基于多重约束的森林防火观测塔选址系统

蔚永强

摘要：森林防火是林业资源管理中的一项重要工作。为了做到尽早发现火情、实时监测火势，林业部门通常会在林区建设森林防火观测塔，由此产生了观测塔的选址问题。这个问题的难度在于，选址的结果要同时满足成本、视域等多个约束条件的要求，不能有所偏废。而约束条件中不仅有数学约束，还有空间约束，这更增加了问题的难度。传统的观测塔选址是人工选择，不仅缺乏科学依据，而且很难全面平衡各个约束条件的要求。因此，林业部门急需一种能够同时考虑多种约束条件的智能化观测塔选址方法。

关键词：地理信息系统;可视域;观测塔;选址;数学规划

1、项目介绍

1.1 项目背景

森林防火是林业资源管理中的一项重要工作。森林火灾一旦发生，往往会造成难以估量的损失。想要降低森林火灾造成的损失，关键是要做到早发现、早处理。为此，各国都十分重视林火监测技术。我国林火监测实践中通常在林区建设不同规格的观测塔（又称瞭望塔），在塔上安装长焦可视镜头或红外探测仪监测森林火灾的发生与发展。

1.2 應用场景

1.2.1 森林防火观测塔选址的现状

本系统最初构思与素材源自指导老师几年前参与的广州市森林防火信息化项目，广州市森林防火指挥部门规划在广州帽峰山和白云山等地建设红外观测塔，以实时监测火点与火情发展。目前森林防火部门建观测塔是人工选址，选址思路主要是首先依据地形起伏将所有山顶点作为建塔候选点，再结合地图量算和传统测量方法估算观测塔的可视域范围，最后通过比较主观挑选组合得到建塔选址方案。

1.2.2 森林防火观测塔选址的基本要求

1）有利于最大范围的观测。最大限度地扩大每个观测塔的有效观察范围，不出现或尽量减少盲区，设置森林防火瞭望塔的目的是为观察森林火情，确定火点方位，以利指挥扑救。因此， 观测塔应建在能够观察到大面积林区的地方，四周应没有妨碍观察的山峰或其它障碍物，所以通常建塔候选点是山顶。

2）尽量降低建塔成本。由于建造观测塔的成本不菲，在林区内建立多个观测塔组成观测网， 其建造总成本和生态保护成本十分高昂。因此就经济效益而言，应尽量选取性价比最高的选址方案，即观测塔有效可视域/建塔成本的尽可能高。

1.2.3 森林防火观测塔选址的问题

森林防火观测塔选址的问题关键点就变成了在GIS技术和DEM辅助下，考虑实际可视域范围、林区全覆盖、性价比最高等多种约束条件下，组合各建塔候选点，达到选址方案总成本最低、观测效果最佳的目标。这对森林防火管理者而言，依赖于传统经验和直观判断显然难以得到的最优选址方案。这个选址问题既具有实际可视域范围、林区地表全覆盖等空间约束，又具有单塔性价比最高、总成本最低等非空间约束，演变为多重约束条件下的复杂线性规划求解问题。

1.3 研究目标

针对森林防火观测塔选址的问题，本研究目标是应用GIS软件开发和DEM三维分析方法，参考复杂线性规划问题求解的思路，建立多重约束的观测塔选址模型，设计开发基于多重约束的森林防火观测塔选址系统，实现选址计算与分析的自动化、智能化，以及选址结果的三维可视化，提供性价比最高观测效果更好的建塔选址方案更要地服务于森林防火工作。

2、解决思路与方法

2.1 问题分析与数学模型

根据森林防火观测塔选址的问题分析与系统需求，观测塔选址需要考虑的主要因素为实际有效可视域面积与建塔成本（即性价比），因此我们约定在满足多重约束的条件下（其中以可视域全覆盖林区作为第一约束条件），以项目总成本作为最终的目标函数，建立选址模型。

2.2候选点计算模型

考虑到山顶处受到的遮挡比较少，视野更开阔，观测塔通常都建在山顶。出于系统性能和算法模型的要求，本系统对于森林防火观测塔德选址的解决思路为根据林区DEM通常栅格领域分析计算提取出山顶点作为候选点。本系统提供一个林区DEM计算观测塔候选点的功能，计算模型只包含一种固定的计算算法， 其步骤包含2步，1为初步候选点搜索， 2为候选点填充。

填充方法如下： （1）将上节中得到的山顶点集合计算出总视域之和。（2）判断总视域之和能否覆盖全视域， 如果能则退出计算，如果不能则将总区域范围的DEM与总视域之和做减法运算， 得到总视域以外的高程DEM栅格（原本DEM中可视的区域此处变为NODATA）。（3）在（2）中得到的剩余DEM栅格中查找高程的最大值处，也就是最高的栅格点，并将此栅格转化为点要素。（4）将（3）中得到的剩余范围中的最高点，计算其视域，并将该视域与总视域栅格做并集处理，得到一个新的总视域。（5）跳到第（2）重新进行判断。直到总视域全覆盖区域范围为止.

3、选址计算

我们设计了一种减量模型，它是一种逆向思维的方法，其基本思想是，将所有候选点的所有建塔情况按照性价比最优的规则排序（一个地点上一种建塔方案称为一个备选塔），然后讲这些所有备选塔按照从小到大的顺序逐个提取出来，检查它的可视域中，判断该视域中是否存在只能被它所看到、不能被其他观测塔所看到的区域。如果有，那么这个备选塔就要保留;如果没有，则标明该备选塔的视域和其他的重叠了，删除这个候选点。由于这个方法每次都删除一个备选塔，所以称其为减量模型。

结论：

森林防火观测塔选址模型2010年初经广州市森林防火有关部门试验，认为模型比较贴近实际、计算结果具有较高的决策参考价值。这鼓舞了我们继续努力，采用ArcGIS平台将选址模型开发成可直接服务于森林防火部门的软件工具，并最终于今年9月初步发布选址系统的第一版。实际建塔的成本可能除了与塔的规格（高塔或低塔）有关系，还与实际地形情况、交通条件等影响因子有关，可能每个塔的成本都不同，下一步建塔参数设置要更灵活实用。选址模型可以进一步扩展，系统还可应用于森林消防通信中继站选址、3G移动通信基站选址等行业与领域。

参考文献：

[1] 郭丽娜.2009.漠河县林火可视域分析.哈尔滨师范大学自然科学学报，25（1）：98-100.