周生瑞，陳順偉，潘穎瑛，茅史亮，何 誠，舒立福

（1.國家林業(yè)和草原局北方航空護林總站，黑龍江 哈爾濱 150027；2.浙江省航空護林管理站，浙江 杭州 31000；3.中國林業(yè)科學研究院 森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100091）

1987年大興安嶺“5·6”大火發(fā)生后，我國加強了森林火災預測預報、火災監(jiān)測、撲救等技術(shù)的研究[1]。森林防火管理系統(tǒng)的相關(guān)研究得以快速發(fā)展，逐步走向正規(guī)化。我國的林火管理系統(tǒng)基本上都是基于3S技術(shù)開發(fā)平臺，主要分為林火信息管理、林火監(jiān)測與預報、林火設施布局、林火撲救和災后評估等模塊[2]。1992年研建的基于GIS的國家林火管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了模型庫、數(shù)據(jù)庫和地形庫的一體化，并在全國范圍內(nèi)推廣。1995年，國家林業(yè)局森林防火辦公室和中國林業(yè)科學研究院通過引進地理信息系統(tǒng)，開發(fā)了森林防火地理信息系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)、撲火地理信息系統(tǒng)等[3]。國家林業(yè)局森林防火辦公室采用ERDAS Virtural GIS與野外實時監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建了重點區(qū)域?qū)崟r防火監(jiān)控與指揮系統(tǒng)，主要用于林火監(jiān)測和輔助撲救決策。

與此相比較，20世紀80年代以后，國外就已經(jīng)研發(fā)了各自的森林火災管理系統(tǒng)。比如，1972年美國的火險預報系統(tǒng)[4]、1987年加拿大的森林火險等級系統(tǒng)[5]以及1988年美國的野外火管理輔助決策系統(tǒng)等[6]。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，森林火災預防與監(jiān)控的方法，也由傳統(tǒng)的以地面巡護為主的被動方式向多方位保護發(fā)展，不僅有地面巡護，更多時候是采取以瞭望臺監(jiān)測、航空巡護和衛(wèi)星遙感相結(jié)合的方式[7]。美國采用的智能微塵監(jiān)測網(wǎng)絡，利用航空巡護進行森林溫度探測和準確測位，根據(jù)定位溫度異常點，利用飛機進行低空噴水降溫[8]。德國投入使用的是當前全歐洲最新的技術(shù)，應用數(shù)碼攝像技術(shù)的森林火災自動預警系統(tǒng)（Fire-Watch System）是一款經(jīng)過多年實地試驗的系統(tǒng)，它能夠及時識別與定位森林火災[9]。葡萄牙和俄羅斯研發(fā)的森林火災自動探測分析報警系統(tǒng)，不僅能及早發(fā)現(xiàn)森林中的著火點，并且極大地降低森林防火員的工作強度。葡萄牙的探測系統(tǒng)能夠準確地探測到火災，并在5分鐘內(nèi)向消防和其他相關(guān)應急部門傳送信息。

加拿大開發(fā)了許多國際著名的計算機林火管理系統(tǒng)，如加拿大森林火險等級系統(tǒng)、加拿大魁北克計算機林火管理系統(tǒng)以及加拿大資源與環(huán)境管理系統(tǒng)開發(fā)公司開發(fā)的林火管理系統(tǒng)等，對推動森林防火工作的現(xiàn)代化幫助很大[10]。

1 系統(tǒng)總體設計原則

本系統(tǒng)既可以實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的查詢檢索，又可以實現(xiàn)圖形到屬性和屬性到圖形的雙向查詢，包括按不同區(qū)域范圍（點、矩形、多邊形）的圖上查詢、任意（一個或多個）屬性項圖上顯示及對于屬性數(shù)據(jù)多種條件的復合查詢。其技術(shù)要點是，通過屬性數(shù)據(jù)表和圖形數(shù)據(jù)中的屬性表中相一致的編碼進行連接，相互定位搜索。因為屬性數(shù)據(jù)表的記錄數(shù)與圖形數(shù)據(jù)中的矢量圖形是通過編碼一一對應的，故不存在雙方一對多或多對一的可能，確保設計的準確實現(xiàn)。

具體地說，對于圖查屬性，按不同區(qū)域范圍包括點、矩形、多邊形，先將其區(qū)域范圍內(nèi)的所有矢量圖形（點、線、面）通過AO編程實現(xiàn)高亮顯示，當具體指定某一點（線、面）時，先提取該點（線、面）的編碼，編程實現(xiàn)該編碼的點（線、面）閃爍。如果編碼是12位，則說明其是防火專題屬性數(shù)據(jù)，然后根據(jù)編碼的第8、9位先連接外部屬性數(shù)據(jù)庫的相應表，再根據(jù)編碼定位該記錄，即可顯示其專題屬性詳細信息。如果編碼是9位，則說明其是林相數(shù)據(jù)，連接林相圖本身的屬性數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)其編碼定位該記錄，即可顯示其林場、林班、小班的詳細信息。對于屬性查圖（這里僅指外部數(shù)據(jù)庫中的專題屬性）也是同樣思路，只是過程顛倒。當用戶指定某一個或某幾個記錄時，先提取這些記錄編碼，根據(jù)其編碼在圖上定位其矢量圖形，然后高亮顯示。

對于屬性數(shù)據(jù)的多條件復合查詢，是通過其所屬關(guān)系和類別，根據(jù)編碼的定義確定其范圍。例如，要查找滿足以下復合條件的通信臺站：①管理部門歸賓縣林業(yè)局大泉子林場，②類別是固定超短波，則可歸結(jié)為滿足編碼=101060313***的所有記錄。

2 功能實現(xiàn)

2.1 空間定位

衛(wèi)星監(jiān)測到的熱點有些并不是林火，而是老百姓燒荒或林業(yè)部門燒防火隔離帶產(chǎn)生的。這就要求我們在系統(tǒng)功能實現(xiàn)過程中區(qū)別熱點信息，即：若是熱點就簡單記錄，若是林火則要詳細登記，以便今后對林火信息進行有效的管理和查詢（圖1和圖2）。

圖2 林火信息登記界面

2.2 智能查詢

對指定地點周圍的地理信息進行查詢，主要是在確定熱點和火點后，快速查看周圍的基本地理情況和防火設施（圖3）。該功能可通過以下兩種方式實現(xiàn)。

1）確定半徑查詢：在給定點周圍，進行確定半徑的查詢（圖3a和圖3c）。

2）不確定半徑查詢：與確定半徑查詢的功能相同，只是在中心點的選擇和半徑的選取上，都是用鼠標來完成的（圖3b和圖3c）。

圖3 智能查詢界面

2.3 森林資源信息查詢

森林資源信息查詢模塊分為兩部分：林場基本信息查詢和小班資源信息的條件查詢。

1）林場信息查詢。林場信息主要包括林場的各類土地面積、森林面積與蓄積、國有林場的類型等信息。主要流程如圖4a所示。

2）小班資源信息查詢。森林資源信息的查詢，主要是根據(jù)一定的查詢條件找出符合條件的小班森林資源，并顯示小班的基本森林資源信息及圖形數(shù)據(jù)。主要流程如圖4b所示。

圖4 森林資源信息查詢流程圖

3 森林防火專題屬性數(shù)據(jù)庫設計

3.1 數(shù)據(jù)庫設計的原則

系統(tǒng)專題屬性數(shù)據(jù)庫設計的總體原則是：①屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)分離；②重點考慮數(shù)據(jù)的合理性與科學性；③充分考慮數(shù)據(jù)的可擴充性和綜合性；④屬性數(shù)據(jù)庫表與圖形數(shù)據(jù)庫表用連接字段（編碼）聯(lián)系；⑤在進行表間連接設計時，確保存儲量最小和運行速度最快。

3.2 數(shù)據(jù)庫的邏輯設計（編碼的設計）

以紅花爾基森林防火地理信息系統(tǒng)為例，通過需求分析，首先確定了采用數(shù)據(jù)模型為關(guān)系模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，即使用SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。所謂關(guān)系模型，通俗地講就是一張二維表格。如何將一個二維數(shù)據(jù)與空間圖形數(shù)據(jù)相聯(lián)系，成為數(shù)據(jù)庫邏輯設計的關(guān)鍵。如果采用二維表格中的經(jīng)度、緯度與空間圖形數(shù)據(jù)相聯(lián)系，不但不能保證其唯一性，而且不能說明其代表的防火項目，所以需要單獨設計一個用戶并不知曉的編碼字段，以期具有唯一性。

定義字符型編碼共12位：前3位為市級地方林業(yè)局代碼；第4、5位為市林業(yè)局下轄縣林業(yè)局代碼；第6、7位為該縣林業(yè)局下轄林場代碼，即市林業(yè)局最多可以有99個，同一林業(yè)局最多可以有99個林場；第8、9位為該林場森林防火項目代碼（見表1）；最后3位為同一防火項目不同區(qū)位點代碼，即同一防火項目最多可以有999個，容量足夠本系統(tǒng)目前的使用和將來的擴充。例如：編碼101060302001表示的是紅花爾基林業(yè)局林場001號瞭望臺。

表1 林業(yè)局森林防火項目代碼

3.3 數(shù)據(jù)庫物理結(jié)構(gòu)的設計

根據(jù)用戶及系統(tǒng)的總體需要，建立森林防火GIS數(shù)據(jù)庫，其下共設計了10個表，一一對應查詢及維護的各個子項。這10個表物理上相互獨立，但邏輯上以行政區(qū)劃和林業(yè)區(qū)劃為主表，其他表均為子表。它們之間均以編碼字段相關(guān)聯(lián)。每一張表除編碼外均可以為空。每個字段的數(shù)據(jù)完整性、約束、默認及規(guī)則沒有在數(shù)據(jù)庫這一級別設定，主要原因是一旦設定，當用戶錄入數(shù)據(jù)違反上述約束及規(guī)則，系統(tǒng)以英文形式報錯，用戶使用不方便，故對每一字段的約束及規(guī)則均用VB編程控制。由于篇幅限制，有關(guān)項目的屬性數(shù)據(jù)表及其具體結(jié)構(gòu)就不在此詳細列出。

3.4 模塊操作流程圖

1）防火信息查詢流程，具體步驟見圖5。

2）圖查屬性流程，具體步驟見圖6。

圖5 防火信息查詢流程

4 技術(shù)難點及關(guān)鍵代碼

1）以屬性項在圖上顯示時，對編碼的存取為難點之一。因為選擇專題屬性項隨機性強，數(shù)量不確定，用戶交互性需求大。對于這一功能的實現(xiàn)，采用可變長數(shù)組，而且該變長數(shù)組具有堆棧的性質(zhì)，即可進可出，以確保用戶選擇后又取消該選擇，從而機動地存取用戶選擇的記錄編碼，保證用戶使用的隨機性和交互性。

圖6 圖查屬性流程

2）多個矢量點在地圖中以最適合的比例尺高亮顯示且自動計算可視域范圍，為難點之二。因為多個矢量圖形在地圖中的位置可能很分散，為滿足用戶隨機選擇的屬性在圖上同時顯示，其顯示比例尺不能固定。解決這一難題的方法為：確定用戶選取的多個矢量點的X Y坐標值，求得X軸方向上的最大和最小值、Y軸方向上的最大和最小值，然后自動將可視域定義為該4個點所構(gòu)成的矩形大小，此矩形能夠滿足用戶的查詢要求。

3）圖查屬性包括點查詢、矩形查詢、多邊形查詢和智能查詢。每類查詢其結(jié)果均需形成一個小目錄樹。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)以VB6.0為主要可視化開發(fā)工具，充分采用GIS的強大空間分析和定位功能以及多元化信息處理手段，進行火災日常管理，成功實現(xiàn)了GIS與防火信息專題和林相專題的集成。火災一旦發(fā)生，系統(tǒng)可實現(xiàn)火點定位、迅速查明火情、分析火勢、火后森林資源損失評估以及輔助火災撲救，為防火決策部門提供強有力工具。當然，森林防火綜合信息查詢系統(tǒng)是一個復雜的GIS應用系統(tǒng)，其準確性和科學性還需要在實踐中進一步提高和完善。