GIS在林火管理中的应用与展望

李存宇，张景忠

(黑龙江省森林保护研究所，黑龙江 哈尔滨 150081)

森林是自然界中最重要的自然资源之一。2021年，我国全年共发生森林火灾616起，受害森林面积约0.4万hm2，对生态系统和人类造成的危害极大。林火管理是预防控制森林火灾的重要手段，是运用林火原理和林火生态学的理论，基于火的两重性，为控制森林火灾，同时注重发挥火的效益而采取的一系列防火、灭火、用火措施[1]。近几十年，GIS的应用得到了长足发展，被广泛应用于国土管理、资源调查、通讯交通、军事公安、商业金融等众多行业。基于GIS强大的信息存储与空间分析能力，其在林火管理领域也得到了推广普及，各类相关研究逐步走向成熟。

1 GIS简介

1.1 GIS的概念

地理信息系统(Geographic Information System)简称GIS，是分析空间信息的综合性信息系统。作为20世纪60年代发展起来的新兴学科，其主要涵盖地理学、地图学、遥感测量与计算机科学，该系统在计算机技术的支持下，可对整个地表层、大气层空间中的地理类数据进行采集、储存、管理、运算分析及描述显示。国外常用的GIS软件主要有ArcGIS、Maplnfo等，国内较为知名的GIS软件有MapGIS、Supermap、GeoStar等。

1.2 系统对林火信息的处理

以GIS为软件平台，搜集与林火管理相关的基础信息，如可燃物分布图、河流道路分布图、防火隔离带分布图等。通过自动气象观测系统与“二类调查”获取补充性数据，如可燃物含水率分布图、人员活动热点图等。GIS将相关的资源地图、参数数据、防火设施、历史数据等进行数字化整合，以声音、图片、视频等形式提供给使用者，结合动态更新与检索输出功能即可满足林火管理的基本需求。

2 基于GIS的林火基础研究

2.1 扑救指挥

火情发生后的扑救指挥工作需要指挥决策系统的辅助，基于GIS的决策系统可以实现最佳扑救路径分析、兵员与物资调配、安全撤离预警等功能。现有研究通过收集扑火队、水源地、物资库和道路桥梁的分布数据，综合应用网络通讯技术、硬件开发技术及空间信息技术，使森林火灾的扑救指挥工作更为直观、高效，同时也增加了物资利用率，提升了一线扑火队员的安全级[2，3]。

2.2 防火资源布局

防火资源可分为三大类：监测探测性防火资源、隔离防护性防火资源与扑救性防火资源。利用GIS给出的各类综合信息，可以直观地在地图上对各类资源进行高效、经济的布局设计。林火视频监测点属典型监测探测性防火资源，通过地形分析生成山地的数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)，对观测点发出射线的高程与对应地面高程进行比较，得出该观测点的可视域。从拓扑学角度看，每个监测点都覆盖着一片边缘不规则的可监控区域。张健[4]通过对观察点内部条件与观测目标外部条件的可视性分析，给出了鹫峰国家森林公园的监控选址方案。

林火阻隔带有很好的林火隔离防护效能，GIS通过对数据的分类，可科学建立高效的林火阻隔网。张晓丽[5]将地物、海拔、坡度、坡向作为林火阻隔带选线的主要影响因子，又将各主要因子划分为若干细分因子，分析所有因子权重并赋值，叠加计算后综合给出费用模型。再结合研究区域季风、最短路径优化等因素，与已有生物阻隔带、河流阻隔带、工程阻隔带连接，搭建最为经济有效的林火阻隔网系统。

扑救性防火资源主要包含扑火中队、防火物资库、水源地及防火通道等，该类资源的建设与迁移牵扯部门较多、设计实施较为困难，故基于GIS的此类布局研究尚不丰富。

3 基于GIS的林火监测研究

森林火灾一旦发生，会给森林资源与当地居民带来巨大损失，利用GIS监测林火的发生、发展态势是林业管理工作的重中之重。目前，GIS与卫星遥感技术相结合监测林火的研究已日趋成熟，监测内容主要包括：气象监测、可燃物监测、火险火点监测、林火蔓延监测及灾后评估规划。

3.1 气象监测

气象数据的变化是林火监测的一项重要内容，温度升高、湿度降低、风力增强及长期无降雨引起的干旱均会大幅提升火险等级。利用GIS强大的空间信息数据和分析能力，与自动气象站AWS(Automatic Weather Station)实时数据相整合，可高效解决数据查询、统计等问题。利用GIS可视化方面的优势，还可增强气象数据的空间图形表达力，可将各类气象数据与地理信息数据全面形象地展示给系统用户。况源[6]在提取全国综合气象信息共享系统(CIMISS)小时数据的基础上，又整合了多普勒天气雷达回波图，生成配准文件后精确叠加在SharpMap地图上，提高了监测准确度。王凯松[7]设计了可自主编辑预警方案的气象监测预警系统，根据不同地区物候特点设定警戒阈值，增强了预警的灵活性与专业性。

3.2 可燃物监测

森林可燃物空间分布是林火发生预测报、林火蔓延模拟、火强度分布等研究中需要考虑的重要因素，传统研究认为，可燃物负荷量主要取决于植被种类、林分密度与林龄，多数可燃物动态数学模型主要以林木胸径作为可变因子进行预测。利用GIS结合遥感技术分析监测可燃物[8]是目前较为成熟有效的研究方法，遥感技术通过不同地物反射的光谱特征对林分做出区判，确定上层植被类型后，通过对应可燃物模型监测可燃物变化。GIS可以提供可燃物模型需要的坡度、坡向、海拔、地类等因子值，对比地面样方估算可提高预测精度。GIS信息结合遥感技术监测可燃物负荷量，可大幅减少可燃物一类调查的地面工作量并实现了用户对可燃物的实时监测。

3.3 火险火点监测

森林火险区划的研究最早可追溯至20世纪初期，学者们对不同时空内火灾的发生频率进行数理统计，结合气象因子建立简单的区域火险预测模型。随着GIS技术的逐步成熟，火险预测评估工作也因其强大的地理信息存储功能变得更为高效便捷。林志强[9]利用GIS建立了地理因子、植被因子和社会风险因子的空间分布图，基于气象要素与经纬度关系建立气象因子空间分布图，对各图层赋予不同权重值后进行叠置分析，最终给出了西藏地区的森林火险风险区划图。焦筱容[10]则以可燃物类型、郁闭度、海拔、坡度、坡向和森林自然度作为火险区划的影响因子，并按式(1)计算得出广州市森林火险指数。该研究认为气候因子与地形因子重叠性较大，前者仅作为参考因子，并未作为影响因子单独罗列。

(1)

式中：FFR：森林火险指数；

Xj：林火影响因子；

Wi为各因子权重。

现有的定位监测技术，通常以林区配备的无线视频宽带监控系统为基础，GIS根据数据云台传回的角度(旋转角与俯仰角)信息与距离信息，结合监控区的高程模型信息后给出较为准确的火点位置，如图1所示。图中α和β分别为云台的旋转角与俯仰角，OH为瞭望台高度，D为火点F在平面XOY上的投影，线段OD的长度即为火点与瞭望塔之间的投影距离。王元园[11]认为以上“单点定位”的方法充分发挥了GIS图形与数据库紧密结合的特点，并与传统瞭望塔使用的“双点定位”及衍生出的“多点定位”法进行了比较研究。张瑜[12]在定位监测火点的基础上，以ArcEngine和Microsoft Visual Studio2005为开发平台，结合GIS数据库，实现了在二维地图和三维地图上直观显示火点位置的功能。李龙国[13]设计了视频监测与GIS地图间的通信模块，更进一步地实现了视频画面与GIS地图的互动。

图1 单点定位示意图Fig.1 Schematic Diagram of Single Point Positioning

3.4 林火蔓延监测

林火蔓延预测是火行为预测中最重要的研究方向，火行为预测的核心是各类数学预测模型，如适用性较强但参数较为复杂的Rothermel模型[14]；形式多样、结果差异巨大的各类风因子模型[15]；受限于苛刻的精度要求，通常在室内进行点烧试验的坡度因子模型[16]。除气象和地形因素外，可燃物自身属性也是影响火行为发展的重要因素，如可燃物种类、含水率、载量、密实度等，将火灾地区的GIS数据与火行为预测模型相结合，即可有针对性地提高林火蔓延的预测精度。黄作维[17]运用基于GIS的林火蔓延模型来模拟林火蔓延规律和火行为的时空格局，实现了科学直观的林火行为动态模拟。

3.5 灾后评估规划

森林火灾灾后评估是灾后经济补偿的基础，间接的社会生态与经济损失属其他科学范畴，林学范畴的灾后评估更侧重于计算林木资源自身的经济损失。将GIS图元按小班进行分割，对图元相交和图元比例进行判断与计算，对火烧迹地所涉及的小班按比例进行分析，通过不同小班的过火面积与经济价值计算火灾后的经济损失[18]。林木直接损失可按式(2)进行计算。

E=(WnWn′)·A

(2)

式中：E：林木直接损失；

Wn：单位面积林分应得收益；

Wn'：单位面积灾后残存林分收益；

A：林分受灾面积。

在监测灾后发展和生态恢复的过程中，还可利用GIS提供的海拔、坡度等地理信息，重新规划合理高效的防火运输道路；利用土壤肥力、水份等土壤因子信息与DEM提供的坡向、海拔数据，制定新的树种区划方案，将适宜树种与适宜林地相结合，可大幅提高林木成活率，促进灾后迹地植被的快速恢复。

4 GIS的发展趋势

1)随着IT技术的兴起与快速发展，GIS作为IT系统的重要组成部分，其功能与效能势必水涨船高。大数据技术的发展丰富了GIS的空间数据，对系统的处理分析能力及可视化提升具有重要意义；人工智能技术的发展增强了系统的预测分析与学习能力，其相关算法可大幅提高各类预警准确度；跨平台技术使系统可在不同架构、不同操作系统下稳定运行，满足了日益丰富的用户需求；配套的硬件技术升级则可提升系统信息源的准确性、多样性与时效性，解决系统运行不流畅等诸多问题。GIS相关技术的升级，为推动形成以火灾预测报信息发布、火情捕捉处理、科学扑救指挥、火灾损失评估、灾后建设规划为一体的智能辅助系统提供了可能。

2)我国目前基于GIS的林火管理系统还需进一步开展标准统一与数据共享方面的研究，将各地GIS处理的林火信息发布在互联网，供不同用户利用，可有效提升单个地区的林火管理水平。例如，国内多利用机理模型对林火蔓延进行模拟，野外点烧实验得出的经验模型受限于政策法规较难获得。将大量植被、地形、气象因素相近的火情数据作为经验模型的模拟样本，得出适用于不同地理条件的经验模型，与机理模型相结合，可大幅提高林火蔓延预测精度。此外，对可燃物分布进行统一大数据管理，便可通过火强度的不同对火点进行精准定位，可改变目前利用烟雾定位火点误差较大的现状。

3)GIS以处理地球表面的二维信息为主，或引入高程属性实现所谓的2.5维，传统GIS在处理高空与地下数据时，通常先将其投影到地表再进行处理，误差较大。随着三维数据结构设计与体视化技术的运用，未来会实现第一视角的多参数火场模拟，基于GIS的地下火、飞火等极端火行为研究将更为深入。相信在不久的将来，引入时空概念的四维数据会将研究带入新的科学层面。