森林防火综合信息查询模块设计与实现

周生瑞，陈顺伟，潘颖瑛，茅史亮，何 诚，舒立福

（1.国家林业和草原局北方航空护林总站，黑龙江 哈尔滨 150027；2.浙江省航空护林管理站，浙江 杭州 31000；3.中国林业科学研究院 森林生态环境与保护研究所，北京 100091）

1987年大兴安岭“5·6”大火发生后，我国加强了森林火灾预测预报、火灾监测、扑救等技术的研究[1]。森林防火管理系统的相关研究得以快速发展，逐步走向正规化。我国的林火管理系统基本上都是基于3S技术开发平台，主要分为林火信息管理、林火监测与预报、林火设施布局、林火扑救和灾后评估等模块[2]。1992年研建的基于GIS的国家林火管理信息系统，实现了模型库、数据库和地形库的一体化，并在全国范围内推广。1995年，国家林业局森林防火办公室和中国林业科学研究院通过引进地理信息系统，开发了森林防火地理信息系统、辅助决策系统、扑火地理信息系统等[3]。国家林业局森林防火办公室采用ERDAS Virtural GIS与野外实时监测技术，构建了重点区域实时防火监控与指挥系统，主要用于林火监测和辅助扑救决策。

与此相比较，20世纪80年代以后，国外就已经研发了各自的森林火灾管理系统。比如，1972年美国的火险预报系统[4]、1987年加拿大的森林火险等级系统[5]以及1988年美国的野外火管理辅助决策系统等[6]。

随着现代技术的不断发展，森林火灾预防与监控的方法，也由传统的以地面巡护为主的被动方式向多方位保护发展，不仅有地面巡护，更多时候是采取以瞭望台监测、航空巡护和卫星遥感相结合的方式[7]。美国采用的智能微尘监测网络，利用航空巡护进行森林温度探测和准确测位，根据定位温度异常点，利用飞机进行低空喷水降温[8]。德国投入使用的是当前全欧洲最新的技术，应用数码摄像技术的森林火灾自动预警系统（Fire-Watch System）是一款经过多年实地试验的系统，它能够及时识别与定位森林火灾[9]。葡萄牙和俄罗斯研发的森林火灾自动探测分析报警系统，不仅能及早发现森林中的着火点，并且极大地降低森林防火员的工作强度。葡萄牙的探测系统能够准确地探测到火灾，并在5分钟内向消防和其他相关应急部门传送信息。

加拿大开发了许多国际著名的计算机林火管理系统，如加拿大森林火险等级系统、加拿大魁北克计算机林火管理系统以及加拿大资源与环境管理系统开发公司开发的林火管理系统等，对推动森林防火工作的现代化帮助很大[10]。

1 系统总体设计原则

本系统既可以实现属性数据的查询检索，又可以实现图形到属性和属性到图形的双向查询，包括按不同区域范围（点、矩形、多边形）的图上查询、任意（一个或多个）属性项图上显示及对于属性数据多种条件的复合查询。其技术要点是，通过属性数据表和图形数据中的属性表中相一致的编码进行连接，相互定位搜索。因为属性数据表的记录数与图形数据中的矢量图形是通过编码一一对应的，故不存在双方一对多或多对一的可能，确保设计的准确实现。

具体地说，对于图查属性，按不同区域范围包括点、矩形、多边形，先将其区域范围内的所有矢量图形（点、线、面）通过AO编程实现高亮显示，当具体指定某一点（线、面）时，先提取该点（线、面）的编码，编程实现该编码的点（线、面）闪烁。如果编码是12位，则说明其是防火专题属性数据，然后根据编码的第8、9位先连接外部属性数据库的相应表，再根据编码定位该记录，即可显示其专题属性详细信息。如果编码是9位，则说明其是林相数据，连接林相图本身的属性数据库，再根据其编码定位该记录，即可显示其林场、林班、小班的详细信息。对于属性查图（这里仅指外部数据库中的专题属性）也是同样思路，只是过程颠倒。当用户指定某一个或某几个记录时，先提取这些记录编码，根据其编码在图上定位其矢量图形，然后高亮显示。

对于属性数据的多条件复合查询，是通过其所属关系和类别，根据编码的定义确定其范围。例如，要查找满足以下复合条件的通信台站：①管理部门归宾县林业局大泉子林场，②类别是固定超短波，则可归结为满足编码=101060313***的所有记录。

2 功能实现

2.1 空间定位

卫星监测到的热点有些并不是林火，而是老百姓烧荒或林业部门烧防火隔离带产生的。这就要求我们在系统功能实现过程中区别热点信息，即：若是热点就简单记录，若是林火则要详细登记，以便今后对林火信息进行有效的管理和查询（图1和图2）。

图2 林火信息登记界面

2.2 智能查询

对指定地点周围的地理信息进行查询，主要是在确定热点和火点后，快速查看周围的基本地理情况和防火设施（图3）。该功能可通过以下两种方式实现。

1）确定半径查询：在给定点周围，进行确定半径的查询（图3a和图3c）。

2）不确定半径查询：与确定半径查询的功能相同，只是在中心点的选择和半径的选取上，都是用鼠标来完成的（图3b和图3c）。

图3 智能查询界面

2.3 森林资源信息查询

森林资源信息查询模块分为两部分：林场基本信息查询和小班资源信息的条件查询。

1）林场信息查询。林场信息主要包括林场的各类土地面积、森林面积与蓄积、国有林场的类型等信息。主要流程如图4a所示。

2）小班资源信息查询。森林资源信息的查询，主要是根据一定的查询条件找出符合条件的小班森林资源，并显示小班的基本森林资源信息及图形数据。主要流程如图4b所示。

图4 森林资源信息查询流程图

3 森林防火专题属性数据库设计

3.1 数据库设计的原则

系统专题属性数据库设计的总体原则是：①属性数据与图形数据分离；②重点考虑数据的合理性与科学性；③充分考虑数据的可扩充性和综合性；④属性数据库表与图形数据库表用连接字段（编码）联系；⑤在进行表间连接设计时，确保存储量最小和运行速度最快。

3.2 数据库的逻辑设计（编码的设计）

以红花尔基森林防火地理信息系统为例，通过需求分析，首先确定了采用数据模型为关系模型的数据结构形式，即使用SQL Server数据库管理系统。所谓关系模型，通俗地讲就是一张二维表格。如何将一个二维数据与空间图形数据相联系，成为数据库逻辑设计的关键。如果采用二维表格中的经度、纬度与空间图形数据相联系，不但不能保证其唯一性，而且不能说明其代表的防火项目，所以需要单独设计一个用户并不知晓的编码字段，以期具有唯一性。

定义字符型编码共12位：前3位为市级地方林业局代码；第4、5位为市林业局下辖县林业局代码；第6、7位为该县林业局下辖林场代码，即市林业局最多可以有99个，同一林业局最多可以有99个林场；第8、9位为该林场森林防火项目代码（见表1）；最后3位为同一防火项目不同区位点代码，即同一防火项目最多可以有999个，容量足够本系统目前的使用和将来的扩充。例如：编码101060302001表示的是红花尔基林业局林场001号瞭望台。

表1 林业局森林防火项目代码

3.3 数据库物理结构的设计

根据用户及系统的总体需要，建立森林防火GIS数据库，其下共设计了10个表，一一对应查询及维护的各个子项。这10个表物理上相互独立，但逻辑上以行政区划和林业区划为主表，其他表均为子表。它们之间均以编码字段相关联。每一张表除编码外均可以为空。每个字段的数据完整性、约束、默认及规则没有在数据库这一级别设定，主要原因是一旦设定，当用户录入数据违反上述约束及规则，系统以英文形式报错，用户使用不方便，故对每一字段的约束及规则均用VB编程控制。由于篇幅限制，有关项目的属性数据表及其具体结构就不在此详细列出。

3.4 模块操作流程图

1）防火信息查询流程，具体步骤见图5。

2）图查属性流程，具体步骤见图6。

图5 防火信息查询流程

4 技术难点及关键代码

1）以属性项在图上显示时，对编码的存取为难点之一。因为选择专题属性项随机性强，数量不确定，用户交互性需求大。对于这一功能的实现，采用可变长数组，而且该变长数组具有堆栈的性质，即可进可出，以确保用户选择后又取消该选择，从而机动地存取用户选择的记录编码，保证用户使用的随机性和交互性。

图6 图查属性流程

2）多个矢量点在地图中以最适合的比例尺高亮显示且自动计算可视域范围，为难点之二。因为多个矢量图形在地图中的位置可能很分散，为满足用户随机选择的属性在图上同时显示，其显示比例尺不能固定。解决这一难题的方法为：确定用户选取的多个矢量点的X Y坐标值，求得X轴方向上的最大和最小值、Y轴方向上的最大和最小值，然后自动将可视域定义为该4个点所构成的矩形大小，此矩形能够满足用户的查询要求。

3）图查属性包括点查询、矩形查询、多边形查询和智能查询。每类查询其结果均需形成一个小目录树。

5 结束语

该系统以VB6.0为主要可视化开发工具，充分采用GIS的强大空间分析和定位功能以及多元化信息处理手段，进行火灾日常管理，成功实现了GIS与防火信息专题和林相专题的集成。火灾一旦发生，系统可实现火点定位、迅速查明火情、分析火势、火后森林资源损失评估以及辅助火灾扑救，为防火决策部门提供强有力工具。当然，森林防火综合信息查询系统是一个复杂的GIS应用系统，其准确性和科学性还需要在实践中进一步提高和完善。