地理信息系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用

張 鑫

（哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150025）

0.引言

森林作為一個(gè)重要生態(tài)系統(tǒng)的載體具有諸多功能，然而，由于許多不可控因素，森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生。當(dāng)情況發(fā)生時(shí)，如何快速、及時(shí)掌握火點(diǎn)周邊情況，采取正確的決策方法撲滅大災(zāi)，最大程度地減少火災(zāi)帶來(lái)的損害，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外森林防火領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

隨著中國(guó)林業(yè)的不斷發(fā)展，森林防火工程已成為林業(yè)工作的首要任務(wù)。森林防火工作必須堅(jiān)持“預(yù)防為主，積極救援”的原則，真正實(shí)現(xiàn)及早發(fā)現(xiàn)、盡早解決、降低損失的目的。針對(duì)森林火災(zāi)，我們構(gòu)建了以現(xiàn)代地理學(xué)、地理信息科學(xué)、林業(yè)學(xué)等學(xué)科知識(shí)為理論基礎(chǔ)，運(yùn)用3S等網(wǎng)絡(luò)高新技術(shù)，充分利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)等森林防火監(jiān)控指揮決策系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理、空間查詢分析、圖形輸出與專題圖制作等功能，可用于資源信息管理、火點(diǎn)查詢、消防設(shè)施儲(chǔ)備、救火隊(duì)伍管理、森林滅火檔案管理和應(yīng)用。森林防火監(jiān)控指揮決策系統(tǒng)，可以在火災(zāi)發(fā)生前實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)林區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)情況，并實(shí)時(shí)提供火災(zāi)發(fā)生的地理環(huán)境、氣候條件、人為活動(dòng)因素等大量信息，幫助工作人員預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生的時(shí)段，圈定火災(zāi)可能發(fā)生的地點(diǎn)和嚴(yán)重程度，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情；在火災(zāi)發(fā)生和蔓延過(guò)程中，不斷監(jiān)測(cè)火災(zāi)的進(jìn)程，及時(shí)將有效信息和場(chǎng)景圖像傳遞給森林滅火指揮中心，為指揮中心的遠(yuǎn)程指揮和調(diào)度提供數(shù)據(jù)保障，使消防人員能夠科學(xué)有效地組織滅火救援行動(dòng)，減少損失。該系統(tǒng)能夠真實(shí)記錄火災(zāi)發(fā)生、傳播和撲滅的全過(guò)程，為火災(zāi)防治、預(yù)警和治理提供真實(shí)有效的歷史數(shù)據(jù)；災(zāi)難發(fā)生后，還可以快速準(zhǔn)確地查明受損情況，并進(jìn)行更準(zhǔn)確的災(zāi)難評(píng)估。

森林防火監(jiān)控指揮決策系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)的森林防火監(jiān)測(cè)和救援模式。該系統(tǒng)融合了多領(lǐng)域的科學(xué)理論、現(xiàn)代高新技術(shù)以及科學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，能基本實(shí)現(xiàn)日常信息收集和管理、林火監(jiān)測(cè)、火險(xiǎn)預(yù)警、林火撲救方案、輔助決策、林火受災(zāi)損失評(píng)估等一系列功能，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)、前沿和實(shí)用的有機(jī)統(tǒng)一。它使森林滅火指揮水平得到大大提高，火點(diǎn)快速定位、及時(shí)報(bào)警、迅速部署指揮，為現(xiàn)代化森林防火工作提供了重要的技術(shù)保障，在森林防火領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。

1.國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 國(guó)外現(xiàn)有技術(shù)

美國(guó)使用“大地”衛(wèi)星結(jié)合無(wú)人森林巡邏預(yù)警機(jī)對(duì)地面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，德國(guó)研制了森林火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，加拿大采取衛(wèi)星巡回監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等[3]，盡管一些國(guó)外技術(shù)是可靠的，但它們需要使用高空衛(wèi)星，并且有些技術(shù)解決方案實(shí)施起來(lái)太過(guò)昂貴，多達(dá)數(shù)十萬(wàn)美元，成本超過(guò)預(yù)算，所以這些方案都不能滿足中國(guó)森林防火工作的實(shí)際需要[4]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究方法

國(guó)內(nèi)主要采用地面巡邏、 望臺(tái)檢測(cè)、航空巡護(hù)、衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)等多手段結(jié)合的方式，該方式具有巡邏范圍廣、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[5]。與此同時(shí)，為彌補(bǔ)以上手段的不足，結(jié)合我國(guó)森林防火工作的實(shí)際情況，以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我國(guó)設(shè)計(jì)了“森林防火監(jiān)控指揮決策系統(tǒng)”，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)，配合森林管理、生態(tài)建設(shè)管理和林業(yè)活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各種管理和森林防火工作。

2.GIS 技術(shù)簡(jiǎn)介

地理信息系統(tǒng)（GIS）是一種空間信息系統(tǒng)，用于獲取、存儲(chǔ)、編輯、處理、分析和顯示地理數(shù)據(jù)。在計(jì)算機(jī)軟硬件的支持下，GIS通過(guò)集成計(jì)算機(jī)硬件、軟件和地理數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，搭配其獨(dú)特的數(shù)字高程模型、網(wǎng)絡(luò)分析功能和空間分析功能，能行之有效地搜集、管理、存儲(chǔ)、更新、分析和顯示各種形式的地理信息。

3.GIS 在森林防火上的應(yīng)用

3.1 對(duì)林區(qū)信息的統(tǒng)一管理

森林管理部門必須對(duì)森林區(qū)域的信息掌握透徹，GIS可以建立不同圖層，將空間信息與屬性信息聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間信息和屬性信息的統(tǒng)一管理[6]。

3.2 對(duì)防火設(shè)施的科學(xué)安排與調(diào)度

森林地區(qū)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，需要立刻為救援行動(dòng)組織人力和物力資源。GIS技術(shù)的運(yùn)用可以在前期幫助確定防火設(shè)施分布，設(shè)立防火點(diǎn)，也可以方便、快捷、有效地進(jìn)行防火設(shè)施和消防人員的科學(xué)調(diào)度。

3.3 對(duì)受災(zāi)損失的科學(xué)評(píng)估

利用地理信息系統(tǒng)的空間疊加功能，可以盡快得到較為準(zhǔn)確的森林區(qū)域植被經(jīng)濟(jì)損失情況，科學(xué)評(píng)估。

綜上所述，GIS技術(shù)不僅可以在宏觀上對(duì)林區(qū)信息進(jìn)行規(guī)劃、管理，還可以為決策部署、物資調(diào)度提供依據(jù)。

4.實(shí)例

4.1 系統(tǒng)總體需求

森林火災(zāi)嚴(yán)重危害森林資源，現(xiàn)在年均發(fā)生的火災(zāi)達(dá)22萬(wàn)次以上，特別是自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著異常天氣情況的增加（如厄爾尼諾現(xiàn)象），森林火災(zāi)的發(fā)生數(shù)呈線性上升趨勢(shì)[7]。其中，中國(guó)也是個(gè)森林火災(zāi)多發(fā)的國(guó)家，僅北京市1995—2016年就發(fā)生多起火災(zāi)（如圖1所示），根據(jù)調(diào)查顯示，我國(guó)年均發(fā)生的火災(zāi)約1.3萬(wàn)次[8]，頻繁而嚴(yán)重的森林火災(zāi)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了巨大損失。從1987年黑龍江省大興安嶺特大嚴(yán)重森林火災(zāi)，到2010年大理“3·12”特大森林火災(zāi)，再到2019年“3·30”涼山木里森林大火，對(duì)森林地區(qū)造成了巨大的破壞，受災(zāi)難影響的人數(shù)眾多，經(jīng)濟(jì)損失慘重。不僅如此，在森林火災(zāi)之后，蟲害和水災(zāi)相繼發(fā)生，其對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞難以估量。針對(duì)森林防火監(jiān)測(cè)、管理和指揮決策的需要，使用ArcGIS平臺(tái)構(gòu)建了森林防火監(jiān)控指揮決策系統(tǒng)[9]，用來(lái)收集、記錄和總結(jié)整理森林區(qū)域的日常信息數(shù)據(jù)，全方位全天候監(jiān)測(cè)森林環(huán)境，以防范和減少森林火災(zāi)。當(dāng)森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，利用地理信息科學(xué)、ArcGIS軟件和3S等多種技術(shù)，準(zhǔn)確、高效地獲取與森林火災(zāi)有關(guān)的數(shù)據(jù)，做到火點(diǎn)的精確定位、火點(diǎn)周圍基本情況的及時(shí)掌握、火災(zāi)蔓延的發(fā)展態(tài)勢(shì)、火險(xiǎn)等級(jí)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、撲救指揮決策的科學(xué)有效以及災(zāi)后損失精準(zhǔn)評(píng)估等，讓森林火災(zāi)迅速得到控制，盡早撲滅，疏散群眾，減少損失。這是林業(yè)工作的重要組成部分，也是國(guó)內(nèi)外森林防火領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖1 北京市1995年—2016年火災(zāi)起數(shù)

4.2 系統(tǒng)功能需求

“森林防火指揮決策系統(tǒng)”用戶主要包括林場(chǎng)管理用戶、巡邏監(jiān)控人員、森林防火指揮部管理用戶和系統(tǒng)管理員。所以系統(tǒng)的功能需求如下：

林場(chǎng)管理用戶：數(shù)據(jù)瀏覽查詢，文件下載，火點(diǎn)定位，火源分析，森林火災(zāi)蔓延情況分析等[10]。

巡邏監(jiān)控人員：數(shù)據(jù)瀏覽查詢，文件下載，火點(diǎn)定位等。

森林防火指揮部管理用戶：數(shù)據(jù)瀏覽查詢，文件下載，火點(diǎn)定位，火源分析，森林火災(zāi)蔓延情況分析，最優(yōu)路徑分析，災(zāi)損評(píng)估等。

系統(tǒng)管理員：數(shù)據(jù)維護(hù)，權(quán)限管理，用戶管理，信息瀏覽查詢等。

綜上所述，系統(tǒng)功能需求主要有：數(shù)據(jù)瀏覽和查詢，監(jiān)控設(shè)備管理，火點(diǎn)定位，火源分析，森林火災(zāi)蔓延情況分析，最優(yōu)路徑分析和災(zāi)損評(píng)估功能。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則

根據(jù)國(guó)家消防辦、政府有關(guān)部門和基層消防部門的要求，該系統(tǒng)使用ArcGIS地理信息系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一在國(guó)家、省、市、縣（市、區(qū)）四個(gè)層面。同時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)與二級(jí)資源數(shù)據(jù)庫(kù)兼容，可以保證系統(tǒng)森林資源數(shù)據(jù)的真實(shí)性和時(shí)效性，最大程度地實(shí)現(xiàn)森林資源數(shù)據(jù)的共享。此外，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循實(shí)用性、可靠性、方便性、高效性、安全性、保密性、系統(tǒng)性、整體性、先進(jìn)性、前瞻性，經(jīng)濟(jì)性以及可持續(xù)性原則[11]。

4.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各模塊功能

4.4.1數(shù)據(jù)瀏覽和查詢模塊

每個(gè)系統(tǒng)最基本的功能都是數(shù)據(jù)瀏覽和查詢功能。該模塊支持瀏覽、查詢系統(tǒng)記錄的所有數(shù)據(jù)?？梢圆樵兩只馂?zāi)檔案、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)、森林與土地資源數(shù)據(jù)庫(kù)、森林火災(zāi)預(yù)報(bào)和決策數(shù)據(jù)庫(kù)、消防員信息、消防設(shè)備等信息。也可查詢火險(xiǎn)的具體情況：火點(diǎn)坐標(biāo)、火場(chǎng)與消防點(diǎn)的距離、火情小班信息等。還可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行編輯、修改、添加、刪除等指令操作[12]

4.4.2監(jiān)控設(shè)備管理模塊

監(jiān)控設(shè)備主要具有信號(hào)采集、信號(hào)傳輸、錄像存儲(chǔ)等功能（如圖2所示）。同時(shí)，還能全天時(shí)全天候地巡航監(jiān)控和自動(dòng)報(bào)警。為獲取最佳成效，該模塊可與森林煙霧識(shí)別系統(tǒng)結(jié)合使用。

4.4.3火點(diǎn)定位模塊

使用監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行24小時(shí)不間斷巡航，用煙霧識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行煙火識(shí)別，發(fā)現(xiàn)火情立即向系統(tǒng)發(fā)送火情報(bào)警，在人工確認(rèn)火災(zāi)后，火點(diǎn)坐標(biāo)自動(dòng)定位并發(fā)送到系統(tǒng)中。

護(hù)林員手持GPS設(shè)備，在山上巡邏時(shí)發(fā)現(xiàn)某處著火，可直接把設(shè)備所顯示的火點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)發(fā)送給系統(tǒng)[1]。

圖2 GPS監(jiān)控系統(tǒng)功能圖

當(dāng)情況緊急時(shí)，工作人員也可利用過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)直接在系統(tǒng)中繪制火區(qū)地圖，以便盡快開展救援和滅火行動(dòng)。

4.4.4火源分析模塊

查找距離著火點(diǎn)最近的防火點(diǎn)、 望臺(tái)、救火人員、撲火設(shè)備和緩沖區(qū)的分布位置和數(shù)量，救援道路所有的可選路徑和最優(yōu)路徑、水源分布、林場(chǎng)位置、居民區(qū)分布。

考慮到有大量人員參與森林救火，而這些人員又有多項(xiàng)不同的分工，系統(tǒng)有必要提供火源附近消防資源的精確信息，為救火工作的指揮決策提供相關(guān)依據(jù)。決策人員負(fù)責(zé)全局指揮、統(tǒng)籌資源、協(xié)調(diào)各方，向救火基層人員下達(dá)科學(xué)高效的救火指令，快速滅火，減少損失。

4.4.5林火蔓延態(tài)勢(shì)模塊

林火蔓延的態(tài)勢(shì)模擬是基于火點(diǎn)的空間位置、地勢(shì)地形、林木可燃物、氣象變化等柵格數(shù)據(jù)以及火災(zāi)預(yù)測(cè)的蔓延模擬，通過(guò)火災(zāi)的災(zāi)害評(píng)估模型進(jìn)行價(jià)值評(píng)估。

首先設(shè)置起火點(diǎn)；然后設(shè)置蔓延邊界，包括火場(chǎng)的范圍、面積、周邊長(zhǎng)；最后設(shè)置林火蔓延區(qū)域，統(tǒng)計(jì)溫度、空氣濕度、天氣、風(fēng)級(jí)、風(fēng)速、風(fēng)向、植被可燃物等因素，根據(jù)林火蔓延模型和邊界外延算法，可計(jì)算出林火強(qiáng)度、火災(zāi)持續(xù)的時(shí)間、火場(chǎng)蔓延范圍以及林火蔓延的態(tài)勢(shì)圖。這有利于森林防火工作人員在林火發(fā)生前，預(yù)先對(duì)在各種條件下發(fā)生的林火蔓延態(tài)勢(shì)有一定的了解，使其在實(shí)際林火撲救指揮中做到有的放矢。

4.4.6最優(yōu)路徑分析模塊

該模塊可得到路徑分析結(jié)果：總路長(zhǎng)、著火點(diǎn)距公路的距離、出發(fā)點(diǎn)距公路的距離、出發(fā)點(diǎn)到著火點(diǎn)所經(jīng)的每條道路和各路徑所需時(shí)長(zhǎng)。對(duì)于森林滅火隊(duì)，選擇最快到達(dá)火點(diǎn)、最節(jié)省體力、最方便調(diào)度消防設(shè)施、最靠近水源的路線，提高森林滅火救援的效率。

4.4.7災(zāi)損評(píng)估模塊

該模塊是災(zāi)后測(cè)量評(píng)估，根據(jù)火場(chǎng)面積、森林大火蔓延態(tài)勢(shì)分析，利用系統(tǒng)繪制受災(zāi)地圖，選擇受災(zāi)損失的統(tǒng)計(jì)項(xiàng)，可以高效快速地對(duì)火災(zāi)的破壞程度和損失程度進(jìn)行評(píng)定、分析和估算，也可以對(duì)林火發(fā)生的原因進(jìn)行科學(xué)分析，提供森林火災(zāi)預(yù)防和管理經(jīng)驗(yàn)。

5.結(jié)論與討論

“盛世興林，防火為先”，實(shí)施森林防火項(xiàng)目工程，將地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于森林防火領(lǐng)域，有助于系統(tǒng)而有效地做好森林防火綜合治理工作，在提高森林經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益、社會(huì)效益方面發(fā)揮著極其重要的作用[13]。

經(jīng)濟(jì)效益：森林火災(zāi)對(duì)森林資源具有高度破壞性。森林防火指揮系統(tǒng)將使森林火災(zāi)的預(yù)防、預(yù)警、預(yù)報(bào)水平，尤其是撲救手段大大提升，能夠及早發(fā)現(xiàn)火情，快速高效地組織滅火救援行動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)“打早、打小、打了”，既保證了森林野生動(dòng)植物等資源的損失減少，又能降低森林搶險(xiǎn)救火工作時(shí)對(duì)人力物力財(cái)力的損耗，極大程度地降低了救火成本[14]。

生態(tài)效益：森林火災(zāi)嚴(yán)重危害、干擾了森林的生態(tài)系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，小型森林火災(zāi)并不會(huì)嚴(yán)重破壞森林的生態(tài)系統(tǒng)，動(dòng)植物死亡率低，森林生態(tài)系統(tǒng)較容易進(jìn)行自我恢復(fù)。然而，大型以及超大型的森林火災(zāi)會(huì)造成森林生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞，大量生物死亡，生態(tài)系統(tǒng)很難恢復(fù)，即便可以恢復(fù)，也需要漫長(zhǎng)的時(shí)間。并且森林大火還容易引起水土流失、土質(zhì)惡化、空氣污染、水災(zāi)、旱災(zāi)、蟲害，甚至氣候惡劣等諸多不良后果。森林防火工程的實(shí)施，有助于預(yù)防和撲救森林火災(zāi)，保持森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡，維護(hù)動(dòng)植物和微生物的物種多樣性，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

社會(huì)效益：森林防火工作在保護(hù)土地生態(tài)安全、人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全及建設(shè)美麗生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用[15]。此外，基于地理信息系統(tǒng)建立的森林防火指揮決策系統(tǒng)，還能為社會(huì)提供就業(yè)崗位，緩解社會(huì)就業(yè)難的壓力，調(diào)整山區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，開發(fā)旅游業(yè)，提高國(guó)民收入，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)繁榮，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定。