□ 賈曉亮

（山西省綜合地理信息中心，山西 太原 030001）

基于天地圖的智能化森林防火應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

□ 賈曉亮

（山西省綜合地理信息中心，山西 太原 030001）

根據(jù)森林防火指揮管理工作的實際需求，本文提出了基于天地圖的智能化森林防火應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)思路，詳細闡述了系統(tǒng)的架構(gòu)和功能設(shè)計?；谔斓貓D的森林防火應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)，節(jié)約了建設(shè)成本，縮短了開發(fā)周期，提升了服務(wù)應(yīng)用能力。系統(tǒng)實現(xiàn)了森林防火災(zāi)前、災(zāi)中和災(zāi)后三個階段中的智能化應(yīng)用，使森林防火工作邁進了智能化管理階段。

天地圖；森林防火；地理信息服務(wù)

1.引言

山西省每年都會發(fā)生一些森林火災(zāi)，給森林資源造成了極大的損失，嚴重影響生態(tài)環(huán)境平衡。森林防火工作是保障林業(yè)發(fā)展、加強生態(tài)建設(shè)的基礎(chǔ)，是防災(zāi)、減災(zāi)工作的重要內(nèi)容之一，也是公共安全應(yīng)急體系建設(shè)的重要部分，事關(guān)到森林資源安全、生態(tài)安全和人民群眾生命財產(chǎn)安全。為了減少火災(zāi)對森林的破壞，森林防火需要做好預(yù)防和撲救兩個方面的工作。森林火災(zāi)常常發(fā)生在林區(qū)，不容易被發(fā)現(xiàn)，同時森林火災(zāi)危害嚴重、撲滅困難，如能在剛剛發(fā)生時進行撲救，就易于撲滅火災(zāi)，因此，如何能及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)位置對于撲滅火災(zāi)具有重要意義。

利用視頻監(jiān)控和圖像識別技術(shù)，通過地理信息公共服務(wù)平臺準確定位和展示森林火災(zāi)發(fā)生的時空分布過程，結(jié)合林業(yè)管理的專業(yè)知識和林業(yè)防火的模型，建立智能化的森林防火應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)林區(qū)的火情監(jiān)控、火點精確定位、火險等級預(yù)測、撲救指揮決策、災(zāi)后評估等多方面功能，使指揮決策快速反應(yīng)、智能化管理，是森林防火管理系統(tǒng)的當前發(fā)展方向。

2.建設(shè)思路

“天地圖·山西”采用SOA架構(gòu)，整合了山西省的基礎(chǔ)地理空間信息資源，利用現(xiàn)代信息服務(wù)技術(shù)，面向各級政府、行業(yè)用戶以及社會公眾建立了權(quán)威的、開放的地理信息服務(wù)平臺。平臺對各種分布式的、異構(gòu)的地理信息數(shù)據(jù)資源進行一體化組織管理，消除了信息孤島和數(shù)字鴻溝，實現(xiàn)了地理信息數(shù)據(jù)資源的共享及網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用服務(wù)。平臺改進了測繪地理信息成果的服務(wù)方式，在保障數(shù)據(jù)安全的同時，解決了用戶數(shù)據(jù)拷貝、更新、維護等問題，可靈活快速搭建各類應(yīng)用系統(tǒng)，解決了重復(fù)建設(shè)問題，為政府部門節(jié)約大量的財政支出。

基于天地圖的智能化森林防火應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)研究，是面向省、市、縣不同應(yīng)用級別的森林防火應(yīng)急響應(yīng)的業(yè)務(wù)需求，依托于天地圖提供的多源、多尺度的基礎(chǔ)地理信息和標準地理信息服務(wù)接口，結(jié)合森林防火專題信息和森林資源信息，構(gòu)建森林防火地理信息服務(wù)體系，實現(xiàn)林火監(jiān)測、火險預(yù)測、撲救指揮決策、火災(zāi)損失評估等功能，形成平災(zāi)一體、快速服務(wù)的智能化森林防火指揮管理平臺，為森林防火指揮管理工作提供實時、高效、全方位的地理信息服務(wù)保障。

3.系統(tǒng)框架設(shè)計

基于天地圖的智能化森林防火應(yīng)用系統(tǒng)是以空間基礎(chǔ)地理信息為基礎(chǔ)，采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)，由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層和支撐層四個具有內(nèi)在聯(lián)系、層次結(jié)構(gòu)分明的層次有機組成，并從技術(shù)標準與規(guī)范、質(zhì)量控制與檢查構(gòu)建系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量保障。系統(tǒng)總體框架，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

3.1數(shù)據(jù)層

由基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、森林防火專題數(shù)據(jù)庫、森林資源數(shù)據(jù)庫、火險預(yù)測模型庫及預(yù)案管理庫和相應(yīng)的元數(shù)據(jù)與目錄數(shù)據(jù)等部分構(gòu)成數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)層。以天地圖提供的數(shù)據(jù)服務(wù)為基礎(chǔ)，面向森林防火應(yīng)用需求，將森林防火專題數(shù)據(jù)、森林資源數(shù)據(jù)發(fā)布標準OGC服務(wù)，構(gòu)建森林防火地理信息服務(wù)?；痣U預(yù)測模型庫存儲了森林火險預(yù)測分析的各種模型，預(yù)案管理庫是對森林防火應(yīng)急處置各種類型的森林火災(zāi)事件時的相關(guān)措施及應(yīng)急預(yù)案進行建庫，元數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)目錄是數(shù)據(jù)層中包含的各種類型數(shù)據(jù)的說明以及森林防火數(shù)據(jù)目錄結(jié)構(gòu)的說明性信息。

3.2服務(wù)層

服務(wù)層依托數(shù)據(jù)層支持、面向系統(tǒng)應(yīng)用層，包含數(shù)據(jù)訪問組件、GIS服務(wù)組件、應(yīng)用服務(wù)組件、管理服務(wù)組件等部分。數(shù)據(jù)訪問組件是為應(yīng)用服務(wù)組件提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫連接管理和數(shù)據(jù)訪問接口，GIS服務(wù)組件為系統(tǒng)前端應(yīng)用提供地理信息數(shù)據(jù)和分析服務(wù)接口，應(yīng)用服務(wù)組件通過服務(wù)組件為前端應(yīng)用子系統(tǒng)中的各種操作提供服務(wù)的功能集合，管理服務(wù)組件為構(gòu)建后臺管理系統(tǒng)提供基本功能模塊。

3.3應(yīng)用層

應(yīng)用層使用服務(wù)層提供的服務(wù)組件，根據(jù)森林防火應(yīng)急管理中火險預(yù)測、火情監(jiān)測定位、指揮決策與災(zāi)后評估不同階段的需求構(gòu)建的應(yīng)用系統(tǒng)及數(shù)據(jù)維護與系統(tǒng)配置系統(tǒng)。

面向森林火險預(yù)測的應(yīng)用子系統(tǒng)主要對森林火災(zāi)發(fā)生相關(guān)的植被情況、天氣狀況、地形地貌和人類活動情況等因素進行統(tǒng)籌分析，得出森林火災(zāi)發(fā)生的可能性和蔓延難易程度的度量評級，是森林防火宏觀決策和分類指導(dǎo)的科學依據(jù)。面向火情監(jiān)測定位階段的應(yīng)用子系統(tǒng)主要針對林區(qū)監(jiān)控和火點快速定位的需求，利用視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)，提供信息采集、圖像識別、火點定位、信息查詢定位等功能，為森林防火管理部門高效有序應(yīng)對林火事件和科學決策提供信息來源。面向指揮決策的應(yīng)用子系統(tǒng)用于森林火災(zāi)撲救過程中現(xiàn)場態(tài)勢展現(xiàn)、輔助決策分析、指揮部署等過程。面向災(zāi)后評估的應(yīng)用子系統(tǒng)是為災(zāi)后對森林火災(zāi)造成的損失情況進行調(diào)查評估。數(shù)據(jù)維護與系統(tǒng)配置子系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的編輯、數(shù)據(jù)關(guān)系的維護及配置參數(shù)的管理。

3.4運行層

運行層是系統(tǒng)運行的支撐與保障，由軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)和保障體系等內(nèi)容組成。軟件包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理軟件、GIS平臺以及系統(tǒng)開發(fā)所需的各種中間件等,硬件包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲設(shè)備、遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全保障以及不間斷電源等,網(wǎng)絡(luò)包括系統(tǒng)運行所需的森林防火指揮網(wǎng)絡(luò),安全保障包括標準規(guī)范和運行管理辦法，這些設(shè)備和規(guī)范保障了系統(tǒng)的長效穩(wěn)定運行。

4.系統(tǒng)功能實現(xiàn)

根據(jù)森林防火管理應(yīng)用需求，智能化森林防火應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)包括地理信息、火險預(yù)測、火情監(jiān)測定位、指揮決策、災(zāi)后評估和系統(tǒng)維護六大功能模塊，如圖2所示。

4.1地理信息模塊

圖2 系統(tǒng)功能模塊圖

地理信息模塊是系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能模塊，是各類空間信息的綜合承載及分析平臺。該模塊基于天地圖服務(wù)，實現(xiàn)了二維地圖和三維地圖功能。二三維地圖功能包含了地圖瀏覽、三維場景瀏覽、圖層控制、量算分析、坐標定位等功能，能在圖上查詢顯示基礎(chǔ)地理信息、森林防火專題信息、森林資源信息等信息，還可進行圖上標繪和分析結(jié)果展示。

4.2火險預(yù)測模塊

森林火災(zāi)發(fā)生的影響因素主要有氣候、植被、地形和人類影響等因子?；痣U預(yù)測模塊是將氣象部門發(fā)布的天氣信息與林區(qū)植被現(xiàn)狀、地形情況、交通分布、居民地分布等信息按權(quán)重系數(shù)轉(zhuǎn)化為林區(qū)火險因子并計算生成火險等級指標，調(diào)用森林火險預(yù)測評估模型，對林區(qū)進行火險等級分級區(qū)劃，生成火險等級預(yù)測專題圖和氣象信息專題圖，為森林火災(zāi)防控服務(wù)。

4.3火情監(jiān)測定位

火情監(jiān)測定位是采用視頻監(jiān)控、圖像識別和三維單點定位技術(shù)，通過視頻監(jiān)控中的圖像進行分析識別，如發(fā)現(xiàn)林區(qū)有火情，系統(tǒng)利用地形自動確定火災(zāi)發(fā)生位置并報警提示。火情監(jiān)測定位模塊與森林防火遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)相連接，根據(jù)視頻監(jiān)控的水平旋轉(zhuǎn)角度、俯仰角度和高程信息，利用數(shù)字高程模型和三維地理信息單點定位算法，精確計算出視頻監(jiān)控顯示圖像中心位置的經(jīng)度、緯度和海拔高度。當視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)火情時，火情監(jiān)控定位模塊自動接收報警信息，自動計算火點位置的坐標信息，并在地圖上標注定位，還可將火點位置信息以短信方式發(fā)送到相關(guān)人員手機上。該模塊同時提供坐標和地名定位功能，用戶可以直接輸入火災(zāi)發(fā)生位置的坐標進行圖上定位，還可以輸入火災(zāi)發(fā)生地點名稱，系統(tǒng)利用地名查詢匹配實現(xiàn)火點的快速定位。

圖3 火點定位

4.4 火災(zāi)撲救指揮模塊

火災(zāi)撲救指揮模塊包含應(yīng)急預(yù)案、輔助分析、地圖標繪和監(jiān)控定位。系統(tǒng)集成應(yīng)急預(yù)案管理功能，在火災(zāi)發(fā)生后快速啟動火場所在地區(qū)的應(yīng)急預(yù)案，按照既定預(yù)案進行火災(zāi)的撲救指揮，做到應(yīng)對火災(zāi)處置時能及時反應(yīng)、快速決策、科學撲救。輔助分析功能是調(diào)用地理信息服務(wù)平臺所發(fā)布的空間分析服務(wù)，實現(xiàn)了空間量算、路徑查找、最近設(shè)施查找、緩沖區(qū)查詢、地形分析等分析功能，為救援決策指揮提供科學的依據(jù)。地圖標繪功能提供了森林防火相關(guān)的專用符號庫，可以將火場態(tài)勢和指揮員命令部署標繪到電子地圖中，還可將標繪地圖內(nèi)容進行打印輸出。監(jiān)控定位功能能夠?qū)崟r獲取救援隊伍、車輛的位置信息，可以在地圖中顯示隊伍的行動位置及其行進的路線。

圖4 地圖標繪

4.5災(zāi)后處置模塊

災(zāi)后處置模塊實現(xiàn)了災(zāi)后對森林火災(zāi)造成的影響進行評估和統(tǒng)計，主要包含火災(zāi)調(diào)查和災(zāi)后損失評估統(tǒng)計功能。森林過火面積是衡量森林火災(zāi)影響程度最重要的評價指標，火災(zāi)調(diào)查就是要確定過火范圍和面積，通過過火面積進行損失評估計算。系統(tǒng)支持從地圖上直接標繪范圍和GPS實測坐標導(dǎo)入生成過火區(qū)域并自動計算過火面積。災(zāi)后損失評估統(tǒng)計是通過林木受害范圍和過火面積對森林資源數(shù)據(jù)進行提取統(tǒng)計，通過評估模型計算受害林木蓄積量、經(jīng)濟損失和森林火災(zāi)等級。

4.6系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理模塊實現(xiàn)了對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的維護管理及用戶權(quán)限分配功能，數(shù)據(jù)管理維護功能實現(xiàn)了對系統(tǒng)中的森林防火專題數(shù)據(jù)進行編輯、導(dǎo)入、導(dǎo)出、備份及恢復(fù)功能，用戶管理功能實現(xiàn)了對系統(tǒng)中的用戶、部門、角色和權(quán)限的管理與維護。

5.結(jié)語

“天地圖·山西”以豐富的地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提供標準統(tǒng)一的地理信息在線服務(wù)，將森林防火的各種信息進行集成和融合，有效的解決了地理信息數(shù)據(jù)采集、存儲、更新、維護等諸多技術(shù)瓶頸，極大地降低了森林防火應(yīng)用系統(tǒng)的地理信息數(shù)據(jù)使用成本和建設(shè)成本。通過地理信息服務(wù)、位置服務(wù)、視頻監(jiān)控等技術(shù)建立的基于天地圖的森林防火應(yīng)用系統(tǒng)，滿足了森林防火工作中火險預(yù)測、火情發(fā)現(xiàn)、撲救指揮、災(zāi)后評估等多個階段應(yīng)用需求，實現(xiàn)了火災(zāi)的智能化發(fā)現(xiàn)定位、指揮決策的智能化分析、災(zāi)后的智能化評估，對森林防火工作向智能化管理階段邁進有著重要的意義。

【1】衛(wèi)東.山西省地理信息應(yīng)急服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2012(9):83-86.

【2】侯志鵬，賈曉亮.GIS系統(tǒng)在林火定位中的應(yīng)用[J].華北國土資源，2012(5):67-71.

【3】黃寶華，孫治軍，周利霞等.基于綜合火險指數(shù)的森林火險預(yù)報[J].消防科學與技術(shù)，2011(12):7-11.

【4】高昌海，顧香鳳，荊玉惠.森林火災(zāi)損失評估方法的研究[J];林業(yè)科技;2007.32(4):39-40.

【5】衛(wèi)東.面向服務(wù)的山西省地理信息公共服務(wù)平臺建設(shè)[J].地理信息世界，2012(1):76-79.

賈曉亮（1981年10月——），男，漢族，山西榆次人，碩士，2003年畢業(yè)于山西大學計算機科學與技術(shù)專業(yè)，工程師，主要從事地理信息應(yīng)用研究工作。

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2095－7319（2014）01－0056－06