城市网格监督员参与的昆明主城面山林火监测覆盖率分析

王咪 方向阳 张武 寇卫利

摘要：為研究城市网格监督员对于提升城市面山林火监测覆盖率的作用，以昆明市主城面山为研究对象，将数字高程模型（DEM）、城市建筑轮廓、森林资源二类调查、铁塔视频监控系统、防火瞭望台和城市网格等数据预处理后，按照城市网格监督员参与前后进行视域分析，得到2种城市面山林火监测覆盖范围和覆盖率。结果表明，1）城市网格监督员参与前昆明主城面山林火理论和实际监测覆盖率分别为93.2%和43.83%；2）城市网格监督员的主城面山林火监测面积为123.92 km2，覆盖率为45.24%；3）城市网格监督员参与后主城面山林火监测覆盖率为63.23%，比现有提升覆盖率20.4%。由此得出城市网格监督员的参与能提升林火监测覆盖率的结论。建议在今后的林火监测工作中应综合考虑视频监控的可视半径和视域覆盖范围以便更加科学配置监测资源，同时借助城市网格监督员开展森林防火联防联控，提高林火监测覆盖率。

关键词：城市网格监督员；城市面山；林火监测；覆盖率；视域分析

中图分类号：S762.2；F294.1文献标识码：A文章编号：1006-8023（2023）02-0039-08

Coverage Rate Analysis of Forest Fire Monitoring in Mountain Surrounding

Kunming Main City with the Participation of Urban Grid Supervisors

WANG Mi1， FANG Xiangyang2*， ZHANG Wu2， KOU Weili3

（1. Kunming Grid Comprehensive Supervision and Command Center， Kunming 650506， China;2.Kunming Forest Fire

Prevention and Control and Forest Grass Information Center， Kunming 650506， China; 3.College of Big Data

and Intelligent Engineering， Southwest Forestry University， Kunming 650224， China

）

Abstract：In order to study the influence of urban grid supervisors in improving the coverage ratio of forest fire monitoring at forest mountain surrounding main city， taking mountain surrounding Kunming main city as the research object， using data such as DEM （Digital Elevation Model）， urban building contour， forest management inventory， iron-tower video surveillance system， fire watch towers and urban grid， after a series of processes， taking viewshed analysis by whether urban grid supervisors participate or not， two coverage range and coverage rate of forest fires monitoring in forest mountain surrounding Kunming main city were got. The results indicated： 1）the theoretical and actual monitoring coverage rates of forest fires in forest mountain surrounding Kunming main city before the participation of urban grid supervisors were 93.2% and 43.83%， respectively. 2）The area of forest fire monitoring in forest mountain surrounding Kunming main city of urban grid supervisors was 123.92 km2， with a coverage rate of 45.24%. 3）After the participation of urban grid supervisors， the coverage rate of forest fire monitoring in forest mountain surrounding Kunming main city was 63.23%， which was 20.4% higher than now. The participation of urban grid supervisors can improve the coverage rate of forest fire monitoring in forest mountain surrounding Kunming main city. It is suggested that in the future forest fire monitoring work， the visual radius and field coverage of video surveillance should be comprehensively considered in order to allocate monitoring resources more scientifically. At the same time， with the participation of Urban Grid Supervisors， joint forest fire prevention and control should be carried out to improve forest fire monitoring coverage.

Keywords：Urban grid supervisors; mountain surrounding main city; forest fires monitoring; coverage rate; viewshed analysis

收稿日期：2022-06-10

基金项目：云南省农业联合面上项目（2018FG001-059）

第一作者简介：王咪，学士，工程师。研究方向为网格化管理及数字城市。Email： wang_mee@163.com

*通信作者：方向阳，硕士，工程师。研究方向为森林防火及数字林业。Email： fang_xy1123@163.com

引文格式：王咪， 方向阳， 张武， 等. 城市网格监督员参与的昆明主城面山林火监测覆盖率分析 [J] . 森林工程，2023，39（2）：39-46.

WANG M， FANG X Y， ZHANG W， et al. Coverage rate analysis of forest fire monitoring in mountain surrounding Kunming main city with the participation of urban grid supervisors[J]. Forest Engineering， 2023，39（2）：39-46.

0引言

林火监测是森林火灾预警工作中的核心内容，其作用主要体现在对森林早期火的及时发现。因此，林火监测覆盖率对于森林早期火的发现有直接影响。近年来，为了提高林火监测覆盖率，大致开展了5个方面的研究，主要有天上卫星监测、空中无人机预警、近地面防火瞭望台和视频监控系统、地面人工巡护及为提高监测效率开展的辅助性研究。利用卫星进行大范围的林火监测是研究热点[1]，但由于其空间分辨太低、时效性不足等问题，使其暂时还无法达到准确识别早期火情的目的；空中无人机灵活轻便的特点对于小范围重点区域作用明显[2]，但由于其有限的电池续航时间导致巡护范围小，且有些地区受到航空管制，对于大范围、长时间提升监测覆盖率的作用有限；近地面的防火瞭望台[3-4]和视频监控系统[5]，绝大多数利用地面高点资源，进行大范围的监测，但是其受地形起伏的遮挡，监测覆盖率也有限；地面人工巡护对于早期火的发现起着主要作用[6]，但由于地面植被和地形起伏的遮挡，其监测覆盖率并不高；火险等级区划[7]、林火扑救指挥辅助决策系统建立[8]等辅助性研究主要体现在林火监测资源的优化配置，对林火检测覆盖率提升的直接作用有限。总的来看，虽然林火监测覆盖率的相关研究很多，但其多数研究都是从林业出发研究林火监测，而没有切实以提高林火监测率为原则，突破行业限制采取各种可能手段，所以在一定程度上滞后于社会对林火监测覆盖率的现实要求。网格化管理在林业中的拓展应用，基本是城市网格化管理的简单复制，主要涵盖了林区治安防控[9]、森林防火管理体系[10]、森林火灾技术预防[11]和城市林业[12]等，仅满足于在固定的地理网格空间内进行简单的资源管理，没有形成具有行业特色的网格化管理体系。昆明市网格化管理工作起源于数字化城市管理，以数字化为管理手段，依靠城市网格监督员开展日常城市管理案件巡查，发现问题后上报，其监测范围如今已扩展到卫星遥感生态环境监测和滇池河流监测等领域[13]。城市网格的划分参照《数字化城市管理信息系统》（GB/T 30428）关于单元网格的划分标准和地理编码规范，因地制宜，划分网格地理单元，每个网格地理单元都配置相应管理责任的网格监督员，就其责任网格内的城市管理、生态环境、集贸市场、小区管理和私挖乱采等问题开展巡查、上报和处置，网格的划分主要以各区为主，市级指导审核后按照网格划分时确定的责任人进行管理和考核。网格监督员在城市治理工作中发挥了较大的作用，在昆明创建全国文明城市、举办《生物多样性公约》缔约方大会第十五次会议（CBD COP15）、社会综合治理及抗击新冠疫情等工作中都做出了积极贡献。城市面山这一特殊地理位置，是在空间位置上距离城市网格监督员最近的非建成区，加之昆明主城三面环山的地理空间格局，建成区和非建成区呈现出显著地势高差，为城市网格监督员参与林火监测工作提供了客观条件。云南省生态文明建设的不断推进给昆明网格化管理模式在生态环境建设中的应用和推广带来了机遇和挑战。因此，为了进一步明确城市网格监督员在森林生态环境保护、拓宽网格化管理内容方面的应用前景，引入城市网格监督员参与林火监测。然而，到目前为止，相关研究还处于空白，城市网格监督员参与的林火监测能否提高林火监测覆盖率尚待研究。

视域分析技术在林火监测中的研究多应用于监测站选址[14]、防火资源配置评价和优化[15]、视频监控布局[16]、微波监控通信布局[17]和瞭望台可见性分析[18]等方面，在城市面山这一特殊地域范围的研究多应用于景观生态修复领域[19]，城市面山的林火监测研究则多以对策[20]和传统地表可燃物[21]的研究为主。在城市面山这一特殊地理区域利用视域分析技术，依托城市网格监督员进行林火监测的研究还处于空白。为了研究城市网格监督员对于提升城市面山林火监测覆盖率的作用，对数字高程模型（DEM）、城市建筑轮廓、森林资源二类调查、铁塔视频监控系统、防火瞭望台和城市网格等数据进行一系列预处理，在ArcGIS软件平台中按照城市网格监督员参与前后分别对有关数据进行视域分析，得到城市面山前后2种林火监测覆盖范围和覆盖率。在此基础上开展结果分析并得出结论，旨在为不增加投入的前提下提升林火监测覆盖率、拓宽网格化生态监测内容提供一种思路，填补研究空白。

1数据与研究方法

1.1研究区概况及数据

研究區为昆明主城区面山，范围北起长虫山，东至长水机场，西至西山龙门，南至梁王山，主要涵盖了五华区、盘龙区、官渡区、西山区和呈贡区的城市面山以内范围，市中心位于102°42′31″E， 25°02′11″N。总体地势北部高，南部低，昆明市中心平均海拔约1 891 m，每年12月1日至次年5月31日为森林防火季，其中2月1日至4月31日为高火险期。

由表1可知，数据包括森林资源二类调查数据、城市网格区划数据、建筑轮廓数据、铁塔视频监控数据、瞭望塔数据和DEM数据。

1.2研究方法

1.2.1数据预处理

依托ArcGIS平台开展，进行数据预处理如下。

1）为了统一研究数据基础，首先将数据转换到统一的坐标系下，并利用裁剪工具将数据裁剪成一致的研究区域范围；2）网格监督员由于其公共服务的身份特点，绝大多数情况只会在地面公共场合开展日常巡查，为了使网格视点分布更加合理，避免出现视点与建筑重叠，在将网格进行转换成点之前，提前排除网格区域与建筑重合的情况，利用软件擦除功能实现；3）在上一步的基础上采用取其质心的方式运用数据转换工具将面转换成点，得到1 148个网格监督点位；4）为了得到具有建筑高度的DSM，需将建筑轮廓数据属性中floor数据按照层高3 m进行换算，得到建筑高度，如公式1所示；5）利用上一步结果的矢量数据按高度值进行数据转换并重采样成12.5 m分辨率的栅格数据；6）将现有DEM与上一步结果的栅格数据按照相加的地图代数方法进行融合，得到数字表面模型（DSM）；7）最后利用网格监督点位提取高程，并按人眼距地面1.5 m的高度进行计算，得到网格监督点位视点高度，同样方法得到铁塔视频监控系统和瞭望台视点高度，其中瞭望台试点高度和铁塔高度包含于属性数据中，如公式2所示。

hb=floor×3。（1）

式中：hb表示建筑高度，m；floor表示建筑层数；3表示建筑层高，m。

Hwp=hb+hDEM+1.5 。（2）

式中：Hwp表示视点高度，m；hDEM表示地面海拔，m；1.5表示网格监督员眼睛距地面高度，m。

1.2.2缓冲区及视域分析

数据预处理后，选择瞭望台数据、铁塔视频监控数据分别按照8 km可视半径和实际可视半径进行缓冲区分析，利用并集原理融合相关数据，得到两者可视半径范围，即理论监测覆盖率；选择具有高程属性的点和DSM数据，在软件平台中选择观察点高程、折射率、可视半径和分析方法等参数利用视域分析功能对其进行分析，得到1 148个点位网格监督员的可视域范围，随后利用森林资源二类调查数据将提取出来的森林与可视域范围进行比较分析，得到网格监督员的昆明主城面山林火监测覆盖率，同样的方法得到铁塔视频监控系统和瞭望台的可视域范围和昆明主城面山林火监测覆盖率；最后按照并集原理融合网格监督员、铁塔视频监控系统和瞭望台林火监测覆盖范围，并分析得出监测覆盖率。

2结果与分析

2.1网格监督员参与前

2.1.1可视半径、可视域结果与分析

研究区森林总面积为273.92 km2，如图1所示，按可视半径分析，铁塔视频监控系统和瞭望台的监测面积为255.3 km2，覆盖率为93.2%，而按可视域分析得出的监测面积仅120.05 km2，覆盖率为48.83%。

根据瞭望台和铁塔视频监控系统的可视半径分析得出的理论监测覆盖率与根据两者的可视域分析得出的实际监测覆盖率有相当大的差距，且可视域完全位于可视半径范围为内。这是由于按照可视半径分析得出的监测覆盖率没有考虑到地面地形起伏。在早期瞭望台的建设中，大多选址在相对高点，以能够大致掌握火情方位、火势走向等宏观信息为主要目的，视频监控系统近几年才开始建设，其主要目的是在原有的瞭望台基础上，增加覆盖率的同时能够兼顾24 h实时监控，以起到在监测范围和监测时间上同时提升的作用，基本解决了“看得见、能判断”的问题。而仅仅利用可视半径简单分析得出的监测覆盖率，难以满足当前工作要求，尤其是城市面山等重点林火监测区域对“早发现、看得准”的现实要求。因此，两者的差异是由于不同时期的主要目的不同造成，刚开始建设目的是“从无到有”，现在建设目的是“从有到优”。

2.1.2监测现状与分析

对瞭望台和铁塔视频监控系统进行可视域分析，结果如图2所示，瞭望台的监测面积为35.10 km2，覆盖率为12.81%；铁塔视频监控系统监测面积为119.50 km2，覆盖率43.63%；瞭望台和铁塔视频监控系统的融合监测面积为120.05 km2，覆盖率为48.83%，其中两者都能监测到的面积为34.55 km2，占融合监测覆盖总面积的36.28%。

近年来新建的铁塔视频监控系统比原来瞭望台的监测面积多了84.4 km2，覆盖率提升了30.82%，每個瞭望台的监测面积为7.02 km2、覆盖率为2.56%，而平均每个铁塔视频监控点位的监测面积仅有4.60 km2，覆盖率为1.68%。铁塔视频监控系统的点均监测面积和覆盖率相较传统瞭望台并不高，这是由于在早期瞭望台建设的选址都是选择在相对高点，可以说这5个瞭望台点位是面山范围内最高的5个点，而铁塔视频监控系统的点位则相较瞭望台海拔低。所以，在铁塔视频监控系统建设过程中，铁塔尽可能地建设在海拔较高的点位，哪怕与原有瞭望台位置相同，本次研究中共有5个这样的点位。这导致了瞭望台的全部监测范围是两者都能监测到的范围，面积为34.55 km2。由此可见，新建的视频监控系统虽然对于原有的瞭望台在林火监测覆盖率的提升上作用明显，但仅考虑到了每个点位的平均监测覆盖率，而没有在前期瞭望台的基础上以综合监测覆盖率的提升为出发点进行，导致与原来瞭望台的监测范围有较多的重合，加上前期瞭望台的基础设施建设相对完善，可直接服务于铁塔视频监控系统的建设。综上，铁塔视频监控系统的建设，不完全是为了提高监测覆盖率，而是出于铁塔视频监控点均监测面积最大化、缩短建设周期和节省建设成本的综合考虑，导致目前昆明主城面山森林的铁塔视频监控系统和瞭望台的综合监测覆盖情况并没有达到最佳状态。

2.2网格监督员参与后

2.2.1结果

城市网格监督员的监测面积为123.92 km2，覆盖率为45.24%，融合现有监测面积后，综合监测面积为173.22 km2，监测覆盖率为63.24%。监测面积提高53.17 km2，提升了44.29%，覆盖率提高了19.41%。如图3所示，研究区森林总面积273.92 km2，其中不可见面积100.70 km2，占比36.76%；铁塔视频监控系统、瞭望台和网格监督员均可见面积为17.66 km2，占比6.45%；铁塔视频监控系统和瞭望台均可见的面积为16.89 km2，占比6.17%；铁塔视频监控系统和网格监督员均可见的面积为52.71 km2，占比19.24%；瞭望台和网格监督员均可见面积为0.38 km2，占比0.14%；仅网格监督员可见面积为53.17 km2，占比19.41%；仅铁塔视频监控系统可见面积为32.24 km2，占比11.77%；仅瞭望台可见的面积为0.17 km2，占比0.06%。

2.2.2分析

总的来看，网格监督员参与昆明主城面山林火监测后，该区域林火监测覆盖面积提升较为明显，达到了44.29%。对照图4、图5来看，提升的53.17 km2是现有瞭望台和铁塔视频监控系统的监测盲区，主要分布于城区与森林交界的地方，而该地区属于重点林火监测区域，由于相较于现有的铁塔视频监控系统和瞭望台的监测覆盖范围其更加接近城区，所以社会关注度高，且一旦发生森林火灾对人民的生命健康和财产安全会带来更大威胁。由此可见，由于网格监督员的参与，新增监测覆盖区对于林火监测来说意义重大。虽然网格监督员点位都位于地势平坦的城区且海拔较低，但大量建筑的遮挡，即便有1 148个点位，其单个监测点位的覆盖面积和覆盖率十分有限。

分开来看，网格监督员与瞭望台的共同可见面积为18.04 km2，占两者融合可见面积（140.98 km2）的12.80%，占瞭望台可见面积（35.10 km2）的51.40%，较铁塔视频监控系统与瞭望台的共同可见面积（34.55 km2）减少47.79%，而融合可见面积增加了20.98 km2，网格监督员和传统瞭望台由于没有监测点位的重合，其共同监测区域面积比铁塔视频监控系统与瞭望台的共同监测区域小，体现出了更有效率的监测覆盖率提升。网格监督员与铁塔视频监系统的共同可见面积为70.23 km2，占两者融合可见面积（173.05 km2）的40.58%，占铁塔视频监控系统可见面积（119.5 km2）的60.44%，两者监测区域重合较多，分析发现网格监督员和铁塔视频监控系统有1个点位位置重合，如果不考虑该点位，按照其点均监测覆盖面积测算，网格监督员与铁塔视频监控系统仍有65.63 km2的共同覆盖范围，可见网格监督员融合铁塔视频监控系统对林火监测覆盖率的提升效率不如网格监督员融合瞭望台，但融合后铁塔视频监控系统的监测面积也提升了53.55 km2，与网格监督员参与后对由瞭望台和视频监控系统组成的现有监测范围提升的面积53.17 km2几乎相等。这是由于铁塔视频监控系统的监测范围基本包含了瞭望台监测范围，所以，其新增监测面积同样主要分布在城区与森林交界的区域。三者共同可见面积为17.66 km2，占三者融合可见总面积（173.22 km2）的10.20%，可见三者相融合后相互之间对各方原来的监测覆盖率都起到了弥补的作用。

即使网格监督员参与了昆明主城面山林火监测，仍有100.70 km2的监测覆盖仅有地面传统护林员点上的参与，占比高达36.76%，如图5所示。主要分布在东面、西南面和北面，此区域远离城区且与城区相对高差较小，与网格监督员之间有地形遮挡等原因共同造成网格监督员视域无法覆盖，且形成相对集中连片的区域。

3结论与讨论

3.1结论

通过引入城市网格监督员参与到昆明主城面山林火监测，并利用可视域分析和缓冲区分析得出城市网格监督员的参与能扩大昆明主城面山林火监测现有覆盖面积、提升其覆盖率，监测面积（覆盖率）提升区域主要分布在城区与森林交界的近城区域。受先、后建设目标差异的影响，昆明主城面山林火监测实际覆盖率与理论监测覆盖率呈现较大差异，与此同时，不同监测资源之间的林火监测覆盖范围重合面积较多。对今后的有关工作提出建议如下。

1）在今后的林火监测工作中，在现有监测技术体系下，可以借助城市网格监督员力量开展森林防火联防联控，提高林火监测覆盖率。

2）不论是引入城市网格监督员参与，还是新建视频监控系统，都应明确工作目标，比如以“看得见、能判断”或 “早发现、看得准”为出发点，这样才能得出准确的监测覆盖范围和覆盖率，从而为进一步优化林火监测体系提供更加科学的数据支撑。

3）如果网格監督员参与到林火监测工作中，则要进行网格区划的进一步优化，以达到与现有监测体系互补的作用，减少共同覆盖范围，提升监测效率。

4）加强昆明主城区面山东面、北面和西南面的林火监测规划和建设。

3.2讨论

本次研究也存在一些不足；1）由于林区的视频铁塔监控系统和瞭望台的观测时间主要是在白天，而城市网格监督员的巡查时间也是以白天（08：30—18：00）为主，两者在监测时间上的重合度较高，网格监督员的参与对监测覆盖率在时间上的提升起不到明显作用，故本次研究的监测覆盖率主要指的是空间上的监测覆盖率；2）受研究手段限制，以网格监督员点代替城区整个网格面的观察范围，即便网格面的划分比较密集，但仍不能完全模拟网格监督员在实际巡察过程中的真实情况，在今后的研究中有条件的可结合各网格中的路网进行视域研究；3）建筑高度以其层数×3 m的层高概算得出，与实际建筑外形和层高有出入，加之网格监督员点为观察距地面高度也是以人均数据测算，与监督员眼睛距地面高度有出入，如果有每个网格监督员的真实身高数据，结果将更准确；4）结合城区网格监督员的分布开展城市面山林火监测的相关研究偏少，可借鉴的经验不足。为此，在今后的研究中，条件允许的情况下研究数据的度量应尽可能细化。本次研究旨在为不增加投入的前提下提升林火监测覆盖率、拓宽网格化生态监测内容提供一种思路，填补研究空白。

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