數據）、森林防火專題數據（防火物資、撲火隊位置、檢查站、通訊站、瞭望監測臺等點狀空間數據）。

（三）軟件系統設計

1.地圖基礎功能設計

（1）地圖檢索可按照經緯度、名稱、區域編號、圖層等進行查詢和管理，方便用戶不同需求；（2）由于系統內主要是地圖類文檔，且種類繁多，因此系統采用分級圖層組來簡化圖層控制，用戶可任意調整圖層順序、是否可見等；（3）本系統設計了簡潔易用的量算功能（距離和面積），用戶只要點擊確定后系統會給出數據，也支持手動繪制。

2.火點定位功能設計

（1）雙點和單點定位功能均使用Arcobject 下的IFeature 圖層實現，具體方法會進行后續說明；（2）本項目使用漸進窮舉和數據擬合法來計算火點位置，高程計算通過pidentify 指向數字高程DEM 進行實現。

3.火情態勢標繪功能設計

（1）本系統火情態勢標繪支持手動實現，包括點狀（火點、裝備倉庫、防火機構、瞭望監測點等）、線狀（火線、防火隔離帶、公路、巡航路線等）、面狀（火場范圍、受影響區域等）等符號；（2）通過火情態勢標繪，系統會給出滅火力量調動、火態蔓延方向（需要輸入天氣參數）等，可供用戶參考。

二、GIS技術在阿勒泰森林火點定位中的應用

本系統可以通過在瞭望監測塔安裝攝像機自動掃描來對一定范圍內的森林情況進行跟蹤錄像。一旦發生森林火災，攝像機的識別模塊被啟動并觸發報警系統，GIS 系統此時通過空間數據處理來實現火點定位。

（一）雙點定位方法分析

1.定位算法分析

雙點定位法原理見下圖1所示，在此規定方位角ai均是以瞭望監測塔正北方為0°位置，順時針轉動至目標方向，具體定位過程如下：

圖1 雙點定位原理示意圖

（1）圖1 中角a1、a2分別為瞭望塔A、瞭望塔B 相對于火點（x，y）的方位角，取射線交叉點即為火點位置。但在此需要注意：由于存在磁偏角，因此真正火點的方位角還需要在磁方位角的基礎上減去該地區的磁偏角；

（2）兩臺攝像機同時捕捉到火點后將數據傳輸至電子地圖上，之后系統會自動標定出起火點并顯示給監控中心。

2.雙點定位法特點分析

雙點定位法具有報警準確率高、定位精度高等顯著優點，但其最大局限性有兩點：（1）必須要有兩座瞭望監測塔同時監測到火點位置，因此該方法適用于監控點布置密度較大的森林；（2）由于監測儀器是以煙柱和火光為標準來發出警報，因此夜間監測能力較差，只有出現火光才會報警。

本項目應用雙點定位法覆蓋了約320hm2區域，瞭望監測塔布置在海拔較高的山坡上，盡量使其視野好、覆蓋面廣。

（二）單點定位方法分析

單點定位法只需要一個瞭望塔監測到火點就可成功定位，因此理論上可使觀測點減少50%，成本大大降低。

1.定位基本原理分析

單點要想實現定位，必須借助相關三維地理數據，同時應用漸進窮舉法。具體操作是在瞭望塔處設置電子全站儀，通過棱鏡反射作用得到火點距離L，而方位角a 可通過監測煙柱或火光獲得，因此也可以定位火點，其基本原理見下圖2所示。

圖2 單點定位原理示意圖

2.單點定位法特點分析

單點法具有同等監測點條件下，監測覆蓋范圍廣這一突出優點，但同時必須結合GIS 系統電子地圖才能最終定位，最終精度受氣候、地形、坡度等影響較大，因此定位精度相比于雙點法較差。

本項目應用單點定位法覆蓋了約590hm2區域，瞭望監測塔布置在海拔較高的山坡上，經過測試其定位精度誤差在500m 范圍內，基本可以滿足實際需要。

三、結語

森林防火工作涉及范圍往往很大，一旦發現起火點較晚一般火勢不再容易控制，因此積極應用GIS 等先進計算機技術來輔助監測，可大大減少人力物力財力，而且提高了監測效率，這是現代森林防火的發展方向。但是應用GIS 系統時對相關設計、設備安裝、調試等要求較高，且需要有一定的計算機知識水平，對森林防火人才建設也提出了一定的要求。