洪濤,陳克偉,張志堅(jiān)

(昆明市測(cè)繪研究院,云南昆明 650051)

三維森林資源管理與防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
——以國(guó)家級(jí)昆明經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)為例

洪濤?,陳克偉,張志堅(jiān)

(昆明市測(cè)繪研究院,云南昆明 650051)

隨著科技的不斷進(jìn)步,目前使用三維可視化手段已經(jīng)可以完美實(shí)現(xiàn)地形數(shù)據(jù)的三維展示和查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和分析等功能應(yīng)用,為防火應(yīng)急指揮提供科學(xué)決策依據(jù)。系統(tǒng)以Skyline為展示平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),充分利用GIS在分析、查詢(xún)等方面的成熟技術(shù),最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集森林資源管理與防火應(yīng)急指揮為一體的系統(tǒng),通過(guò)應(yīng)用證明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、先進(jìn)、實(shí)用、可操作性強(qiáng),達(dá)到了系統(tǒng)建設(shè)的預(yù)期目標(biāo),為今后在旅游展示、地籍管理、房產(chǎn)管理、智能交通等行業(yè)中的應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

森林資源;森林防火;應(yīng)急指揮;系統(tǒng)建設(shè)

1 引 言

森林火災(zāi)是危害森林資源的主要災(zāi)害,防范和減少森林火災(zāi)是林業(yè)工作的重要組成部分,是保護(hù)森林資源的重要措施[1～3]。但是,由于人們?cè)谏鐣?huì)活動(dòng)中的某些失控和異常自然因素影響等原因,森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生,對(duì)人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)、地球資源及生態(tài)環(huán)境造成了巨大的危害。當(dāng)森林火災(zāi)發(fā)生時(shí),如何及時(shí)掌握火點(diǎn)周?chē)厩闆r,采取科學(xué)有效的方法撲滅林火、減少損失,已成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外森林防火領(lǐng)域的一個(gè)重要研究熱點(diǎn)。本系統(tǒng)以Skyline為展示平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),充分利用GIS在分析、查詢(xún)等方面的成熟技術(shù),最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集森林資源管理與防火應(yīng)急指揮為一體的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)目標(biāo)

系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)主要包括三點(diǎn):

(1)制定符合昆明經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)際情況的森林資源與森林防火信息的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[4,5],包括信息采集標(biāo)準(zhǔn)、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范和數(shù)據(jù)檢索規(guī)范等。

(2)建立林業(yè)基礎(chǔ)信息平臺(tái)框架。在國(guó)家級(jí)昆明經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱(chēng):經(jīng)開(kāi)區(qū))三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)之上,增加林業(yè)專(zhuān)題數(shù)據(jù),生成全區(qū)森林資源分布電子地圖。

(3)建立森林防火空間信息庫(kù)。在林業(yè)基礎(chǔ)信息平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)與森林防火各要素空間信息的連續(xù);開(kāi)發(fā)經(jīng)開(kāi)區(qū)三維森林資源管理與防火應(yīng)急指揮系統(tǒng),提高日常森林資源管理和撲火決策指揮效率。

3 現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

目前,經(jīng)開(kāi)區(qū)在林業(yè)專(zhuān)題數(shù)據(jù)、林業(yè)設(shè)施數(shù)據(jù)、撲火隊(duì)伍信息等數(shù)據(jù)管理方面還停留在對(duì)傳統(tǒng)的紙質(zhì)數(shù)據(jù)管理程度,這些數(shù)據(jù)難以系統(tǒng)地保存、管理和維護(hù);在防火預(yù)案制作方面僅依靠文字描述,無(wú)法實(shí)現(xiàn)直觀的展示預(yù)案內(nèi)容;火災(zāi)發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)撲救決策者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)火情憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行撲救指揮工作,無(wú)法從全局對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況把握,決策指揮缺少科學(xué)的理論依據(jù)。因此,經(jīng)開(kāi)區(qū)在森林資源管理與防火應(yīng)急指揮方面面臨著諸多亟待解決的問(wèn)題:

(1)功能方面:要能滿足對(duì)森林資源的日常管理;將傳統(tǒng)的紙質(zhì)防火預(yù)案運(yùn)用標(biāo)繪功能在系統(tǒng)中生動(dòng)展示;根據(jù)突發(fā)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況,在系統(tǒng)中實(shí)時(shí)展現(xiàn)火場(chǎng)態(tài)勢(shì)及人員部署情況,并為撲救決策者提供輔助決策分析功能。

(2)數(shù)據(jù)種類(lèi)繁多:針對(duì)不同類(lèi)型的數(shù)據(jù),采用不同的存儲(chǔ)方式,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)的查詢(xún)、更新、管理等。

(3)確保數(shù)據(jù)安全:只有對(duì)林業(yè)數(shù)據(jù)資料整理、入庫(kù)并進(jìn)行統(tǒng)一、安全地保存、管理、維護(hù)、共享和應(yīng)用,才能滿足經(jīng)開(kāi)區(qū)的內(nèi)部管理需要并可為社會(huì)提供服務(wù)。

4 解決思路

為了保證經(jīng)開(kāi)區(qū)在防火應(yīng)急指揮中各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行以及今后經(jīng)開(kāi)區(qū)森林資源的建設(shè)、管理,有必要建立一個(gè)專(zhuān)業(yè)、科學(xué)、先進(jìn)的森林資源管理系統(tǒng),實(shí)時(shí)地對(duì)森林資源數(shù)據(jù)查詢(xún)、更新、管理等,為經(jīng)開(kāi)區(qū)的防火應(yīng)急指揮提供全面、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

隨著科技的不斷進(jìn)步,目前使用三維可視化手段已經(jīng)可以完美實(shí)現(xiàn)地形數(shù)據(jù)的三維展示和查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)和分析等功能應(yīng)用,為防火應(yīng)急指揮提供科學(xué)決策依據(jù)。同時(shí),在國(guó)內(nèi)、省內(nèi)都已經(jīng)有建設(shè)森林資源管理和防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)的成功案例。

因此,我們提出建立基于三維可視化應(yīng)用的國(guó)家級(jí)昆明經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)三維森林資源管理與防火應(yīng)急指揮系統(tǒng)平臺(tái)。

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中,考慮到關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全保密性,本系統(tǒng)將由物理隔離的內(nèi)、外網(wǎng)組成,防火預(yù)案管理、應(yīng)急指揮管理、損失評(píng)估等構(gòu)成的三維森林防火綜合管理系統(tǒng)部署在內(nèi)網(wǎng)上;而主要提供天氣信息及防火等級(jí)的獲取方式的三維防火外網(wǎng)系統(tǒng)將部署在外網(wǎng)上。內(nèi)、外網(wǎng)通信由電子報(bào)盤(pán)搭建橋梁,電子報(bào)盤(pán)只能在指定的兩臺(tái)工作站之間傳遞指定的數(shù)據(jù)。

三維防火外網(wǎng)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖,如圖1所示:

圖1 三維防火外網(wǎng)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

三維森林防火綜合管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖,如圖2所示:

圖2 三維森林防火綜合管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合經(jīng)開(kāi)區(qū)管委會(huì)已有的軟硬件資源和網(wǎng)絡(luò)資源以及用戶對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)需求、安全性及對(duì)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性等方面綜合考慮,系統(tǒng)基于B/S模式,采用SOA架構(gòu),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用機(jī)架式服務(wù)器加磁盤(pán)陣列的方式進(jìn)行,服務(wù)器包括:應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和備份服務(wù)器。同時(shí)配備了防火墻和企業(yè)版網(wǎng)絡(luò)防病毒軟件作為系統(tǒng)安全的保證。系統(tǒng)部署邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖3所示:

圖3 系統(tǒng)部署邏輯結(jié)構(gòu)圖

4.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維防火外網(wǎng)系統(tǒng)采用內(nèi)嵌權(quán)威網(wǎng)站的網(wǎng)頁(yè)方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。

三維森林防火綜合管理系統(tǒng)在基礎(chǔ)軟硬件環(huán)境、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的支撐之下,基于基礎(chǔ)二維和三維GIS平臺(tái),進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),封裝出具備良好可擴(kuò)展性的三維接口服務(wù)集,并在此基礎(chǔ)上不斷深化系統(tǒng)業(yè)務(wù),開(kāi)發(fā)出面向終端用戶的具有友好用戶界面的應(yīng)用系統(tǒng),很好完成了系統(tǒng)的建設(shè)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖如圖4所示:

圖4 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

三維森林防火綜合管理系統(tǒng)自下而上可劃分為5個(gè)層次,即基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

基礎(chǔ)層包括系統(tǒng)運(yùn)行的操作系統(tǒng)、存儲(chǔ)系統(tǒng)、主機(jī)設(shè)備、服務(wù)器等軟件及硬件環(huán)境。

數(shù)據(jù)層采用SQLServer 2008作為數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng),用于存放和管理各類(lèi)空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),為系統(tǒng)提供必要的數(shù)據(jù)支持。

平臺(tái)層主要是指系統(tǒng)搭建的基礎(chǔ)地理信息平臺(tái),三維GIS平臺(tái)采用Skyline 6.1中文版、二維GIS數(shù)據(jù)管理平臺(tái)采用ArcSDE 10.0。

服務(wù)層通過(guò)三維接口服務(wù)集子系統(tǒng)、運(yùn)維管理子系統(tǒng)和三維森林防火綜合管理系統(tǒng)接受來(lái)自應(yīng)用層的服務(wù)請(qǐng)求,并提供相應(yīng)的響應(yīng),同時(shí)在需要地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí),系統(tǒng)將調(diào)用二維和三維GIS平臺(tái)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

應(yīng)用層是用戶向服務(wù)層發(fā)送請(qǐng)求服務(wù),并接受系統(tǒng)響應(yīng)。

5 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

5.1 三維防火外網(wǎng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要提供給用戶獲取經(jīng)開(kāi)區(qū)范圍內(nèi)的各種氣象信息提供一種便捷的通道。通過(guò)外網(wǎng)系統(tǒng),用戶只需要在瀏覽器中輸入系統(tǒng)地址,即可以實(shí)時(shí)從權(quán)威網(wǎng)站中獲取經(jīng)開(kāi)區(qū)范圍內(nèi)的風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度等氣象信息;同時(shí)獲取經(jīng)開(kāi)區(qū)區(qū)域范圍內(nèi)的高森林火險(xiǎn)天氣警報(bào)、一周火險(xiǎn)預(yù)報(bào)、火險(xiǎn)氣象等級(jí)預(yù)報(bào)等信息,如圖5所示。

5.2 三維森林防火綜合管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于對(duì)建設(shè)方林地資源進(jìn)行有效管理,在管理好數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上,充分發(fā)揮數(shù)據(jù)資源的價(jià)值,利用各類(lèi)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行森林防火預(yù)案的編制,為森林防火工作及應(yīng)急指揮提供直觀方便的輔助決策方式,提高決策效率。

(1)基本功能

基本功能包括查詢(xún)定位、量測(cè)、分析、瀏覽方式、運(yùn)維管理等。

系統(tǒng)提供了靈活、操作簡(jiǎn)單的各種信息的查詢(xún)及定位方式,并提供多條件模糊查詢(xún)、緩沖區(qū)分析等查找感興趣的圖層數(shù)據(jù)信息內(nèi)容。

提供多種量測(cè)方式,包括水平量測(cè)、空間量測(cè)、面積量測(cè)等,并對(duì)量測(cè)結(jié)果提供多種數(shù)據(jù)單位形式,例如:面積量測(cè)結(jié)果包括平方千米、公頃和畝。

分析功能包括等高線分析、坡度分析、視域分析、通視分析等,為展開(kāi)撲救工作時(shí)查看地形信息和選址提供了決策保障。

瀏覽方式包括環(huán)繞飛行、前方瀏覽、后方瀏覽、放大、縮小等,方便用戶從各個(gè)角度對(duì)感興趣區(qū)域進(jìn)行查看。

運(yùn)維管理不僅包括對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)中用戶的增、刪、改等操作,還包括對(duì)用戶的功能權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限的設(shè)置、查看、修改等,如圖6所示。

圖6 坐標(biāo)快速定位和等高線分析

(2)防火預(yù)案管理

防火預(yù)案模擬是森林防火輔助決策的重要功能之一。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種可能性火災(zāi)撲救情況的預(yù)先模擬,并針對(duì)這次可能性的火災(zāi)(火災(zāi)熱點(diǎn))或者已經(jīng)發(fā)生了的火災(zāi)(著火點(diǎn))地點(diǎn)、周邊環(huán)境因子、氣象因子以及專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)中的撲救信息,輔助做出合理有效的科學(xué)撲救方案;并通過(guò)查詢(xún)分析功能獲取火點(diǎn)及其周?chē)闹匾O(shè)施、危險(xiǎn)設(shè)施設(shè)備、周?chē)扇嘉锏念?lèi)型等重要信息,再根據(jù)周?chē)缆非闆r查找合適的消防隊(duì),將火點(diǎn)位置、最短路徑等信息以彩信(圖片)、短信(文本)的方式實(shí)時(shí)發(fā)送給消防隊(duì)員或在前端參加戰(zhàn)斗的工作人員;通過(guò)系統(tǒng)的標(biāo)繪功能,實(shí)現(xiàn)將火場(chǎng)情況及人員部署情況按撲救步驟進(jìn)行標(biāo)繪;系統(tǒng)還提供了對(duì)已經(jīng)完成的各種預(yù)案的管理功能,如圖7所示。

圖7 防火預(yù)案管理

(3)應(yīng)急指揮管理

應(yīng)急指揮管理功能突出實(shí)時(shí)在三維場(chǎng)景中的輔助指揮能力。應(yīng)急指揮功能可實(shí)時(shí)對(duì)火場(chǎng)情況和人員分布情況進(jìn)行標(biāo)繪,以某著火點(diǎn)為起始點(diǎn),系統(tǒng)綜合風(fēng)力風(fēng)向因素、植被及可燃物、地形地貌、阻隔物等因子,通過(guò)先進(jìn)的數(shù)學(xué)分析模型分別計(jì)算出所預(yù)先設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)的林火蔓延情況,如圖8所示;并可通過(guò)林火蔓延分析情況查詢(xún)周邊危險(xiǎn)設(shè)備設(shè)施等信息;通過(guò)實(shí)時(shí)的風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度等分析火場(chǎng)所在地的森林火險(xiǎn)等級(jí),為撲救決策提供決策支持;最后通過(guò)標(biāo)繪功能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)撲救情況進(jìn)行部署并實(shí)施。

圖8 林火蔓延分析

(4)損失評(píng)估

發(fā)生火災(zāi)后,可通過(guò)多種方法獲得過(guò)火區(qū)域,例如:根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況直接在地圖上進(jìn)行勾畫(huà)出過(guò)火區(qū)域,或者使用GPS設(shè)備對(duì)過(guò)火區(qū)域的軌跡進(jìn)行采集,并在地圖上準(zhǔn)確生成對(duì)應(yīng)的過(guò)火區(qū)域及其面積,再結(jié)合小班信息及林木的市場(chǎng)價(jià)格估算林地?fù)p失情況;并將此次火災(zāi)中破壞或損壞的其他設(shè)施設(shè)備,如房屋、道路、橋梁等進(jìn)行市場(chǎng)估價(jià),最后初步估算得出此次森林火災(zāi)的損失情況,同時(shí)該功能還可以應(yīng)用于日常管理工作中的違法破壞占用林地資源的損失評(píng)估工作,如圖9所示。

圖9 火災(zāi)損失計(jì)算

(5)林地資源管理

該功能主要解決林業(yè)數(shù)據(jù)資源的日常管理工作,包括對(duì)系統(tǒng)所涉及的各種林業(yè)數(shù)據(jù)及其對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、管理、維護(hù)和更新等工作,如圖10所示。

圖10 林地資源管理

5 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)采用先進(jìn)的三維地理信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)了火點(diǎn)快速定位、輔助分析決策指揮、災(zāi)后損失評(píng)估等功能,并將其部署于經(jīng)開(kāi)區(qū)管委會(huì)內(nèi)部政務(wù)網(wǎng)中,使得林業(yè)管理業(yè)務(wù)在經(jīng)開(kāi)區(qū)管委會(huì)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了透明化、公開(kāi)化;并將傳統(tǒng)的紙質(zhì)防火預(yù)案和紙質(zhì)圖紙數(shù)據(jù)在三維系統(tǒng)中生動(dòng)形象展示,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的實(shí)時(shí)交互;在應(yīng)急指揮方面為指揮者提供了強(qiáng)大的標(biāo)繪功能和各種輔助決策功能。通過(guò)應(yīng)用證明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、先進(jìn)、實(shí)用、可操作性強(qiáng),達(dá)到了系統(tǒng)建設(shè)的預(yù)期目標(biāo),為今后在旅游展示、地籍管理、房產(chǎn)管理、智能交通等行業(yè)中的應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

為了使經(jīng)開(kāi)區(qū)森林防火工作能更上一個(gè)臺(tái)階,系統(tǒng)的下一步開(kāi)發(fā)應(yīng)著力研建實(shí)現(xiàn)林火自動(dòng)監(jiān)測(cè)、報(bào)告;實(shí)現(xiàn)對(duì)護(hù)林人員的實(shí)時(shí)定位和管理功能;建立與國(guó)家、省、市、縣間的信息聯(lián)網(wǎng)與互動(dòng)指揮;并著力解決森林防火地理信息指揮系統(tǒng)、火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、森林防火信息管理系統(tǒng)等之間的信息共享與更新問(wèn)題;應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)以三維效果為主的顯示功能,提高系統(tǒng)的可視化程度,使森林防火指揮更加直觀[6]。

[1] 高顯連,王慶杰.防災(zāi)/森林防火信息系統(tǒng)的主要技術(shù)[J].林業(yè)資源管理,2003,8(4):51～55.

[2] 江建生.湖北省森林防火指揮決策系統(tǒng)有關(guān)問(wèn)題的探討[J].湖北林業(yè)科技,2003(4):33～35.

[3] 方永池,葉速輝,丘華衛(wèi).GPS技術(shù)在森林防火指揮無(wú)線通信指揮系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].森林防火,2003(4):33～36.

[4] 閻正.城市地理信息系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化指南[M].北京:科學(xué)出版社,1998.

[5] 方陸明.我國(guó)森林資源信息管理的發(fā)展[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào),2001,18(3):302～328.

[6] 梁九姝,王喚良.基于GIS的森林資源動(dòng)態(tài)變化預(yù)測(cè)[J].森林工程,2007,23(6):6～7.

Three-dimensional Forest Resource Management and Fire Emergency Command System Design and Implementation——A Case Study In Kunming National Economic and Technological Development Zone

Hong Tao,Chen Kewei,Zhang Zhijian
(Kunming Surveying and Mapping Research Institute,Kunming 650051,China)

As technology advances,the current use of visualization tools have been able to achieve the perfect terrain data applications such as three-dimensional display functions and query,statistics and analysis,and provide scientific basis for decision making fire emergency command.Skyline showcase system for secondary development,make full use of GIS in the analysis,query and other mature technology,designed to achieve the ultimate collection of forest resource management and fire emergency command system as a whole,through the application prove that the system is stable performance,advanced,practical,workable,system construction to achieve the desired objectives for future application in tourism show,cadastral management,property management,intelligent transportation and other industries provide a valuable experience.

forest resources;forest fire;emergency command;system construction

1672-8262(2014)06-82-05

P208.2

B

2014—08—13

洪濤(1971—),女,高級(jí)工程師,主要從事城市測(cè)繪及地理信息系統(tǒng)的研究和應(yīng)用工作。