地理信息系统在森林防火中的应用

张 鑫

（哈尔滨师范大学，黑龙江 哈尔滨 150025）

0.引言

森林作为一个重要生态系统的载体具有诸多功能，然而，由于许多不可控因素，森林火灾时有发生。当情况发生时，如何快速、及时掌握火点周边情况，采取正确的决策方法扑灭大灾，最大程度地减少火灾带来的损害，已成为当前国内外森林防火领域的研究热点[1]。

随着中国林业的不断发展，森林防火工程已成为林业工作的首要任务。森林防火工作必须坚持“预防为主，积极救援”的原则，真正实现及早发现、尽早解决、降低损失的目的。针对森林火灾，我们构建了以现代地理学、地理信息科学、林业学等学科知识为理论基础，运用3S等网络高新技术，充分利用计算机网络技术和现代通讯技术等森林防火监控指挥决策系统，具有数据采集、空间数据库管理、空间查询分析、图形输出与专题图制作等功能，可用于资源信息管理、火点查询、消防设施储备、救火队伍管理、森林灭火档案管理和应用。森林防火监控指挥决策系统，可以在火灾发生前实时监测林区的现场情况，并实时提供火灾发生的地理环境、气候条件、人为活动因素等大量信息，帮助工作人员预测火灾发生的时段，圈定火灾可能发生的地点和严重程度，以便及时发现火情；在火灾发生和蔓延过程中，不断监测火灾的进程，及时将有效信息和场景图像传递给森林灭火指挥中心，为指挥中心的远程指挥和调度提供数据保障，使消防人员能够科学有效地组织灭火救援行动，减少损失。该系统能够真实记录火灾发生、传播和扑灭的全过程，为火灾防治、预警和治理提供真实有效的历史数据；灾难发生后，还可以快速准确地查明受损情况，并进行更准确的灾难评估。

森林防火监控指挥决策系统突破了传统的森林防火监测和救援模式。该系统融合了多领域的科学理论、现代高新技术以及科学统计计算，能基本实现日常信息收集和管理、林火监测、火险预警、林火扑救方案、辅助决策、林火受灾损失评估等一系列功能，实现了科学、前沿和实用的有机统一。它使森林灭火指挥水平得到大大提高，火点快速定位、及时报警、迅速部署指挥，为现代化森林防火工作提供了重要的技术保障，在森林防火领域发挥着至关重要的作用[2]。

1.国内外研究进展

1.1 国外现有技术

美国使用“大地”卫星结合无人森林巡逻预警机对地面进行监测，德国研制了森林火灾自动报警系统，加拿大采取卫星巡回监测系统等[3]，尽管一些国外技术是可靠的，但它们需要使用高空卫星，并且有些技术解决方案实施起来太过昂贵，多达数十万美元，成本超过预算，所以这些方案都不能满足中国森林防火工作的实际需要[4]。

1.2 国内研究方法

国内主要采用地面巡逻、 望台检测、航空巡护、卫星遥感监测等多手段结合的方式，该方式具有巡逻范围广、机动性强等优点[5]。与此同时，为弥补以上手段的不足，结合我国森林防火工作的实际情况，以地理信息系统为基础，我国设计了“森林防火监控指挥决策系统”，可以实现实时、快速、准确地监测森林火灾，配合森林管理、生态建设管理和林业活动，实现各种管理和森林防火工作。

2.GIS 技术简介

地理信息系统（GIS）是一种空间信息系统，用于获取、存储、编辑、处理、分析和显示地理数据。在计算机软硬件的支持下，GIS通过集成计算机硬件、软件和地理数据以及系统设计，搭配其独特的数字高程模型、网络分析功能和空间分析功能，能行之有效地搜集、管理、存储、更新、分析和显示各种形式的地理信息。

3.GIS 在森林防火上的应用

3.1 对林区信息的统一管理

森林管理部门必须对森林区域的信息掌握透彻，GIS可以建立不同图层，将空间信息与属性信息联系起来，实现对空间信息和属性信息的统一管理[6]。

3.2 对防火设施的科学安排与调度

森林地区发生火灾时，需要立刻为救援行动组织人力和物力资源。GIS技术的运用可以在前期帮助确定防火设施分布，设立防火点，也可以方便、快捷、有效地进行防火设施和消防人员的科学调度。

3.3 对受灾损失的科学评估

利用地理信息系统的空间叠加功能，可以尽快得到较为准确的森林区域植被经济损失情况，科学评估。

综上所述，GIS技术不仅可以在宏观上对林区信息进行规划、管理，还可以为决策部署、物资调度提供依据。

4.实例

4.1 系统总体需求

森林火灾严重危害森林资源，现在年均发生的火灾达22万次以上，特别是自20世纪90年代以来，随着异常天气情况的增加（如厄尔尼诺现象），森林火灾的发生数呈线性上升趋势[7]。其中，中国也是个森林火灾多发的国家，仅北京市1995—2016年就发生多起火灾（如图1所示），根据调查显示，我国年均发生的火灾约1.3万次[8]，频繁而严重的森林火灾给国民经济造成了巨大损失。从1987年黑龙江省大兴安岭特大严重森林火灾，到2010年大理“3·12”特大森林火灾，再到2019年“3·30”凉山木里森林大火，对森林地区造成了巨大的破坏，受灾难影响的人数众多，经济损失惨重。不仅如此，在森林火灾之后，虫害和水灾相继发生，其对生态环境的破坏难以估量。针对森林防火监测、管理和指挥决策的需要，使用ArcGIS平台构建了森林防火监控指挥决策系统[9]，用来收集、记录和总结整理森林区域的日常信息数据，全方位全天候监测森林环境，以防范和减少森林火灾。当森林火灾发生时，利用地理信息科学、ArcGIS软件和3S等多种技术，准确、高效地获取与森林火灾有关的数据，做到火点的精确定位、火点周围基本情况的及时掌握、火灾蔓延的发展态势、火险等级的精准预测、扑救指挥决策的科学有效以及灾后损失精准评估等，让森林火灾迅速得到控制，尽早扑灭，疏散群众，减少损失。这是林业工作的重要组成部分，也是国内外森林防火领域的研究热点。

图1 北京市1995年—2016年火灾起数

4.2 系统功能需求

“森林防火指挥决策系统”用户主要包括林场管理用户、巡逻监控人员、森林防火指挥部管理用户和系统管理员。所以系统的功能需求如下：

林场管理用户：数据浏览查询，文件下载，火点定位，火源分析，森林火灾蔓延情况分析等[10]。

巡逻监控人员：数据浏览查询，文件下载，火点定位等。

森林防火指挥部管理用户：数据浏览查询，文件下载，火点定位，火源分析，森林火灾蔓延情况分析，最优路径分析，灾损评估等。

系统管理员：数据维护，权限管理，用户管理，信息浏览查询等。

综上所述，系统功能需求主要有：数据浏览和查询，监控设备管理，火点定位，火源分析，森林火灾蔓延情况分析，最优路径分析和灾损评估功能。

4.3 系统设计的基本原则

根据国家消防办、政府有关部门和基层消防部门的要求，该系统使用ArcGIS地理信息系统平台进行开发，所有数据统一在国家、省、市、县（市、区）四个层面。同时，系统数据库与二级资源数据库兼容，可以保证系统森林资源数据的真实性和时效性，最大程度地实现森林资源数据的共享。此外，系统的设计还应遵循实用性、可靠性、方便性、高效性、安全性、保密性、系统性、整体性、先进性、前瞻性，经济性以及可持续性原则[11]。

4.4 系统结构及各模块功能

4.4.1数据浏览和查询模块

每个系统最基本的功能都是数据浏览和查询功能。该模块支持浏览、查询系统记录的所有数据。可以查询森林火灾档案、基础地理数据库、森林与土地资源数据库、森林火灾预报和决策数据库、消防员信息、消防设备等信息。也可查询火险的具体情况：火点坐标、火场与消防点的距离、火情小班信息等。还可以对数据库进行编辑、修改、添加、删除等指令操作[12]

4.4.2监控设备管理模块

监控设备主要具有信号采集、信号传输、录像存储等功能（如图2所示）。同时，还能全天时全天候地巡航监控和自动报警。为获取最佳成效，该模块可与森林烟雾识别系统结合使用。

4.4.3火点定位模块

使用监测设备进行24小时不间断巡航，用烟雾识别系统进行烟火识别，发现火情立即向系统发送火情报警，在人工确认火灾后，火点坐标自动定位并发送到系统中。

护林员手持GPS设备，在山上巡逻时发现某处着火，可直接把设备所显示的火点经纬度坐标发送给系统[1]。

图2 GPS监控系统功能图

当情况紧急时，工作人员也可利用过去的经验直接在系统中绘制火区地图，以便尽快开展救援和灭火行动。

4.4.4火源分析模块

查找距离着火点最近的防火点、 望台、救火人员、扑火设备和缓冲区的分布位置和数量，救援道路所有的可选路径和最优路径、水源分布、林场位置、居民区分布。

考虑到有大量人员参与森林救火，而这些人员又有多项不同的分工，系统有必要提供火源附近消防资源的精确信息，为救火工作的指挥决策提供相关依据。决策人员负责全局指挥、统筹资源、协调各方，向救火基层人员下达科学高效的救火指令，快速灭火，减少损失。

4.4.5林火蔓延态势模块

林火蔓延的态势模拟是基于火点的空间位置、地势地形、林木可燃物、气象变化等栅格数据以及火灾预测的蔓延模拟，通过火灾的灾害评估模型进行价值评估。

首先设置起火点；然后设置蔓延边界，包括火场的范围、面积、周边长；最后设置林火蔓延区域，统计温度、空气湿度、天气、风级、风速、风向、植被可燃物等因素，根据林火蔓延模型和边界外延算法，可计算出林火强度、火灾持续的时间、火场蔓延范围以及林火蔓延的态势图。这有利于森林防火工作人员在林火发生前，预先对在各种条件下发生的林火蔓延态势有一定的了解，使其在实际林火扑救指挥中做到有的放矢。

4.4.6最优路径分析模块

该模块可得到路径分析结果：总路长、着火点距公路的距离、出发点距公路的距离、出发点到着火点所经的每条道路和各路径所需时长。对于森林灭火队，选择最快到达火点、最节省体力、最方便调度消防设施、最靠近水源的路线，提高森林灭火救援的效率。

4.4.7灾损评估模块

该模块是灾后测量评估，根据火场面积、森林大火蔓延态势分析，利用系统绘制受灾地图，选择受灾损失的统计项，可以高效快速地对火灾的破坏程度和损失程度进行评定、分析和估算，也可以对林火发生的原因进行科学分析，提供森林火灾预防和管理经验。

5.结论与讨论

“盛世兴林，防火为先”，实施森林防火项目工程，将地理信息系统应用于森林防火领域，有助于系统而有效地做好森林防火综合治理工作，在提高森林经济效益、生态效益、社会效益方面发挥着极其重要的作用[13]。

经济效益：森林火灾对森林资源具有高度破坏性。森林防火指挥系统将使森林火灾的预防、预警、预报水平，尤其是扑救手段大大提升，能够及早发现火情，快速高效地组织灭火救援行动，真正实现“打早、打小、打了”，既保证了森林野生动植物等资源的损失减少，又能降低森林抢险救火工作时对人力物力财力的损耗，极大程度地降低了救火成本[14]。

生态效益：森林火灾严重危害、干扰了森林的生态系统。一般来说，小型森林火灾并不会严重破坏森林的生态系统，动植物死亡率低，森林生态系统较容易进行自我恢复。然而，大型以及超大型的森林火灾会造成森林生态系统的严重破坏，大量生物死亡，生态系统很难恢复，即便可以恢复，也需要漫长的时间。并且森林大火还容易引起水土流失、土质恶化、空气污染、水灾、旱灾、虫害，甚至气候恶劣等诸多不良后果。森林防火工程的实施，有助于预防和扑救森林火灾，保持森林生态系统的平衡，维护动植物和微生物的物种多样性，保护生态环境。

社会效益：森林防火工作在保护土地生态安全、人民群众的生命财产安全及建设美丽生态环境等方面发挥着重要作用[15]。此外，基于地理信息系统建立的森林防火指挥决策系统，还能为社会提供就业岗位，缓解社会就业难的压力，调整山区产业结构，开发旅游业，提高国民收入，促进经济繁荣，维护社会稳定。