北京市京西林场森林防火视频监控可视域分析及合理布局研究

王天罡 杨洋 咸 锋 李 虹 苑秋月 陈东泽

[1.北京市京西林场管理处，北京 102300；2.北京市园林绿化规划和资源监测中心（北京市林业碳汇与国际合作事务中心），北京 100029；3.北京森淼德信园林绿化工程有限公司，北京 102300]

据统计，2010—2021 年，我国森林火灾次数将近4 万次，森林火场总面积5.24 万hm2，受害森林面积2.06 万hm2；其中北京市发生火灾34 次，造成受害森林面积113 hm2，森林火灾严重制约着森林资源的可持续发展[1]。

可视域是在三维场景中可以监控的区域，通过监控设备位置、高度和状态参数，基于地形分析，然后通过几何运算，获得视频在地面上的可见区域，进而获取可视域面积，得到盲区率和可视域比率。苏宇轩[2]综合运用地理信息体统（GIS）空间分析法、实地勘查选址和层次分析法（AHP）等方法，从高山远程视频监控点和重点防火区域视频监控点两个方向进行选点布局。王彦卷等[3]基于地理信息系统的可视性分析贺兰山自然保护区通过少量的视频监控最大化地覆盖监控范围。李伟等[4]利用数字高程模型数据，根据泰森多边形对监测站点监测区域进行可视域分析，获取其分析指标值。本文基于ArcGIS 10.8 在分析京西林场原有13 个视频监控的可视域，为后期的加装监控合理布局提供优化选址减少监测盲区。

1 研究区概况

北京市京西林场地处北京西部，成立于2017 年10 月，所辖林区总面积9 373.33 hm2。林区地处太行山余脉，最高海拔1 625 m，森林植被丰富，垂直分布明显。林区属温带大陆性季风气候，四季分明，无霜期150～180 d，平均气温7～10 ℃，年平均降雨量500～600 mm。

2 数据与方法

2.1 数据来源

数字高程模型(DEM)来源地理空间数据云，林场辖区边界来源国土“三调”，原有13 个视频监控点位根据现场RTK采集数据获取。

2.2 可视域数据分析

用ArcGIS 10.8 软件，在数字高程模型（DEM）逐点获取地面的高程值，利用空间分析工具，提取各视频监控的观察点地面高程，编辑属性表输入RTK采集的经纬度，按每个视频监控塔高15 m，内半径是0 m,外半径5 000 m计算。可视域使用的是测地线方法。可见性通过确定对一组观察点要素可见的栅格表面位置，或识别从各栅格表面位置进行观察时可见的观察点（表1）。

林区视频监控一般部署于云台上，通过云台运动，带动视频监控摄像机进行大范围的视角移动[5]，利用单个视频监控点的属性，使用空间分析Analyst工具导出视频监测可见性区域，使用掩膜Spatial Analyst工具提取林场范围内视频监控点可见性区域，设定栅格图层像元大小值30 m，以及像元点数(以点位1 桃园为例可视像元点数1 2571 个)。可视面积1131.39 hm2，林场内区域可视面积764.46 hm2。依次提取出林区范围每个监测点的可视范围及不可视范围，并再次根据图层像元求出可视域面积（表2）。

表2 各视频监控点可视域面积汇总表Tab.2 Summary of viewable area of video monitoring points

通过对13 个视频监控点逐一分析并拟合后，得出监控可视域总面积12 386.18 hm2，林场范围辖区区域内总可视面积7 198.47 hm2，辖区总面积是9 373.33 hm2，即京西林场防火视频监控覆盖率是76.79%，低于全市森林防火监控覆盖率85.00%。主要原因是珠窝、河南台、雁翅和二斜井四个林区无防火视频监控，木城涧南部及斋堂山东部有视频监控盲区（图1）。

图1 林场各视频监控点位可视域范围Fig.1 Visual range of each video monitoring point in the forest farm

2.3 合理布局研究

2019 年“二类”调查数据显示，北京市京西林场森林覆盖率是26.88%。通过浅山台地、浅山荒山及困难立地造林，截止2022 年底，森林覆盖率提升至37.4%，随着近年人工造林力度的持续加大,中、幼龄林面积比例越来越大，存在林木自身抵御火险能力不足的特点。如果发生火灾,森林资源将遭受重大损失，甚至造成毁灭性的后果。做好森林防火预警监测，提高预警监测能力，确保火情火警的早发现、早预防、早处置和早扑灭，才能有效避免森林火灾发生和降低火灾造成的损失[6]。增加视频监控数量，合理优化监测布局，提高林场防火视频监控的覆盖率。加快森林防火监控系统建设，实行自动化决策和信息化管理。

2.3.1 选址原则 视频监控的选址要考虑节省建设成本，靠近公路沿线或周边建设，充分考虑供电系统的同时，重点分析视频监控通视范围和可视域，海拔较高地形开阔处作为选址点。1）通过地形的可视化和空间分析，结合原有视频监控，实现资源最优配置；2）监控视频点装在林区相对制高点，监测面积广、视野开阔无障碍；3）视频监测点之间的距离不小于5 km，分布均匀；4）同一区域内，选择火险等级较高的地方，如阳坡、开阔地、距离居民较近的火灾易发区。

2.3.2 地形图选取 本研究选取的是在1 ∶50 000 的数字高程模型(DEM)作为基础数据，采用2000 国家大地坐标系，其等高线间距是50 m，最大值是800 m，最小值是0 m。

2.3.3 山顶点提取 山顶点的提取方法是利用ArcGIS的空间分析技术，使用等值线空间分析导出DEM等高线，创建由矩形像元组成的网格，输出面要素后在等高线基础上生成2 500m×2 500m的格网，再将等高线图用切分工具打散，根据每个格中属性表中等高线的最大值，当作山顶低点的拟建位置（图2）。

图2 拟安装防火视频监控点Fig.2 Fire prevention video monitoring points are to be installed

通过ArcGIS软件对林场区域内DEM数据提取山顶点或者山脊点共计41 个，对乔木林地图层和山顶点图层进行了叠加分析，删除原有13 个视频监控满足可视域范围内的山顶点，同时剔除因边界效应的影响误判的山顶点，按照节约型原则达到视频监控点合理布局，同时考虑生境、地类、坡向、坡度以及海拔等因子，若遇到多个山顶点距离较近且均落在边界附近，则取海拔较高的山顶点[3]。

2.3.4 可视域分析 ArcGIS中求每个山顶点的可视域，利用山顶点提取模型，计算山顶点可视域及覆盖率（表3）。通过地理空间分析和可视域最大化拟作为视频监控布设点。

表3 拟新建视频监控点可视域面积汇总表Tab.3 Summary of viewable area of video monitoring points

剔除与13 个原有视频监控点重合、相近的点，剩余监控点中距离相近的选择高程值更高的点，同时剔除现实中地形过于陡峭的点，将剩下的点使用可见性工具导出可视域面层。使用栅格转面工具将8 个拟安装视频监控点与13 个原有视频监控点可视域图层从栅格要素转为面要素，再将两者的面要素通过联合工具将所有要素及其属性都输出为一个面要素图层，以此提取面积无重叠的视域总面积。

拟建新8 个视频监控，分布在四块飞地、桃园林区、木城涧林区各1 个，斋堂山林区2 个。点①拟建视频监控在木城涧林区，林场内可视域范围最广1 306.08 hm2；点⑧覆盖二斜井全域面积11.97 hm2；点③④位于斋堂山，由于林区山高坡陡，海拔高差大，这里保存北京国有林场中面积最大的人工落叶松林，生态价值较高，作为重点区位布设2 个防火视频监控（图3）。

图3 林场全域21 个监控视频点可视域范围Fig.3 21 monitoring video points in the whole area of the forest farm

3 结论

利用GIS可以有效分析防火监控点的可视域范围，确定监测点可视域评价和优化方案，能够掌握防火监控视频监测效果和覆盖范围，为可视化指挥、智能化决策提供信息支撑[7]。京西林场已建视频监控可视域12 386.18 hm2，林场范围辖区区域内总可视面积7 198.47 hm2，防火监控覆盖率是76.79%。结合林场相关土地类型及重点监测范围，通过GIS技术和林场DEM模型，以原有监测点空间分布为基础对拟新建防火监控点合理布局进行分析，最大限度增加监控覆盖范围，提出拟新建8 个防火视频监控点，与原有监测点拟合后总可视域22 905.18 hm2，林场范围辖区区域内总可视面积增加至8 508.34 hm2，监测覆盖率可达90.81%。未监测区可以借助无人机进行覆盖[8]。