航空护林标绘系统在森林防火工作中的应用

郭天峰，周宇飞，吴泽鹏，肖永平，邓宇科，林运通

（1.广东省航空护林站 广东省林火卫星监测中心，广东 广州 510520；2.广东省森林培育与保护利用重点实验室 广东省林业科学研究院，广东 广州 510520）

在航空护林巡护中，我国大部分航空标绘系统都是直接使用基于地面的火场标绘系统，两者之间在应用场景和功能上存在很大的差别，使得在航空标绘时出现诸多不便。如航空标绘人员在飞机上进行拍照等数据采集工作，但是采集的照片数据大多都不能直接自动生成拍照方向和位置信息，对火场实时的指挥和扑救工作带来诸多不便。很多系统是基于PC端定制开发的，缺乏灵活性，定位也完全依赖于第三方的GPS定位设备。同时，系统操作复杂，不适合野外火场紧急指挥操作。现有的航空标绘系统数据资源有限，航空标绘人员很难实时全面地查询火灾周边的资源分布和地形地貌等数据。由于网络的限制，航空标绘人员难以把绘制的火场态势图及时回传给后方人员，无法在最佳扑救时间内对扑火方案进行沟通，标绘成果实时共享性较差。这些问题在一定程度上制约了森林火灾扑救的正常开展和扑救决策的正确性及时性[1]。本文结合强大的地图功能、GPS定位导航功能等开发了航空标绘系统。该系统携带灵活，可实现航空护林标绘功能，并能实现资源信息实时共享。

1 航空护林标绘系统研发背景及原理

航空护林标绘系统是一种使用平板电脑，将GPS卫星定位系统和GIS地理信息系统结合而成的航空防护系统。一般选用具有较高配置和蓝牙功能的平板笔记本电脑作为航空护林标绘系统的主要硬件设备[2]。该系统是集地理信息、森林资源信息和跟踪、监控、定位、调度指挥为一体的具有信息化，智能化的森林防火指挥系统[3]。它不但可以查询森林资源相关信息，还能结合全球GPS技术实时接受扑火队伍GPS经纬度数据，监视行进路线或圈定火场范围，跟踪监控扑火队伍的动态。该系统可将扑火队伍的动态位置显示在电子地图上，实现“可视化”扑火指挥。目前包括南方航空护林总站、北方航空护林总站及所直属的航空护林站和北方的一些林管局都在使用该系统。

2 系统架构及设计

航空护林标绘系统体系架构如图1所示。航空护林标绘系统的主要功能设计为地图操作基础功能、火场态势标绘、火场定位、火场视频监控查看、防火专题查询、火场数据采集功能。为实现以上功能，系统硬件方面以空间数据服务器、视频监控服务器为支撑，软件方面以统一指挥调度平台及防火业务数据服务为支撑，软硬件支持共同实现系统的基本功能。

图1 系统体系架构

航空护林标绘系统以ArcGIS Runtime为开发平台，创建实时、精确和可视化的航空护林服务平台。该平台可通过对地理信息系统的二次开发[4]，结合GPS技术、无线通信技术、网络技术等，组建新型的航空护林标绘系统。该系统的主要开发语言为Objective-C，开发工具采用xcode+Interface Builder+instruments，数据库选用了SQLite。

3 系统开发与实现

3.1 主界面及功能菜单

标绘系统运行主界面由工具栏、图层设置区、定位和天气菜单组成，主要建立在ArcGIS Runtime的二次开发基础上。工具栏包括火场标绘功能（点、线、面标绘等）。图层设置区实现矢量地图、卫星地图、离线地图的转换，提供GIS通用功能（距离量算、面积量算等），系统数据的输入、输出、保存等功能。定位菜单可进行GPS定位和巡护轨迹上传操作。天气菜单能够对广东省天气情况进行查询。系统主界面如图2所示。

3.2 火场标绘功能的算法及实现

绘制火场态势图是航空护林标绘系统的核心功能。该系统提供符合国家标准的森林防火符号库，以便航空标绘人员使用符号进行标绘。通过使用系统提供的点、线、文字标注扑火行军箭头等符号，在地图上进行绘制，生成火场态势图。标绘人员可将态势图保存到本地或上传给后方人员，后方人员看到态势图可就火场周边信息对态势图进行修改并回传给航空标绘人员，方便前后方及时沟通，给出合理的飞行方案及林火扑救方案，降低林火造成的损失。

航空护林标绘系统中扑火行军箭头采用的算法是B-样条曲线。B-样条曲线是贝兹曲线的一种一般化，该算法相较于贝兹曲线的优点是：用B-样条基函数代替Bernstein基函数、逼近特征多边形的精度更高、多边形的边数与基函数的次数无关且具有局部修改性。

图2 系统运行主界面

该系统生成箭头的形状主要受头部高度、头部宽度、颈部高度、颈部宽度以及尾部宽度五个因数的影响。由画线所得的点集与五个因数进行相关计算可得出头部形状的箭头点集、躯干点集、尾部点集。箭头躯干点集分为左侧右侧点集是稀疏控制点集，通过分别计算B-样条曲线（B曲线因子、Quadric B Spline因子、Binomial因子）得到两侧完善密集点集，使得曲线圆滑，计算完成后将所得点集按顺序连接并绘制起来即是所画箭头。

火场标绘的功能实现如图3所示。

图3 火场标绘的功能实现

3.3 火场定位及查询功能的实现

系统可利用平板电脑内置定位设备，通过GPS、移动网络基站定位等手段，对设备进行快速定位、轨迹上传，并实时更新设备所在位置。系统具有查询定位轨迹并进行播放的功能，能自动记录GPS定位点，生成巡护轨迹。前指指挥人员可查询自己的巡护轨迹，并进行播放。此外系统还具有基于经纬度查询定位等功能，通过输入经纬度定位，可以在地图上标记出该经纬度的位置，也可通过查询地名获取该地的经纬度。系统在地图上任意位置点击，可以查看该点的经纬度和地名等信息。

火场定位及查询功能的实现主要是使用SQLite数据库编程实现。在航空巡护的过程中，网络不通畅的情况时有发生。为了保证在巡护过程中航空护林标绘系统能够正常使用，该系统还可采用离线地图数据。离线地图数据包括.tpk格式的影像底图数据和.Geodatabase格式的资源数据两种。其中.tpk格式的影像底图数据是由Arc-GIS10.1推出的一种数据文件类型，主要用于打包形成离线地图包，可拷贝.tpk文件到内存卡中，使用ArcGIS API for Android/IOS进行离线地图开发。Geodatabase格式的资源是由ArcGIS10.2推出的一种新的数据文件类型，是采用标准关系数据库技术来表现地理空间数据的数据包。这两种数据都可以在ArcGIS Runtime或者ArcGIS for Android/IOS接口开发的系统中快速加载调用。

火场定位及查询功能如图4所示。

3.4 自动获取照片位置的实现

在使用相机拍照时，系统通过USB及RS232接口联结磁阻传感器和陀螺仪，可通过磁阻传感器识别方位，指明东西南北，并使用陀螺仪进行重力感应识别，把拍照场景的方位用3d罗盘的形式展现在相机界面上。出图后，利用标注相应的方位和gps详细位置信息，将照片标示于系统的电子地图上。

图4 火场定位及查询功能

4 讨论和结论

航空护林标绘系统部署在平板电脑上，航空标绘人员携带方便，可利用平板电脑内置GPS，进行火场定位，并将火场数据实时上传到服务器；系统还可通过空间数据服务器，准确获取全面的火场周边的火场周边地形、资源分布数据等地理信息数据，绘制各种火场态势图，上传到后方指挥部，以便后方指挥部快速部署林火扑救工作，达到快速扑救森林火灾、减少损失的目的。

航空护林标绘系统将火场前指人员、后方指挥人员、扑火部队连接成一个有机的整体，有效地解决了航空标绘人员在防火扑救特别是火情标绘过程中系统使用不便、实时沟通困难等问题，在日常的火灾预防、监测预警、扑救决策等方面发挥重要作用，提高了扑火决策的效率，相应可以极大减少由森林火灾造成的经济、社会以及生态损失。