陽 昭

(永平縣林業(yè)和草原局，云南 永平 672600)

森林火災突發(fā)性強、破壞性大，危險難撲救，在撲救中時有人員傷亡，預防和監(jiān)測十分重要。瞭望臺是森林火災監(jiān)測體系中不可缺少的重要部分，其與地面巡護、衛(wèi)星監(jiān)測、航空護林飛機不定期巡航監(jiān)測共同組成永平縣森林防火立體監(jiān)測網(wǎng)絡。永平縣自1991—2017年已建成使用4個森林防火瞭望臺，2017年在一個瞭望臺上安裝了一套可視和遠紅外攝像視頻監(jiān)控設備?？梢妳^(qū)域面積是防火瞭望臺觀測能力的重要指標，由于技術條件限制，選址時可見區(qū)域面積、可視距離等數(shù)據(jù)以目測估計的方法得出，數(shù)據(jù)不準確并長期得不到修正?！?S”(RS、GIS、GPS)和DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)字地形分析理論技術已在科學研究、軍事、通訊等領域得到廣泛應用，其中在林業(yè)領域中的應用改變了以往的林業(yè)調(diào)查規(guī)劃作業(yè)方式。在森林防火工作中，吳斌闡述了以計算機和“3S”技術構建森林防火地理系統(tǒng)[1]，毛麗君基于“3S”技術制作森林防火規(guī)劃圖[2]，吳小群等以GIS進行森林防火瞭望塔的通視性分析[3]。本文基于DEM在ArcGIS10.2軟件平臺下以ArcMap10.2進行永平縣4個森林防火瞭望臺瞭望觀測的可見性分析，以修正彌補選址時可見區(qū)域面積等數(shù)據(jù)不準確的問題，同時對永平縣森林防火瞭望臺建設、森林火情瞭望觀測等進行討論并提出建議。

1 研究區(qū)范圍概況

研究區(qū)范圍為永平縣全境。永平縣位于云南省大理州西部，轄7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)75個村民委員會(社區(qū))。地理坐標為99°17′～99°56′E，25°03′～25°45′N。全縣土地總面積 279 024 hm2，林地面積 242 967.1 hm2，其中有林地面積 202 003.2 hm2，易燃的云南松、華山松等針葉林面積 101 789 hm2，森林覆蓋率72.88%，林木綠化率76.38%，屬云南省重點林區(qū)縣。地勢西北高、東南低，順濞河之西、銀江河之東是云臺山，銀江河之西、瀾滄江之東是博南山。形成三河夾兩山，高山、河谷、壩子縱橫交錯的獨特地形。境內(nèi)最高海拔 2 933 m，最低海拔 1 240 m，相對高差 1 693 m。山區(qū)林地、農(nóng)地、居民點交錯，坡度≥25°的面積有 143 410 hm2，占全縣土地總面積的51.4%。屬北亞熱帶季風氣候區(qū)，冬春干旱少雨，森林防火形勢嚴峻，森林防火是全縣林業(yè)工作的重中之重。

2 研究方法

可見性是指從一個或多個位置所能看到的地表區(qū)域面積。在ArcGIS下以構建TIN法將永平縣等高線插值生成DEM，基于DEM用3D Analyst工具的“可見性”工具對得到可見柵格表面數(shù)據(jù)進行分析?？梢娦苑治鲋猾@得地表可見區(qū)域，林火的特殊性是燃燒煙氣上升，在瞭望觀測視線覆蓋下的范圍內(nèi)有燃燒的情況下，從燃燒煙氣能間接地判斷出不可見區(qū)域是否有林火，因此，瞭望觀測視線覆蓋下的范圍也是客觀評價瞭望臺觀測能力的一個指標?！疤祀H線”工具生成3D折線，其上各折點均為沿各條觀測采樣視線分布的最遠可見點。采用永平縣及周邊的ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)進行天際線分析，獲得瞭望臺瞭望觀測視線下的覆蓋范圍。為便于讀者操作驗證，文中列出了所使用工具在ArcGIS10.2地理處理工具箱(ArcToolbox)內(nèi)的路徑位置。

2.1 數(shù)據(jù)收集

從永平縣自然資源局、縣林業(yè)和草原局收集到永平縣等高線(比例尺1：50000)，永平縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍面，4個瞭望臺位置坐標點矢量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)投影坐標系為Xian_1980_GK_CM_99E，1985國家高程基準。從中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn)下載到永平縣及周邊ASTER GDEM V2版的DEM數(shù)據(jù)。ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)由日本METI和美國NASA聯(lián)合研制，數(shù)據(jù)時期為2009年，坐標系WGS_1984，空間分辨率為30 m，格式為TIFF。其空間分辨率精度和高程精度比ASTER GDEM V1版高，并對V1版存在的錯誤做了很好的矯正。ASTER GDEM V2版于2015年1月6日正式發(fā)布，用戶可免費下載使用。

2.2 可見性分析

2.2.1構建TIN

生成DEM要通過對離散點數(shù)據(jù)進行插值，插值方法有反距離權重法(IDW)、樣條函數(shù)法(Spline)、克里金法(Kriging)、自然鄰域法(Natural Neighborhood)等。插值方法對建模精度影響大，要根據(jù)離散點數(shù)據(jù)特征選擇合適的方法。用等高線數(shù)據(jù)生成DEM先創(chuàng)建TIN(不規(guī)則三角網(wǎng))無論在效率還是內(nèi)插精度上都是最優(yōu)的[4]。等高線數(shù)據(jù)生成TIN的插值法是自然鄰域法，采用“創(chuàng)建TIN”工具完成(3D Analyst工具→數(shù)據(jù)管理→TIN→創(chuàng)建TIN)，參與創(chuàng)建TIN的矢量數(shù)據(jù)為“永平縣等高線”和“永平縣范圍面”。等高線數(shù)據(jù)提供等高線上的折點為采樣點并作為結點進行三角化，參數(shù)中高程字段為記錄高程值的“BSGC”字段，“SF Type”(表面要素類型)為“Mass Points”(離散多點)，“Tag Field”(標簽字段)為“None”。裁剪TIN邊界的矢量數(shù)據(jù)“永平縣范圍面”高程字段為“None”，“SF Type”為“Hard Clip”(硬裁剪)，“Tag Field”為“None”。為了使TIN三角網(wǎng)的三角形不出現(xiàn)穿越等高線和3個頂點均在同一條等高線上(即“平坦三角形”)，降低三角網(wǎng)與地表逼近程度，降低建模精度情況，再將“永平縣等高線”作為約束條件的隔斷線限制插值范圍參與三角網(wǎng)的生成。參數(shù)中高程字段為記錄高程值的“BSGC”字段，“SF Type”為“Hard Line”(硬斷線)，“Tag Field”為“None”。

2.2.2TIN轉換成規(guī)則格網(wǎng)DEM

由TIN向格網(wǎng)(Grid)的轉換，實際上是基于TIN的內(nèi)插計算。由于自然鄰域插值法比線性插值法結果更平滑，選擇用自然鄰域插值法(NATURAL_NEIGHBORS)，用“TIN轉柵格”工具完成TIN向DEM的轉換(3D Analyst工具→轉換→由TIN轉出→TIN轉柵格)。根據(jù)何政偉等[5](2010)的研究成果，輸出柵格像元大小確定為10 m，即采樣距離為“CELISIZE 10”。輸出數(shù)據(jù)類型為“INT”(整型)。采樣距離也就是數(shù)據(jù)空間分辨率，生成的10m×10m(100m2)的柵格單元是分析評價的最小單位。

2.2.3獲取瞭望臺位置點高程值數(shù)據(jù)

瞭望臺位置點高程值是地面高程值加上瞭望臺建筑物高度15 m，地面高程值用“值提取至點”工具從DEM獲取(Spatial Analyst→提取分析→值提取至點)。輸入點為4個瞭望臺位置點數(shù)據(jù)和DEM，輸出點要素自動添加了一個名為“RASTERVALU”的字段存儲地面高程值，在編輯會話狀態(tài)下加上建筑物高度得到瞭望臺高程值。瞭望臺位置坐標、高程值數(shù)據(jù)見表1。

表1 瞭望臺位置坐標、高程值數(shù)據(jù)

2.2.4瞭望臺位置點數(shù)據(jù)轉3D

數(shù)據(jù)轉3D后可使用3D Analyst工具，用“依據(jù)屬性實現(xiàn)要素轉3D”工具實現(xiàn)(3D Analyst工具→3D要素→依據(jù)屬性實現(xiàn)要素轉3D)。工具參數(shù)中“高度字段”是存儲瞭望臺高程值的“RASTERVALU”字段。

2.2.5可見性分析

以DEM和瞭望臺3D點數(shù)據(jù)進行可見性分析，得到4個瞭望臺在全縣范圍內(nèi)的可見區(qū)域面積，采用“可見性”工具完成(3D Analyst工具→可見性分析)。工具對話框內(nèi)要選擇“RASTERVALU”為觀察點高程字段，勾選“使用地球曲率校正”。為便于統(tǒng)計和進一步分析，從可見性分析結果中提取出可見區(qū)域數(shù)據(jù)并轉換成面要素與鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍面進行疊加分析以獲得鄉(xiāng)鎮(zhèn)名稱屬性?！翱梢娦浴惫ぞ叻治鼋Y果在有多個觀測點時像元值用于指示從像元位置可看到多少個觀測點，像元值為0表示不可見。用“按屬性提取”工具完成可見區(qū)域像元提取(Spatial Analyst→提取分析→按屬性提取)，SQL查詢表達式中Where子句中輸入查詢條件Value>=1。用“柵格轉面”工具實現(xiàn)可見區(qū)域像元轉面(轉換工具→由柵格轉出→柵格轉面)。用“標識”工具進行疊加分析(分析工具→疊加分析→標識)，標識要素為“鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍面”。由于疊加分析會產(chǎn)生狹長細碎面，用“消除”工具合并狹長細碎面到相鄰面(數(shù)據(jù)管理工具→制圖綜合→消除)?！拜斎雸D層”中要先選中需要合并的狹長細碎面要素，“消除”工具才能執(zhí)行。將處理完成數(shù)據(jù)的屬性表轉換為Excel格式(.xls)，在Excel2010下進行統(tǒng)計分析。用“表轉Excel”工具完成轉換(轉換工具→Excel→表轉Excel)。

2.3 天際線分析

2.3.1合并下載的分幅DEM數(shù)據(jù)

將分幅下載的永平縣及周邊ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)合并，用“鑲嵌”工具完成(數(shù)據(jù)管理工具→柵格→柵格數(shù)據(jù)集→鑲嵌)。

2.3.2提取分析范圍數(shù)據(jù)

從已合并的DEM數(shù)據(jù)中提取出用于分析的數(shù)據(jù)范圍，用“裁剪”工具和提取分析的工具均可實現(xiàn)。提取分析工具是按多邊形、圓形、矩形、掩膜提取的一組工具。本研究用“按掩膜提取”工具完成(Spatial Analyst→提取分析→按掩膜提取)，提取掩膜面范圍要遠大于永平縣范圍才能滿足天際線分析的需要。本研究提取范圍為永平縣范圍向外擴大100 km。

2.3.3數(shù)據(jù)投影變換

將坐標系為WGS_1984的ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)變換到Xian_1980、GaussKruger投影(高斯—克魯格投影)，采用“投影柵格”工具完成(數(shù)據(jù)管理工具→投影和變換→柵格→投影柵格)。由于輸入、輸出坐標系的基準面不同，要指定地理(坐標)變換方法，本研究使用自定義的地理(坐標)變換方法進行。DEM數(shù)據(jù)是表面連續(xù)數(shù)據(jù)，重采樣技術不宜選擇NEAREST(最鄰近分配法)和MAJORITY(眾數(shù)重采樣法)，因以上方法不會更改柵格單元值。本研究采用BILINEAR(雙線性插值法)。

2.3.4天際線分析

天際線分析可獲得瞭望臺瞭望觀測視線下的覆蓋范圍，用“天際線”工具實現(xiàn)(3D Analyst工具→可見性→天際線)。工具參數(shù)中“輸入觀察點要素”是瞭望臺3D數(shù)據(jù)，“輸入表面”是提取出并經(jīng)過投影變換的分析范圍DEM數(shù)據(jù)，其他參數(shù)為默認值。天際線工具對每個觀測點均單獨執(zhí)行分析并生成各自的3D封閉折線，將分析結果得到的線要素轉換成面要素后合并即可得到參與分析的所有瞭望臺瞭望觀測視線覆蓋下的范圍面。采用“要素轉面”工具實現(xiàn)線轉面(數(shù)據(jù)管理工具→要素→要素轉面)，在編輯會話狀態(tài)下采用編輯器的“合并”命令即可獲得合并面。

3 結果分析

4個森林防火瞭望臺的瞭望觀測視線已覆蓋到周邊縣市，永平縣域面積均在其瞭望觀測視線下的覆蓋范圍內(nèi)，其中縣域內(nèi)可見區(qū)域面積為 55 085 hm2，占縣域面積的19.7%。分鄉(xiāng)鎮(zhèn)情況見表2。

表2 瞭望臺永平縣內(nèi)可見區(qū)域面積

分析結果表明，4個森林防火瞭望臺瞭望觀測縣內(nèi)可見面積占比低，觀測盲區(qū)大，縣內(nèi)近80%的區(qū)域不可見。但不可見區(qū)域范圍均在其瞭望觀測視線覆蓋范圍內(nèi)，發(fā)生林火時可通過燃燒時上升的煙氣間接判斷監(jiān)測?？傊ㄟ^瞭望臺可直接瞭望觀測或間接監(jiān)測到全縣林火情況。瞭望觀測視線覆蓋面積范圍及全縣可見區(qū)域面積范圍見圖1。

圖1 瞭望臺瞭望觀測視線下覆蓋范圍及全縣可見區(qū)域面積范圍

從圖1可以看出，可見區(qū)域面積僅占19.7%似乎不正確，這是圖紙縮小后形成的錯覺。

4 討論與建議

可見性分析除普遍用于哨所、瞭望臺、廣播通訊無線發(fā)射塔等選址評估外，還可用于城市環(huán)境輔助設計規(guī)劃、景觀分析，航空飛行路徑受到高射炮等威脅的風險評估等，應用范圍廣泛。蘇州中科圖新公司的LSV軟件(LocaSpaceViewer)的可視域分析工具能基于一個觀察點在選定的觀察半徑內(nèi)生成可見區(qū)域和不可見區(qū)域，操作便利快速，不足的是結果只能瀏覽，不能獲取結果數(shù)據(jù)，其分析質量和數(shù)據(jù)的可移植性、可挖掘性與ArcGIS是不能相比的。單獨從能瞭望觀測到的區(qū)域范圍、距離來說，4個瞭望臺的位置不是最好的，因為選址時需綜合考慮可見區(qū)域范圍、距離，自然環(huán)境，社會經(jīng)濟，交通通訊等因素。

研究中由于無永平縣周邊地區(qū)等高線數(shù)據(jù)，永平縣范圍以1∶50 000 比例尺等高線生成的數(shù)據(jù)用于可見性分析、分辨率為10m的DEM精度比下載的數(shù)據(jù)用于天際線分析、分辨率為30 m的ASTER GDEM V2版DEM數(shù)據(jù)高。分析結果受DEM數(shù)據(jù)質量、精度、分辨率的影響，可見性分析結果比天際線分析結果更精確。

永平縣山高谷深、山梁溝箐縱橫交錯，瞭望觀測視線易受到阻隔，可見區(qū)域遠遠沒有平原地區(qū)大，瞭望觀測效果即使在通視的情況下還受到距離、能見度、望遠鏡倍數(shù)等的制約影響，但瞭望臺在森林防火體系中基礎性的功能和作用不容置疑，其不僅具有發(fā)現(xiàn)監(jiān)測林火、火場定位、無線電通訊及中繼等功能作用，還具宣傳警示、震攝等政治、社會功能。

由于永平縣地形獨特，增加防火瞭望臺數(shù)量后相應的可見面積增加不大，建設運行成本投入與效果不匹配對應、不經(jīng)濟，故不宜再增加瞭望臺數(shù)量。只有以瞭望臺瞭望觀測為基礎，依靠全縣598位巡山護林員和廣大干部群眾的積極支持配合，才能實現(xiàn)縣域內(nèi)林火監(jiān)測無盲區(qū)全覆蓋。要把防火瞭望臺信息化建設作為重點，使瞭望臺發(fā)揮更大作用。