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路人甲

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森林防火指挥决策系统

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更多发布于：2005-02-22 14:58

<H3 align=center>基于3S的森林火灾信息管理系统</H3>
 联系人：郑 晖 13807015495 
 




摘要：频繁发生的森林火灾严重威胁着森林生态环境和林业产业的安全，建设森林火灾信息管理系统，进行有效的林火预警、林火扑救辅助指挥、火灾善后处理是减轻森林火灾危害的有效措施。本文介绍了基于GIS、GPS、RS技术的森林火灾信息管理系统的方案设计、运行机制和主要功能；探索了在信息技术支持下整合林火预警模型、林火扑救辅助指挥模型和林火损失计算模型的有效方法；文章最后描述了该系统在中国江西省森林火灾管理中的使用情况。 





关键字：森林火灾管理、辅助决策指挥、GIS、GPS、森林火灾预警


<H2>一、引言 
</H2>
森林是全球生态系统的重要组成部分，由于气候变暖和人为原因，森林火灾的发生频率日益增大；在中国，森林资源相对缺乏，而频繁发生的森林火灾除了给人们带来巨大经济损失和人员伤亡外，同时也对我国林业生态环境和林业产业经济的安全构成严重影响。因此针对森林火灾管理方法的研究，有着十分重要的意义。 


目前世界各国在该领域的研究工作主要集中在研究林火环境，林火行为，火灾生态学，以及监控预测林火行为的决策支持系统，提高火灾管理效率等几个方面，加拿大林火信息系统作为最新研究成果，为加拿大森林火灾管理建立了展示每年整个森林火灾常发季（一般是五月到九月之间）日常火灾气候及林火行为的地图和热点地图。人们能从中获得象火灾气候，林火行为，火灾热点等信息，美国地质调查局，美国森林管理部门和美国地理历史组织也共同开展了“阿根廷，智利，墨西哥，西班牙，和美国的森林火灾数字影象评估”项目，建立了火灾隐患指数，这一指数是为计算在1992年到1999年期间美国周边国家的火灾。从1998年开始，日常的火灾隐患指数就开始计算美国周边国家的火灾情况，而且这些指数通过互联网对公众和火灾及土地管理部门公开。 


从目前我国森林防火的现状来看，在上世纪九十年代初，国家林业局与日本合作开发了一套全国性的基于GIS的森林火灾管理信息系统，应用到小兴安岭的森林防火中，但无论是GIS技术、图形界面还是数据库技术都存在不少问题，同时森林火灾预警模型、火灾蔓延模型、损失计算模型等都不很完善；近年来，我国借助NOAA和风云气象卫星初步实现了森林热点、火灾的卫星影像监测，但是，相对而言，对于及时、准确掌握森林资源变化和实时监测森林火灾的技术，目前还没有很好的突破，而这是森林防火工作中十分重要的一个环节。比如：结合全球定位系统、地理信息系统和遥感技术，基于先进的火灾预警模型、林火蔓延模型的，为防范和扑救森林火灾提供全面辅助决策信息的实用的比较成型的软件系统还没有出现。 


<H2>二、森林防火系统设计方案 
</H2>
森林火灾在中国日趋严重，危害越来越大，对人民的生命财产带来了极大的危害。与此同时，林火发生也是一个极其复杂的自然现象，它涉及的因素许多，有其自然属性，又有其人为属性。自然属性中有可燃物的类型及其分布状况、地形地貌分布状况、气象因子等等。作为森林防火工作者往往要面对多种多样、错综复杂的信息，并在此基础开展林火预防、扑救、善后处理等工作。要全面掌握如此之多的信息非人力所能为。特别林火发生又有突发性，要在很短的时间判断林火的发展趋势，并及时采取决策，同时还要随时掌握现场的状况，指挥者就需要依靠准确及时的信息来减少火灾的危害。 


森林防火管理系统的设计目标是为防火工作人员提供精确的、及时的各类信息，帮助防火人员提高工作效率和决策的准确性。在针对防火人员，特别是救灾指挥人员的信息需求的深入分析后，本系统的主要功能设计定位在森林火灾灾前预防预警信息，灾时扑救辅助决策信息以及灾后损失统计、善后处理信息的分发、管理、分析和传递上。 





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NOAA卫星
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卫星影像站点

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森林防火管理系统


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GPS移动终端

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在整个系统的运行体系中，森林防火管理系统是整个系统的核心，最终他负责向用户提供森林火灾预警、扑救以及善后所需的各类数据和信息；卫星影像站点作为森林防火管理系统的一个数据源，用于接收NOAA或其他卫星的遥感影像，然后向多个森林防火管理系统提供这些影像，使其获得实时的火灾信息； GPS移动模块作为森林防火管理系统的第二类数据源，用于火灾现场扑救人员实时向森林防火管理系统提供自己的位置数据，使其获得实时的火灾扑救信息。 


通过接受NOAA 系列卫星的实时遥感影像，卫星影像站点可以对其经过简单处理后发布到互联网上，通常是以中国的一个省为范围发布，森林防火管理系统通过定时访问这个站点，获得包括最新热点、火场范围、蔓延趋势等各类信息在内的实时数据。将其作为判断和防范森林火灾的有效依据，加以存储和管理。


在森林火灾发生时，扑救人员和现场指挥车配备的GPS移动模块将接收到的位置信息通过移动通信系统向森林防火管理系统实时发送自己的位置数据，实时展现在森林防火管理系统的森林地形地图上，结合来自卫星影像站点的森林火场范围和蔓延趋势等数据，指挥员可以实时地获得整个火灾的发展及扑救的情况，以便做出准确地决策，然后还可以通过森林防火管理系统和GPS移动模块之间的通讯网络，向森林火灾现场人员发送信息。


位于整个系统的核心部位的森林防火管理系统有数据库和GIS系统组成，数据库负责存储森林地理空间数据、气象信息、森林资源数据、防火信息数据和GPS定位数据；GIS系统在同一的地图上有效的整合并分析这些数据，为用户提供包括：地理查询、森林资源管理、森林防火信息管理、火灾预警、火灾蔓延趋势判定、扑救方案制定、虚拟扑救场景展示、辅助指挥、损失估算等在内的各种功能。 





<H2>三、森林防火系统主要功能 
</H2>
 为了满足森林火灾管理的需求，森林防火系统应包含火灾发生前的预警、发生时的辅助扑救、扑救结束后的善后处理等功能，此外，还应包括各类信息数据，包括各种空间数据的管理功能。其中最主要的几项功能有信息管理、森林火灾预警、辅助扑火指挥等。下文将从功能设计的角度对这三项功能进行比较详细的讨论。 





1， 信息通讯与管理


信息通讯与管理功能的目的是为用户及时准确地提供各类森林火灾预警、火灾扑救辅助决策和辅助善后处理的支持信息。为了达到这个目的，森林防火数据库应包括的数据信息有：森林地理空间数据、森林资源信息、防火信息数据、气象信息和GPS定位数据等，见图2-2。 


在所有数据中，森林地理空间数据，比如：地形、水系、道路等，在本系统的生命周期内基本不会发生变化；森林资源信息，如林班、林种、树种等，按照中国目前的普查统计的办法是5年左右更新一次，总体上也不会有很大的变化，这两类数据可以作为整个系统的基础数据信息放到系统的基础数据库中，若干年更新一次即可。 


森林防火信息数据，如：热点记录、火灾档案、瞭望台档案等，随着森林火灾的累计和防火设施的建设，每年的变化较大，因此在系统中单独设计防火信息数据库进行存储，以便于进行及时有效的管理和维护。 


一旦发生火灾，用户需要了解火灾现场的实时气象信息，如气温、风向、风速等，同时需要获得现场灭火人员的位置信息，即GPS定位数据，这两类数据不需要进行长期不间断的积累，系统只需在某次火灾档案中记录当时气象信息和定位信息，因此，系统设计一个气象及定位信息临时数据库，用于一旦火灾发生时存储实时的气象信息和定位信息，供系统调用。 


 针对上述数据信息及其分类，森林防火管理系统提供了五项管理功能，它们是：信息通讯、信息集成管理、信息查询检索、信息统计、信息维护等，见图2-3。 


 信息通讯功能包括卫星影像站点与NOAA之间的通讯功能、森林防火管理系统与卫星影像站点之间的通讯功能、以及GPS 移动模块与森林防火管理系统之间的双向通讯功能。具体来说就是卫星影像站点接收NOAA遥感数据，包括热点遥感图和火场遥感图的功能，见图2-4，这种通讯依赖卫星和地面基站之间的通讯频道；森林防火管理系统访问卫星影像站点并获取处理好的辖区热点及火场影像，这种通讯通过互联网络或VPN（基于互联网的虚拟专网，用于远程安全高速通讯）进行；森林防火管理系统向GPS移动模块发送主机命令并接收来自GPS 移动模块l的子机命令的通讯功能，这种通讯基于无线通讯网络进行，目前可以通过GSM /CDMA短消息方式或者是集群通讯的方式进行。
信息集成管理功能可以将森林防火数据库的所有数据信息，即：森林地理空间数据、森林资源信息、防火信息数据、气象信息和GPS定位数据，统一进行管理。在GIS空间数据库技术的支持下，将所有这些数据信息按类别分层。在同一的地图界面下，按照系统各项功能运用时的需求调用相应的数据层，并以电子地图的形式将它们展示在用户界面上。同时，由于森林地理空间数据的复杂性，信息集成管理功能必须有能力管理各种比例尺矢量图和遥感图。 


 信息查询检索功能包括对各类森林防火信息、森林空间信息、森林资源信息以及其他数据库内信息的查询。对于森林空间信息，可以按图索引、行政区划、地名、地理坐标、经纬度、山峰、水系等信息查询任一地点、任一比例尺、任一图种的地图；而对于森林防火信息和森林资源信息，可以实现数据到地图和地图到数据的双向查询。 


 信息统计功能指在各种不同条件下的各类信息的统计功能，这些条件包括：特定地理位置、行政区划、时间、特定属性等，比如：可以统计距某山峰十公里内的瞭望台总数以及配备人员数量。另外，信息统计功能还具有定制报表的功能，例如，可以按时间和空间双重条件统计满足条件的火灾记录及其详细指标，并将结果输出为PDF或EXCEL文件。 


 信息维护更新功能授权用户对系统数据库中的森林资源数据库以及防火信息数据库进行更新。结合目前中国森林资源管理工作特点和森林资源普查成果，系统通过周期读取森林资源数据库的方式更新数据，而防火信息的更新通过简单直观的电子地图图元（如，瞭望台）添加删除以及图元属性数据的编辑完成。授权用户被允许对电子地图进行操作，及时地更新有关信息。 


 上述的各种信息管理功能，保证了用户可以方便地获得所关心的森林防火数据库内的各种信息，并对其进行及时有效的管理。 


2、森林火灾预警


森林火灾预警功能的目是通过信息技术为森林火灾的发生提供及时的警报。本系统有两种方法进行火灾预警：一是检查实时获取的卫星的遥感影像中存在的可疑热点信息，及时核查确认并预警；二是通过系统的森林火险评价模型，根据森林火灾产生的条件，特别是气象条件，及时进行分析并预警。 


通过卫星遥感影像检查并确认的热点信息往往是已经燃起的火灾，必须立即进行扑救。在这里森林防火系统的火灾预警功能是通过获取遥感信息并及时展示在地图上实现的。 


通过森林火险评价模型，每天对森林火险因子进行监测，对每个森林单元的火险指数进行计算，从而实现对森林地区火灾危险等级的区划，将森林火险区划展示在地图上，为用户动态地提供森林火灾预报信息。 


森林火险评价模型主要涉及三类火险因子，其中气象因素是决定每天林火等级的主导因素，包括温度、相对湿度、风速、日降水量、前一天相对湿度；其次是火源因子，包括道路、居民点、人类活动地等；最后是可燃物因子，包括：植被类型、水分含量、郁闭度、林龄、倒木、枯立木数量等。对这些火险因子进行等级划分并赋以相应的值，同时，根据各因子引发森林火灾的作用能力对其加以不同的权重，可以获得一个加权的火险因子累加模型作为每个森林单元的火险指标的计算公式。通过计算这些火险指标，系统自动生成每天的森林火险区划图，叠加在森林三维地形地图上，为用户提供直观的火险预报信息。 


通过森林火险评价模型计算和遥感热点影像检查两种途径，系统可以有效地实现森林火灾预警功能。 


3、辅助扑火指挥


辅助扑火指挥功能的目的是在进行森林火灾扑救的时候，通过信息技术，为指挥决策人员提供全面的可靠的及时的辅助决策信息。这些辅助决策信息有：实时更新的火灾信息、实时更新的扑救信息、火灾蔓延及扑救进度预测信息、扑救方案辅助设计信息等。 


火灾信息包括：火场范围、火场林种、火场地形地貌等；扑救信息包括：扑救人员位置、扑火防线位置、投入扑火力量等。系统在等高线生成的三维地形基础上，叠加山峰、河流、道路、居民地、森林资源等图层，在三维操作界面上，标绘起火点位置和火场范围；扑救防线位置、扑救人员位置。并实时更新。在GIS三维建模、灯光投射、场景渲染等技术的支持下，建立火场实地的虚拟场景，同时提供任意视角、距离观察，虚拟飞行，设定路线穿越、距离、面积量算等功能，为扑救指挥人员提供身临其境的指挥环境。 


在获得了及时可靠的现场信息后，扑火指挥决策者还需要系统提供一些火灾发展的预测信息，以便及时做出准确判断，进行指挥。通过林火蔓延预测模型计算，系统为决策者提供了林火蔓延发展的可能趋势信息，在这些信息的基础上，还可以获得扑救进度的预测信息。 


 林火蔓延预测模型在空间数据库和森林资源数据库基础上，通过分析森林地理因子和气象因子实现在火场实地的虚拟场景基础上叠加林地单元图层，这个图层的信息包括高程、坡度、坡向、腐殖层厚度、林地郁闭度等森林地理因子，同时纳入气象因子，指当时火场的气温、相对湿度、降水、风速、风向等，运用相应技术调整时间和相关参数，在火场实地的虚拟场景中输出林火蔓延的全部过程和燃烧的火场水平投影面积和林地实际面积。从而为指挥者提供了预测火灾发展的信息。 


 在上述辅助决策信息的支持下，指挥者可以做出及时准确地决策，然后通过系统和Mobiles with GPS model之间的通讯通道与现场人员取得联系，指挥林火扑救工作。 


<H2>四、中国江西省森林防火管理信息系统 
</H2>
江西省是中国内陆省份之一，位于中国的东南部。全省总面积16.69万平方公里，地貌类型以山地、丘陵为主，林业是江西省主要产业之一，全省森林覆盖率达到60％左右。近年来，江西森林火灾频繁发生，２００３年，江西共发生森林火灾５６０多起，受灾面积达6400公顷；今年以来发生的森林火灾也比较频繁。森林火灾已经成为江西林业产业安全的最主要危害。 


1、中国江西省森林防火管理信息系统项目概况


中国江西森林火灾管理系统项目是江西省在十五期间重点建设的森林防火工程。通过本项目的建设，将初步实现江西全省林业火灾的信息化管理，为减轻江西森林火灾危害提供可靠保障。 


本项目完全按照前文的系统设计和需求分析开展，项目的核心部分：火灾管理系统是在著名GIS软件ESRI　ArcView8.x及其3D Extension的基础上，基于ArcObjects开发的，除了信息通讯与管理、林火预警、辅助扑救指挥、损失计算等所有前文提到的系统设计功能以外，还开发了制图及输出、火灾档案卡打印、报表制作及汇总、数据库恢复及备份、用户权限管理、火灾视频及图片管理等功能。基本满足了现阶段江西省对于其森林火灾信息化管理的需求。 


2、 系统数据及数据库


根据系统总体规划，中国江西森林防火信息系统的数据库有3个部分组成：基础数据库、防火信息数据库和气象及定位信息临时数据库。 


基础数据库存放国家基础地理信息中心制作的江西省1：25万基础地理信息数据和江西省的森林资源数据。江西省1：25万基础地理信息数据具体包括：1：250000江西全省高程数据、江西全省主要水系、水系、各等级公路、铁路、居民点、山峰、市行政区、县行政区、乡镇、政府驻地等数据；江西省森林资源数据库以林业小班为单位表征森林资源，其中每条记录包含森林小班的63种信息，比较重要的包括：所在地区信息、森林树种信息、森林生存状况信息、面积信息、所在地的地形地貌信息、土壤及水土保持信息等。 


防火信息数据库存储江西省森林防火信息数据。其中首先是火灾档案信息，包括：火灾编号、火灾等级、发生时间地点、起火原因、火场情况、扑救情况、善后情况、现场图片视频等方面信息，见图3-1；其次是热点档案信息，包括：热点编号、卫星及遥感影像接受情况、遥感影像内容、核查情况等信息；除此以外，森林防火信息还包括：防火办、防火设施设备、防火指挥部、专业森林消防队、半专业森林消防队、业余森林消防队、防火物资储备仓库、瞭望台、无线电台站等的相关信息。 


气象及定位临时数据库存储实时的火场气象及扑火人员位置、扑火防线位置等数据，用于辅助救灾指挥。 


3、 几个功能的实现


防火信息管理功能为用户管理森林防火信息设计了选取、添加、编辑、删除等公用按钮，同时，根据不同的防火信息，按照其管理需求设计了人性化的操作流程，以火灾档案为例，系统同时为其设计了图形操作、属性数据编辑、图像视频管理等功能，见图3-1，使得用户可以方便地管理火灾档案所有的相关信息。火场标绘与GPS定位功能使救灾指挥者及时可靠地了解火场现场情况和扑救进展情况。本功能可以根据现场返回的信息随时间动态调整扑救防线位置；同时根据火灾蔓延模型和现场反馈信息动态模拟火场范围，从而对火灾扑救的整个过程作出动态的模拟，为指挥者提供火灾现场的直观场景，见图3-2；这种推演也可以在图3-3的3D界面下进行。 


 五、总结 


频繁发生的森林火灾严重威胁着森林生态系统和林业产业的安全，人类必须尽快找到办法去有效遏制森林火灾带来的危害。然而，森林火灾的发生和发展机理是十分复杂的，人们还无法完全了解其内在规律。随着现代信息技术的发展，特别是GIS、GPS、RS技术的飞速发展，给森林防火研究带来新的思路，基于这些技术研制的森林火灾管理信息系统能够有效地提高人们的森林防火工作效率和应急指挥能力。 


随着各国学者对林火预警模型、林火蔓延模型等的进一步深入研究，以及信息技术的不断发展，未来的基于信息技术的森林火灾防御体系一定可以更有效地减轻森林火灾给我们带来的损失。





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heqjxiaoyao

路人甲

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1楼^#

发布于：2005-02-22 19:57

b4b4b4

希望大家访问我的个人博客：随笔闲谈: http://rsgisman.bokee.com

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soar21

路人甲

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发布于：2005-03-01 13:50

??晕

天地是一框时序轮转的风景任我奔跑流连也跑不出然后终于死去

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olympic0408

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发布于：2005-03-06 11:34

请问该系统做好了吗?

=================== QQ:77837769 email:olympic0408@163.com =============

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jxytzh 路人甲注册日期2003-09-04 发帖数215 QQ41136356 铜币571枚威望0点贡献值0点银元0个加关注写私信	4楼^# 发布于：2005-03-08 16:53 <P>在使用啊</P>
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spring_off 路人甲注册日期2005-02-22 发帖数3 QQ 铜币113枚威望0点贡献值0点银元0个加关注写私信	5楼^# 发布于：2005-03-09 09:50 有见识!
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星期天

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发布于：2005-04-17 12:44

天天很自由！我想我能……

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星期天

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发布于：2005-04-17 12:44

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eeleo_Lion

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发布于：2005-04-18 11:26

人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。天生我材必有用，千金散尽还复来。

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xgyzsu 路人甲注册日期2003-08-15 发帖数46 QQ 铜币185枚威望0点贡献值0点银元0个加关注写私信	9楼^# 发布于：2005-11-30 15:35 不错，我喜欢！
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