許水燕，沈明霞，何瑞銀，張 瑜，劉龍申，叢靜華

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031;2.南京森林公安高等?？茖W(xué)校，江蘇南京 210046)

森林資源是我國自然資源的重要組成部分，是林業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人民生活的物資財(cái)富，也是良好生態(tài)環(huán)境的重要保障。但每年頻繁發(fā)生的森林火災(zāi)，給森林資源和生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重危害，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。林火監(jiān)測系統(tǒng)是減少火災(zāi)危害有效的方法。監(jiān)測點(diǎn)的選址是森林防火監(jiān)測系統(tǒng)的重要部分，合理布局監(jiān)測點(diǎn)既可節(jié)約成本，又可最大范圍地監(jiān)測森林的覆蓋面積。

根據(jù)區(qū)域地理環(huán)境的特點(diǎn)，綜合考慮資源配置、市場潛力、交通條件、地形特征、環(huán)境影響等因素，在區(qū)域范圍內(nèi)選擇最佳位置，是GIS的一個(gè)典型應(yīng)用領(lǐng)域。GIS技術(shù)在監(jiān)測點(diǎn)選址決策中發(fā)揮重要的作用，成為選址的可視性分析平臺。目前主要是利用ESRI的ArcGIS Desktop軟件平臺來進(jìn)行山頂點(diǎn)的提取和可視性分析，而利用ArcEngine的COM和.NET組件來開發(fā)監(jiān)測點(diǎn)的選址功能比較少。以Microsoft Visual Studio 2005為系統(tǒng)開發(fā)平臺，采用C#.NET語言和ArcEngine開發(fā)組件，研究了森林山頂點(diǎn)的提取和可視性分析并計(jì)算盲區(qū)的面積，并以白狼林場為例研發(fā)了選址功能軟件。

1 系統(tǒng)總體框架

森林防火監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測點(diǎn)的選址關(guān)系著監(jiān)測點(diǎn)可視性的覆蓋范圍和成本的投入。通常，為了在森林選擇一個(gè)視野開闊、覆蓋面積大的監(jiān)測點(diǎn)，把監(jiān)測點(diǎn)建設(shè)在山頂上，并通過空間分析中的地形分析生成森林的數(shù)字高程模型進(jìn)行可視性分析。本研究的地形圖是內(nèi)蒙古興安盟白狼林場的DEM數(shù)據(jù)，采用C#.NET作為開發(fā)前端，基于ArcEngine來進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，來說明GIS開發(fā)中ArcEngine開發(fā)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用 ArcEngine提供的 COM.NET和C#.NET的API開發(fā)森林監(jiān)測點(diǎn)的選址功能軟件，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 山頂點(diǎn)提取

由于DEM蘊(yùn)涵了豐富的地性信息，為準(zhǔn)確、快速獲取山頂點(diǎn)信息提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。以柵格窗口分析的局部高差比較法為基本算法，通過對山頂點(diǎn)形態(tài)特征的分析，并基于GIS柵格數(shù)據(jù)鄰域分析功能從DEM數(shù)據(jù)中提取山頂點(diǎn)。利用ArcEngine進(jìn)行山頂點(diǎn)提取的流程如圖2所示。

2.1 鄰域統(tǒng)計(jì)

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架

圖2 山頂點(diǎn)提取的流程

鄰域統(tǒng)計(jì)是一個(gè)鄰域函數(shù)，即輸出柵格數(shù)據(jù)集中每個(gè)位置的值都是輸入數(shù)據(jù)中相應(yīng)位置下指定的鄰域單元的函數(shù)。山頂點(diǎn)指在特定鄰域分析范圍內(nèi)，該點(diǎn)的海拔都比周圍點(diǎn)高的區(qū)域。最大值柵格矩陣數(shù)據(jù)pRaster是利用鄰域分析求矩形窗口最大值的方法，而矩形窗口大小由白狼地貌形態(tài)設(shè)定為11×11。根據(jù) ArcEngine提供 的 接 口INeighborhoodOp對白狼林業(yè)局的DEM進(jìn)行鄰域統(tǒng)計(jì)，代碼如下:ESRI.ArcGIS.SpatialAnalyst.IN－eighborhoodOp pNbrOP=newRasterNeighborhoodOp－Class();IRasterNeighborhood pNbr=newRaster－NeighborhoodClass();pNbr.SetRectangle(11，11， esriGeoAnalysisUnitsEnum. esriUnitsMap );IGeoDataset pOutput = pNbrOP. FocalStatistics((IGeoDataset) DEM， esriGeoAnalysisStatisticsE－num.esriGeoAnalysisStatsMaximum，pNbr，false)。

2.2 柵格計(jì)算

因?yàn)樯巾旤c(diǎn)是區(qū)域內(nèi)海拔最高點(diǎn)，故山頂點(diǎn)的位置就在鄰域分析后獲得最大值柵格矩陣數(shù)據(jù)pRaster與DEM相減所得到的差值為零的格網(wǎng)。利用ArcEngine的柵格的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能IMathOp接口中的Minus來計(jì)算差值為零的網(wǎng)格故代碼如下:IMathOp pMapthOP=new RasterMathOpsClass();IGeoDataset pOutputRaster = pMapthOP. Minus((IGeoDataset)pRaster，(IGeoDataset)DEM)。

2.3 重分類

重分類是基于原有數(shù)值，對原有數(shù)值重新進(jìn)行分類整理從而得到一組新值并輸出。對經(jīng)過柵格計(jì)算出來所得到的數(shù)據(jù)pRaster1進(jìn)行重新分類。代碼如下:ESRI.ArcGIS.SpatialAnalystTools.Reclassify re=new ESRI.ArcGIS.SpatialAnalystTools.Reclassify();re.in_ raster=pRaster1;re.reclass_ field=Value;re.missing_ values=false;re.out_raster=@ ″E:Re.img″。

2.4 柵格轉(zhuǎn)為面要素

由于會出現(xiàn)局部區(qū)域地勢相對平坦，所以在鄰域分析中會出現(xiàn)連片最高點(diǎn)分布從而出現(xiàn)偽頂點(diǎn)，此時(shí)需要把柵格轉(zhuǎn)為面要素進(jìn)行處理，只留下中心點(diǎn)作為山頂點(diǎn)。把重分類得到的柵格數(shù)據(jù)pRaster2利用ConversionTools接口的 RasterToPoint轉(zhuǎn)化為面要素。

ESRI.ArcGIS. ConversionTools. RasterToPoint RatoPoint=new ESRI.ArcGIS.ConversionTools.RasterToPoint();RatoPoint.in_raster=pRaster2;RatoPoint.out_ point_ features= @″E: peak.shp″。

2.5 提取結(jié)果分析

經(jīng)過前面的分析之后所得到的白狼林業(yè)局的山頂點(diǎn)如圖3所示。

圖3 白狼林業(yè)局山頂點(diǎn)的提取結(jié)果

3 可視性分析

可視性分析是研究從單個(gè)或者多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)所能看到的地形范圍或者與其它目標(biāo)點(diǎn)間可見與否，是以監(jiān)測點(diǎn)為源頭發(fā)出射線的高程與對應(yīng)地面高程的比較。本文討論基于規(guī)則網(wǎng)格模型 (RSG)，并利用點(diǎn)對點(diǎn)的視線 (line of sight，LOS)的計(jì)算和基于LOS的可視域計(jì)算進(jìn)行可視性分析。

3.1 視線方法

LOS是指從監(jiān)測點(diǎn)O開始并通過目標(biāo)點(diǎn) T的射線。如果目標(biāo)點(diǎn)可視，則這兩點(diǎn)通視。山上每個(gè)點(diǎn)可被表示為三維向量 (X，Y，Z)，其中 (X，Y)是經(jīng)緯度坐標(biāo)，Z是其對應(yīng)的高程。于是，判斷O和T是否通視的依據(jù)為:OT線段上的任一點(diǎn)向量坐標(biāo) m≡ (mX，mY，mZ) =pO+t(pD－pO)，0＜t＜1高于對應(yīng)的高程點(diǎn)，其中pO為監(jiān)測點(diǎn)向量坐標(biāo)，pT為目標(biāo)點(diǎn)的向量坐標(biāo)。如圖4所示，山上有監(jiān)測點(diǎn)O和A，B，C，D，T 5個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)判斷法則，山形上加粗的區(qū)域都是從監(jiān)測點(diǎn)可視的，即D點(diǎn)和T點(diǎn)均可視的，而從A點(diǎn)到D點(diǎn)下面的所有區(qū)域都是不可視的，即B點(diǎn)和C點(diǎn)均不可視的。

圖4 觀察點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)的可視性

3.2 可視域

可視域分析是以一個(gè)山頂點(diǎn)為監(jiān)測點(diǎn)，研究某一區(qū)域通視情況的地形分析。視域計(jì)算的原理是:以監(jiān)測點(diǎn)為中心，以一定的方位線，通視的地方繪線，不通視的地方斷開。視域的大小根據(jù)監(jiān)測范圍內(nèi)的所有點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)的視線來計(jì)算。如果從監(jiān)測點(diǎn)到目標(biāo)所建立的視線中間有高程大于這兩點(diǎn)所建立的視線表示目標(biāo)無法觀測到，基于 DEM的可視域分析是根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)、監(jiān)測范圍和山體高程，計(jì)算出在監(jiān)測點(diǎn)向四周瞭望所能夠看到的最大范圍。利用ArcEngine三維分析的接口ViewShed進(jìn)行編程，代碼如下:ESRI.ArcGIS.Analyst3DTools.Viewshed pviewshed1=new ESRI.ArcGIS.Analyst3DTools.Viewshed();pviewshed1.in_observer_features=@ ″D: MyShapeFile.shp″;//觀 察 點(diǎn) 文 件pviewshed1.in_raster=@ ″D: maskcut.img″;pviewshed1.out_raster=@ ″D: viewshed.img″;pviewshed1.z_factor=0.2。

圖5為內(nèi)蒙古白狼林業(yè)局的局部DEM數(shù)據(jù)經(jīng)過可視域分析后的結(jié)果圖。圖5中小三角形符號代表觀察點(diǎn)，白色區(qū)域代表觀察點(diǎn)的可視部分，黑色區(qū)域則為不可視部分即盲區(qū)。

圖5 可視域的分析結(jié)果

3.3 計(jì)算盲區(qū)面積

經(jīng)過可視域分析后所得到的柵格數(shù)據(jù)viewshed.img，viewshed文件屬性里面有字段COUNT，COUNT代表著種類的柵格單元總數(shù)，而柵格面積S等于柵格單元數(shù)C乘以一個(gè)柵格單元的面積A。若可視部分的柵格單元總數(shù)為C1，不可視部分的柵格單元總數(shù)為C2，可視部分的面積為S1，不可視部分的面積為 S2，可視區(qū)域的覆蓋率F1，不可視區(qū)域的覆蓋率F2，則:

4 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

基于ArcEngine開發(fā)的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)的選址軟件，以內(nèi)蒙古興安盟白狼林業(yè)局電子地圖為例的主界面如圖6所示。

4.1 GIS基本功能

系統(tǒng)的GIS基本功能包括電子地圖的打開、圖層加載、放大、縮小、漫游、保存、全圖顯示、比例控制顯示、查詢、距離、面積量測、查找、圖層控制顯示區(qū)等基本操作。

圖6 主界面的功能

4.2 山頂點(diǎn)提取功能

點(diǎn)擊山頂點(diǎn)提取按鈕可以提取DEM數(shù)據(jù)的山頂點(diǎn)。點(diǎn)擊區(qū)域選擇按鈕可以提取出在MapControl控件中利用鼠標(biāo)點(diǎn)擊兩個(gè)點(diǎn)作為半徑的圓區(qū)域內(nèi)的山頂點(diǎn)并閃爍顯示，并把這些山頂點(diǎn)按海拔從大到小把相關(guān)信息的經(jīng)緯度、高程和山名等顯示在Listview1列表中。

4.3 選擇觀察點(diǎn)

點(diǎn)擊Listview1列表中任何一個(gè)山頂點(diǎn)，則GroupBox控件的觀察點(diǎn)信息會顯示對應(yīng)山頂點(diǎn)的經(jīng)緯度和海拔信息，并會在MapControl控件中用紅色圓點(diǎn)標(biāo)注出這個(gè)山頂點(diǎn)。

4.4 可視性分析功能

圖7 可視的分析界面

可視分析后的界面如圖7所示。由于考慮到系統(tǒng)用到的云臺的觀察范圍是15 km，所以本課題研究的是以一個(gè)觀察點(diǎn)為圓心和半徑為15 km的圓區(qū)域的可視與不可視區(qū)域，并分別計(jì)算出該區(qū)域內(nèi)盲區(qū)和可見部分的表面積。點(diǎn)擊區(qū)域裁剪按鈕先裁剪出來以觀察點(diǎn)為中心的15 km范圍內(nèi)的區(qū)域，再點(diǎn)擊可視分析按鈕就能在MapControl控件中看到區(qū)域范圍內(nèi)的盲區(qū)部分和可見部分2種不同顏色。再點(diǎn)擊查看結(jié)果按鈕就可以看到Listview2列表中顯示出可見部分和不可見部分各自的面積和覆蓋率。

5 小結(jié)

利用ArcEngine組件和C#.NET開發(fā)語言研發(fā)了監(jiān)測點(diǎn)的選址功能軟件，與應(yīng)用傳統(tǒng)的選址方法相比，節(jié)省了因大量的實(shí)地考察而耗費(fèi)巨大的人力、物力和財(cái)力。選擇在內(nèi)蒙古白狼林場進(jìn)行了初步試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)利用GIS柵格數(shù)據(jù)鄰域分析方法可以快速準(zhǔn)確地從DEM數(shù)據(jù)中提取山頂點(diǎn)，通過可視性分析計(jì)算出盲區(qū)的面積，合理布局監(jiān)測點(diǎn)。課題組將繼續(xù)研究選址軟件的三維可視化功能，從而更加直觀、準(zhǔn)確的布局監(jiān)測點(diǎn)。

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