基于平板的森林防火移動前指指揮系統應用研究

許忠海+向曉飛+殷德義+張志宏

【摘要】：本文主要結合森林防火移動前指指揮系統在紅花爾基森林防火工作中的具體應用，探討在“互聯網+”的新時代背景下，利用移動互聯網、GPS和GIS等技術，提升森林防火工作的信息化水平，提高森林防火前指人員指揮能力。本文簡單介紹了系統體系結構，關鍵技術特點以及系統各主要功能的設計和實現。

【關鍵字】：森林防火： 移動指揮

【引言】：森林火災是森林最危險的敵人，也是森林最可怕的災害，它會給森林帶來最有害，最具有毀滅性的后果。從國內外森林火災撲救的實踐來看，主要采用人工巡查和航空護林兩種方式，這兩種方式都需要將火場信息勾繪到地圖上，傳統的手工存在幾個問題： 1）. 由于沒有專門的觀測儀器設備，觀測效果與護林員的目視效果不一致，需要護林員有很高的識圖、標繪技巧才能獲得準確的火場信息判斷，易導致火場空間信息誤差，給后期的火場圖的判讀帶來一定的困難，最終可能導致錯誤的滅火部署和決策。2）. 依靠人的目視和手工操作，并將觀測到的火場信息標繪到地形圖上，工作效率低下，勢必延誤撲救的時機。隨著IT技術迅速發展利用移動互聯網、GPS和GIS等技術，提升森林防火工作的信息化水平，提高森林防火前指人員指揮能力的森林火情電子標繪系統漸成主流。

在實際的森林防火電子標繪的實踐來看，需要認真解決以下問題：

（1） 前指指揮人員隨時攜帶的設備過于沉重，電源供應比較麻煩，現有標繪系統操作復雜，不適合野外火場操作；

（2） 前指指揮人員很難實時查詢火災周邊的資源分布和地形地貌等數據；

（3） 前指指揮人員難以把繪制的火場態勢圖實時回傳給后方人員，無法對撲火方案實時溝通交流，標繪成果共享性和實時性差。

另一方面，目前國內的一些林場一般已經建立了比較先進高清的視頻監控系統，但是只有后方的值班室人員才能看到，前指指揮人員很難通過視頻監控系統看到實時的火場全貌。這些問題在一定程度上制約了森林火災撲救的正常開展和撲救決策的正確性及時性，

因此，為了有效地解決森林防火前指指揮人員在防火撲救中面臨的問題，需要單獨設計一套森林防火移動前指指揮系統，本文主要是針對以上問題開發出結合強大地圖功能、GPS定位導航、視頻數據瀏覽與管理于一體的基于平板的森林防火移動前指指揮系統。

1.系統介紹

1.1體系結構

森林防火移動前指指揮系統采用（C/S）結構，以GIS 服務器為核心， 利用Web Map Service方式裝載地理信息數據， 前指指揮系統網絡客戶端訪問GIS 服務器上的地理信息資料， 進行GIS通用操作，快速、準確地繪制各種火場態勢圖及點、線、面符號（ 起火點、火頭等）。前指網絡客戶端訪問視頻監控系統，適時的把火場視頻流展示和進行相關操作；網絡客戶端利用平板電腦內置GPS，進行火場定位。這些為決策者們快捷、科學的了解火場信息提供了可靠依據。本系統體系結構如圖1 所示。

1.2系統設計和開發工具

該系統的主要開發語言為Java， 開發工具采用Eclipse + arcgis runtime sdk for android1+ Java JDK，數據庫方面選用了sqlite。

2. 關鍵技術

2.1離線數據加載

為了保持系統能在網絡不暢通的情況下正常使用，系統的使用離線地圖數據，包括tpk格式的影像底圖數據和.geodatabase格式的資源數據。

TPK文件和 .Geodatabase文件分別是ArcGIS10.1和ArcGIS10.2推出的一種新的數據文件類型，前者主要是用于將切片文件打包形成離線地圖包，包內的柵格數據是按網格單元的行與列排列、具有不同灰度或顏色的陣列數據。每一個單元（像素）的位置由它的行列號定義，所表示的實體位置隱含在柵格行列位置中，數據組織中的每個數據表示地物或現象的非幾何屬性或指向其屬性的指針； 后者是采用標準關系數據庫技術來表現地理空間數據的數據包，兩者都可以在ArcGIS Runtime或者ArcGIS for Android/iOS接口開發的系統中快速加載調用。

2.2火場標繪中的撲火行軍箭頭算法

本系統中用到的是B-樣條曲線。B-樣條曲線是貝塞爾曲線的一種一般化，它的優勢在于：逼近特征多邊形的精讀更高；多邊形的邊數與基函數的次數無關；具有局部修改性。B樣條曲線曲面具有幾何不變性、凸包性、保凸性、變差減小性、局部支撐性等許多優良性質，使得我們能給更多一般的幾何體建造精確的模型。本程序生成箭頭形狀主要受五個因數的影響分別是，頭部高度、頭部寬度、頸部高度、頸部寬度以及尾部寬度。由畫線所得點集與五個因數相應計算可得出頭部形狀的箭頭頭部點集，箭頭軀干點集，箭頭尾部點集。箭頭軀干點集分為左側右側點集是稀疏控制點集，分別通過計算B-樣條曲線（B曲線因子，QuadricBSpline因子，Binomial因子）得到兩側完善密集點集，使得曲線圓滑，計算完成后將所得點集按順序連接并繪制起來j是所畫箭頭。

3. 系統設計及實現

系統運行主界面由2個工具欄。圖形顯示窗口及地圖轉換按鈕、GPS按鈕2個按鈕組成；主工具欄主要提供GIS通用功能（距離量算、面積量算等），系統數據的輸入、輸出、保存等功能；工具欄1包括3.1 火場標繪功能（點、線、面標繪等）；GPS按鈕進行GPS定位操作；地圖轉換按鈕實現電子地圖與GIS地圖之間的轉換。系統運行主界面生動直觀如圖2所示。

3.1火場標繪功能

火場態勢圖繪制功能是平板系統的核心功能，系統提供符合國家標準的森林防火符號庫，以供標繪人員便捷的使用各類符號信息，通過使用系統提供的點、線、文字標注和撲火行軍箭頭等繪制按鈕，在地圖上繪制具有含義的要素，生成火場態勢圖，標繪人員可以把態勢圖保存到本地或上傳給后方人員，后方人員看到態勢圖后可以修改并回傳給前指人員，方便及時溝通撲救方案。火場標繪的演示如圖3所示。endprint

3.2火場定位

利用平板電腦內置設備，通過GPS、移動網絡基站定位等手段，對設備快速定位。系統實時更新設備所在位置。系統通過輸入經緯度定位，可以在地圖上標記出該經緯度的位置。系統在地圖上任意位置點擊，可以查看該點的經緯度和小班因子屬性。

3.3查詢功能

系統可實現定位軌跡查詢及回放，系統自動記錄GPS定位出的點，生成一條軌跡線，前指人員可以隨時查詢自己行走的軌跡并回放。此外系統還提供基于空間數據和屬性數據的查詢，如：基于經緯度的查詢定位，火情標繪歷史檔案的查詢等。

3.4視頻瀏覽及相關操作

系統可以連接到現有的視頻監控點，查看實時的監控視頻，并可以調節視頻監控點的水平角、俯仰角、焦點和焦距等參數。視頻瀏覽的演示如圖4所示。

3.5應急災備

當系統或外部環境異常導致系統退出時，系統提供自動記錄當前標繪的成果，下次進入系統時自動恢復的功能。

結束語

紅花爾基林業局是呼倫貝爾市以保護、培育和經營“國寶”樟子松為主要資源的地方林業局。全局施業區總面積59.8萬公頃，有林地面積21.3萬公頃，活立木蓄積量2526萬立方米，森林覆蓋率35.6%，是聞名遐邇的樟子松故鄉。本森林防火移動前指指揮系統在紅花爾基森林防火中的應用取得了很大成功，用戶很滿意。由于森林防火移動前指指揮系統部署在Android平板電腦上，火場前指指揮人員攜帶方便，減少了隨身攜帶設備的重量，并且通過系統可以查看火場周邊地形、資源數據分布數據，通過控制火場周邊的視頻監控點查看火場周邊全貌，能夠極其方便地繪制火場態勢圖，制作撲救方案并與后方指揮人員及時溝通修改，把火場前指人員、后方指揮人員及現有的視頻監控系統連接成一個有機的整體。這有效地解決了森林防火前指指揮人員在防火撲救特別是火情標繪過程中遇到的一些問題，系統在日常的火災預防，監測預警，管理決策等方面發揮了重要的支撐作用，提高了決策支持的效率，取得了較大的經濟和社會效益。

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作者簡介：許忠海（1974年11月3日）；性別：男；籍貫：山東省成武縣；學歷：本科，畢業于內蒙古農業大學；現有職稱：林業中級工程師；研究方向：森林防頭endprint