基于GIS的花溪森林火险等级预报系统研究

汪圣洪 周长志 赵仕慧

摘要 [目的]通过对花溪区温度、湿度、风等各气象因子的分析，并结合气象数值预报产品，建立了花溪区森林火险等级预警模型。[方法]采用GIS二次开发方式，构建了森林火险等级预报系统。[结果]实现了花溪区自动气象站温度、雨量、风向风速、相对湿度等气象资料的实时监测和显示、高温及大风报警、森林火险监测预警等功能，该系统的建设为花溪区森林火险预防和决策指挥提供了气象科学技术支撑。[结论]该研究结合实时气象资料数据，能对花溪区森林火险进行预警监测，及时为各相关部门提供森林火险等级气象服务。

关键词 GIS；森林火险；预报系统

中图分类号 S127 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）16-05302-03

在全球增暖的大背景下，近年来大范围的气候灾害和突发性强烈天气灾害呈现更为频发的趋势，气候变化带来的衍生和次生灾害日趋严重，给国民经济和人民生命财产造成了严重的损失，对社会和经济可持续发展产生重大的不利影响，特别是气象灾害不断呈现出极端性的特点，应对气候变化和防灾减灾形势十分严峻。森林火险等级预报是对森林火灾发生可能性的气象预报，它是减少森林火灾的发生和火灾损失的有效途径[1]。因此，如何根据花溪区区域站的温度、湿度、风等各气象因子的分析研究，建立花溪区森林火险预报系统、推进森林火险气象条件预警能力建设，提前为决策部门提供准确的气象条件预报预警信息，为森林防火应急处理和指挥调度提供科学依据和技术支持，降低火灾发生隐患，达到保障人民生命财产安全的目的具有重要的现实意义。为此，笔者采用 GIS二次开发方式，在数据格式具体处理过程的基础上，以花溪区 15个2要素和1个7要素气象站点为研究区域，验证处理方法的可行性；构建了一套森林火险等级预报系统的气象数据处理软件；结合气象要素以及数值预报产品，建设基于GIS的花溪区森林火险预报系统；以 GIS为手段，实现气象数据的自动处理 。项目研究成果主要有：①实时气象资料显示：提供花溪区以及周边区域自动气象站站点温度、雨量、风向、风速以及相对湿度等信息，并在GIS系统平台下显示；②建立了花溪区森林火险等级预警模型，通过对各类气象因子的分析，逐日计算未来森林火险气象条件预警等级，并叠加到地图中进行显示；③建立了“基于GIS的花溪区森林火险预报系统”，实时监测花溪各乡镇温度和风速信息，实现高温报警和大风报警功能，提醒预报员及时做好信息服务。

1 资料来源与处理方法

地理信息系统是采集、贮存、管理、分析和描述整个地球表面与空间和地理分布有关的数据的空间信息系统，能准确描述森林资源的空间分布和本身所具有的特性，以及进行综合分析处理，为用户提供一系列图表资料，并为领导提供决策方案[2]。该研究利用美国ArcGIS系统9.3软件。

1.1 基础数据的采集 基础数据来自于贵州花溪基础地理信息1∶25万数据。图形数据中的行政界线、交通、水系、山脊线、高压线、防火线都在1∶25万地形图上采集。森林属性数据来源于花溪林业局。

1.2 气象数据插值方法 气象数据主要采用花溪区域自动气象站资料，但少量的气象站点资料数据难以准确反映区域尺度的气象特点，通过对区域内有限的气象站点的气象数据进行空间插值，才能把握整个区域的气象特征。该研究采用梯度距离平方反比法（GIDW）进行区域降水、气温等空间插值。梯度距离平方反比法由Nalder等[3]提出，即在距离权重的基础上，考虑了气象要素随海拔高度和经、纬向的梯度变化。其估值公式为：

式中，X和Xi为待估点与气象站点的X轴坐标值；Y和Yi为待估点与气象站点的Y轴坐标值；E和Ei为待估点与气象站点的海拔高程；Cx、Cy和Ce为站点气象要素值与X、Y和海拔高程的回归系数；di为待估点到第i站点的大圆距离；n为用于插值的气象站点的数目。

2 GIS系统平行下的花溪区森林火险监测系统开发

以花溪区15个2要素和1个7要素气象站点的气象数据为实时气象数据，在GIS系统平台下，对气象数据进行信息化处理，开发花溪区气象数据处理软件。结合气象要素以及数值预报产品，完成基于GIS的花溪區森林火险预报系统。

2.1 气象数据的接收 花溪区气象数据的获取方法主要是花溪区气象台与省气象局服务器上下载和手工补充录入的花溪区15个2要素和1个7要素气象站点的气象数据及周边县气象数据。气象数据包括实时温度、相对湿度、降水、风向、风速等[4]。前日08：00通过实时接收，后台处理并叠加到GIS地图中进行显示，如图1所示。

2.2 气象数据处理 从气象站点中选取的气象数据为森林火险等级预报系统所需的气象因子。将气象数据中的异常值进行更正，数据按精度进行单位换算。在“花溪区森林火险监测预警GIS系统”中进行各气象因子的插值分析。系统采用的插值主要为梯度距离平方反比法插值[5]。

2.3 “花溪区森林火险监测预警GIS系统”主要功能 ①花溪区基础地理信息（包括行政边界、河流水体、地形地貌、森林资源）的管理；②数据接收：花溪区及周边区域自动气象站气象数据的实时接收处理（包括气象数据的接收、提取等）；③资料分析，包括花溪区及周边区域自动气象站气象数据的分析、网格化处理等；④监测预警：根据已构建的花溪区森林火险等级气象指标（判别等级），结合实时气象资料数据，对花溪区森林火险进行预警监测；⑤根据监测实况，及时为各相关部门提供森林火险等级气象服务；⑥图形叠加、图形制作等基础功能。

2.4 系统工作及服务流程 ①实现花溪区基础地理信息的管理及图形叠加、制图输出等功能，如图2所示。②实现花溪区及周边区域气象自动站数据的接收、储存、提取等功能，如图3、4所示。③实现花溪区域自动站数据监控及报警功能，如图5所示。④实现花溪区及周边区域气象自动站数据的网格化处理（内插）功能。根据花溪区森林火险等级

图2 系统功能界面气象指标（判别等级），结合实时气象资料数据，对花溪区各乡镇森林火险进行预警监测。⑤根据监测实况，及时为各相关部门提供森林火险等级气象服务。

3 系统可用性检验

该系统建立的目的是提高花溪区森林火险监测预防能力，从两个方面对系统进行检验。

3.1 系统的实时森林火险监测能力 系统能做到监测各乡镇1～3 h时间频率内森林火险气象等级的滚动更新，例如，降水等转折天气情况下，森林火险气象等级应及时刷新变化。 检验时可在不同的森防季节选取几个代表乡镇或重点森林防火区域直接实况与监测结论比对，统计出正确率即可。

3.2 系统的乡镇级森林防火气象等级预报能力 同样在不同的森防季节选取几个代表乡镇或重点森林防火区域的系统预报结论与后期森林火险实况作对比统计，采用预报评分标准，即可作出对系统预报能力水平的检验。 因为系统采用T213数值预报产品提供的24～48 h温度、降水、风速等预报场资料作预报公式计算，其准确率受限于数值预报资料的模拟预报实际天气状况的能力。

综合以上两方面的检验要求，选取系统对2013年6月5日花溪区森林火险气象等级的预报值、实时监测值和实况对比检验（表1）。

从表1可以看出，通过与实况的检验对比，系统预报值和实时监测值均能较好地拟合森林火险气象等级，尤其在遇

气象资料的网格化处理有降水等转折天气时也能较为及时地监测反映出来。

4 讨论与结论

（1）构建了花溪区森林火险等级监测预警气象判别模型。根据花溪区各乡镇自动气象站点近5年的气象资料，通过计算森林火险气象指数（FFDI）和森林火险气象等级（FFER），确定花溪区森林火险等级监测预警气象判别模型。

（2）建立了基于GIS的“花溪区森林火险监测预警系统”。实现了对花溪区基础地理信息（包括行政边界、河流水体、地形地貌、森林资源）的管理和图形叠加、图形制作等功能；实现了花溪区及周边区域自动气象站气象数据的实时接收处理（包括气象数据的接收、提取等），气象数据的分析、网格化处理等功能；结合实时气象资料数据，能对花溪区森林火险进行预警监测，及时为各相关部门提供森林火险等级气象服务。（3）“花溪区森林火险监测预警系统”业务试运行。该系统自2013年4月份投入试运行调试，将预报结果与专家预测结果进行对照，系统预报的准确率能够达到70%～85%。经过近60 d的调试，预报结果良好，系统运行基本正常，系统低火险、无火险、中度火险准确率较高。一般，降水当日或连续无雨日数小于8 d，基本能够准确预报。高度火险准确率稍有偏差，主要是由于系数偏差关系，结果有时偏高，容易给林火监测业务带来不便，增大监测量。但是整体上极度火险预报准确率能达到90%以上，基本能够满足业务需求，给决策部门提供较好的预报结果。随着业务化服务不断完善，系统预报准确率会逐步得到提高，逐步趋于成熟。

参考文献

[1] 徐爱俊，郑文达，方陆明，等.基于3D 的县级森林防火系统关键技术研究[J].北京林业大学学报，2008，30（1）：170-174.

[2] 张延林，宋宏光.GIS在森林防火中的应用[J].森林工程，2008，24（3）：29-31.

[3] NALDER I A，WEIN R W.Spatial interpolation of climatic normals：Test of a new method in the Canadian boreal forest[J].Agricultural and Forest Meteorology，1998，92：211-225.

[4] 罗林勇，宋启堃.气象自动站资料在黔南森林火险等级监测预报中的应用[J].云南地理环境研究，2011，23（5）：102-104.

[5] 林忠辉，莫兴国，李宏轩，等.中国陆地区域气象要素的空间插值[J].地理学报，2002，57（1）：47-56.安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2014，42（16）：5313-5314，5317

責任编辑 姜丽 责任校对 李岩