GIS技术在阿勒泰地区森林防火中的应用

加娜西·哈吾旦

摘要：快速定位火点在森林防火中可有效减少火灾损失。文章以新疆阿勒泰某国家森林公园中2500hm2作为试验区域，介绍了GIS定位系统的结构设计，包括系统需求、空间数据库、软件系统等，并分别分析了双点定位和单点定位法，可为类似工程设计提供必要的技术参考。

关键词：GIS技术;森林防火;定位系统;双点定位;单点定位

阿勒泰为全国六大林区之一，拥有森林面积高达2341万亩，森林覆盖率达到13.2%。由于该地区夏季干热，因此每年都有森林火灾发生。为了能够更好地应对森林大火的发生以及造成的损失，相关部门决定应用GIS技术来辅助当地森林防火工作。在此，以选取阿勒泰地区某国家森林公园2500hm2试验区域为分析对象，设计一套森林防火系统。

一、GIS定位系统结构设计分析

（一）构建系统需求要件分析

1.目标及功能需求

本设计共计布置4处监测点和1处管理中心，并实现4处监测点之间与管理中心的无线互联工作。本次森林火灾监测定位系统主要功能包括：火点定位（双点、单点、多点等）、火灾形式预估、图片调取、ArcMap地图基础等[1]。其中ArcMap地图基础功能包括：要素添加及删除、图层设置、面积和距离测算、信息查询等。

2.数据需求

数据是构成GIS定位系统的根本，本项目所需要的数据包括：某国家森林公园矢量数据（形状、面积、海拔等）、数字高程数据DEM[2]。

3.硬件需求

GIS定位系统依托于windows操作系统，对硬件需求较高，本项目所采用的硬件配置需求详见下表1所示。

（二）空间数据库设计

空间数据库主要作用是将项目区范围的地理数据进行整合，通过专业化、标准化处理后存入系统，是GIS定位系统实现功能的基础。

1.数据存储

本项目所涉及的地理信息数据统一采用geodatabase格式模型存储，可以对森林数据（面积、海拔、树种、树龄等）进行编辑。此外，也能利用Subtype操作来实现将属性数据转化为图层显示[3]。

2.数据库内容

本项目针对森林防火这一目的，建立的数据库内容包括：空间基础数据（1：5000项目区地理和高程数据）、森林防火专题数据（防火物资、扑火队位置、检查站、通讯站、瞭望监测台等点状空间数据）。

（三）软件系统设计

1.地图基础功能设计

（1）地图检索可按照经纬度、名称、区域编号、图层等进行查询和管理，方便用户不同需求;（2）由于系统内主要是地图类文档，且种类繁多，因此系统采用分级图层组来简化图层控制，用户可任意调整图层顺序、是否可见等;（3）本系统设计了简洁易用的量算功能（距离和面积），用户只要点击确定后系统会给出数据，也支持手动绘制。

2.火点定位功能设计

（1）双点和单点定位功能均使用Arcobject下的IFeature图层实现，具体方法会进行后续说明;（2）本项目使用渐进穷举和数据拟合法来计算火点位置，高程计算通过pidentify指向数字高程DEM进行实现。

3.火情态势标绘功能设计

（1）本系统火情态势标绘支持手动实现，包括点状（火点、装备仓库、防火机构、瞭望监测点等）、线状（火线、防火隔离带、公路、巡航路线等）、面状（火场范围、受影响区域等）等符号;（2）通过火情态势标绘，系统会给出灭火力量调动、火态蔓延方向（需要输入天气参数）等，可供用户参考。

二、GIS技术在阿勒泰森林火点定位中的应用

本系统可以通过在瞭望监测塔安装摄像机自动扫描来对一定范围内的森林情况进行跟踪录像。一旦发生森林火灾，摄像机的识别模块被启动并触发报警系统，GIS系统此时通过空间数据处理来实现火点定位。

（一）双点定位方法分析

1.定位算法分析

双点定位法原理见下图1所示，在此规定方位角ai均是以瞭望监测塔正北方为0°位置，顺时针转动至目标方向，具体定位过程如下：

（1）图1中角a1、a2分别为瞭望塔A、瞭望塔B相对于火点（x，y）的方位角，取射线交叉点即为火点位置。但在此需要注意：由于存在磁偏角，因此真正火点的方位角还需要在磁方位角的基础上减去该地区的磁偏角;

（2）两台摄像机同时捕捉到火点后将数据传输至电子地图上，之后系统会自动标定出起火点并显示给监控中心。

2.双点定位法特点分析

双点定位法具有报警准确率高、定位精度高等显著优点，但其最大局限性有两点：（1）必须要有两座瞭望监测塔同时监测到火点位置，因此该方法适用于监控点布置密度较大的森林;（2）由于监测仪器是以烟柱和火光为标准来发出警报，因此夜间监测能力较差，只有出现火光才会报警。

本项目应用双点定位法覆盖了约320hm2区域，瞭望监测塔布置在海拔较高的山坡上，尽量使其视野好、覆盖面广。

（二）单点定位方法分析

单点定位法只需要一个瞭望塔监测到火点就可成功定位，因此理论上可使观测点减少50%，成本大大降低。

1.定位基本原理分析

单点要想实现定位，必须借助相关三维地理数据，同时应用渐进穷举法。具体操作是在瞭望塔处设置电子全站仪，通过棱镜反射作用得到火点距离L，而方位角a可通过监测烟柱或火光获得，因此也可以定位火点，其基本原理见下图2所示。

2.单点定位法特点分析

单点法具有同等监测点条件下，监测覆盖范围广这一突出优点，但同时必须结合GIS系统电子地图才能最终定位，最终精度受气候、地形、坡度等影响较大，因此定位精度相比于双点法较差。

本项目应用单点定位法覆盖了约590hm2区域，瞭望监测塔布置在海拔较高的山坡上，经过测试其定位精度误差在500m范围内，基本可以满足实际需要。

三、结语

森林防火工作涉及范围往往很大，一旦发现起火点较晚一般火势不再容易控制，因此积极应用GIS等先进计算机技术来辅助监测，可大大减少人力物力财力，而且提高了监测效率，这是现代森林防火的发展方向。但是应用GIS系统时对相关设计、设备安装、调试等要求较高，且需要有一定的计算机知识水平，对森林防火人才建设也提出了一定的要求。

参考文献：

[1]张永贺，丁智，王凯泽，等.基于GIS和视频监控的森林防火指挥决策系统研建[J].亚热带资源与环境学报，2020，7（03）：44-54.

[2]侯小麗，李通.GIS在森林防火决策系统中的应用[J].中国科技信息，2019（13）：81-81.

[3]王艳霞，李承胜，丁琨，周汝良.基于GIS空间分析的森林防火蓄水池选址[J].安全与环境学报，2015（02）：45-49.

作者简介：

加娜西·哈吾旦（1975.03—），女，新疆阿勒泰人，毕业于北京林业大学，工程师，研究方向：森林防火。