地理信息系統在森林防火中的應用

張 鑫

（哈爾濱師范大學，黑龍江 哈爾濱 150025）

0.引言

森林作為一個重要生態系統的載體具有諸多功能，然而，由于許多不可控因素，森林火災時有發生。當情況發生時，如何快速、及時掌握火點周邊情況，采取正確的決策方法撲滅大災，最大程度地減少火災帶來的損害，已成為當前國內外森林防火領域的研究熱點[1]。

隨著中國林業的不斷發展，森林防火工程已成為林業工作的首要任務。森林防火工作必須堅持“預防為主，積極救援”的原則，真正實現及早發現、盡早解決、降低損失的目的。針對森林火災，我們構建了以現代地理學、地理信息科學、林業學等學科知識為理論基礎，運用3S等網絡高新技術，充分利用計算機網絡技術和現代通訊技術等森林防火監控指揮決策系統，具有數據采集、空間數據庫管理、空間查詢分析、圖形輸出與專題圖制作等功能，可用于資源信息管理、火點查詢、消防設施儲備、救火隊伍管理、森林滅火檔案管理和應用。森林防火監控指揮決策系統，可以在火災發生前實時監測林區的現場情況，并實時提供火災發生的地理環境、氣候條件、人為活動因素等大量信息，幫助工作人員預測火災發生的時段，圈定火災可能發生的地點和嚴重程度，以便及時發現火情；在火災發生和蔓延過程中，不斷監測火災的進程，及時將有效信息和場景圖像傳遞給森林滅火指揮中心，為指揮中心的遠程指揮和調度提供數據保障，使消防人員能夠科學有效地組織滅火救援行動，減少損失。該系統能夠真實記錄火災發生、傳播和撲滅的全過程，為火災防治、預警和治理提供真實有效的歷史數據；災難發生后，還可以快速準確地查明受損情況，并進行更準確的災難評估。

森林防火監控指揮決策系統突破了傳統的森林防火監測和救援模式。該系統融合了多領域的科學理論、現代高新技術以及科學統計計算，能基本實現日常信息收集和管理、林火監測、火險預警、林火撲救方案、輔助決策、林火受災損失評估等一系列功能，實現了科學、前沿和實用的有機統一。它使森林滅火指揮水平得到大大提高，火點快速定位、及時報警、迅速部署指揮，為現代化森林防火工作提供了重要的技術保障，在森林防火領域發揮著至關重要的作用[2]。

1.國內外研究進展

1.1 國外現有技術

美國使用“大地”衛星結合無人森林巡邏預警機對地面進行監測，德國研制了森林火災自動報警系統，加拿大采取衛星巡回監測系統等[3]，盡管一些國外技術是可靠的，但它們需要使用高空衛星，并且有些技術解決方案實施起來太過昂貴，多達數十萬美元，成本超過預算，所以這些方案都不能滿足中國森林防火工作的實際需要[4]。

1.2 國內研究方法

國內主要采用地面巡邏、 望臺檢測、航空巡護、衛星遙感監測等多手段結合的方式，該方式具有巡邏范圍廣、機動性強等優點[5]。與此同時，為彌補以上手段的不足，結合我國森林防火工作的實際情況，以地理信息系統為基礎，我國設計了“森林防火監控指揮決策系統”，可以實現實時、快速、準確地監測森林火災，配合森林管理、生態建設管理和林業活動，實現各種管理和森林防火工作。

2.GIS 技術簡介

地理信息系統（GIS）是一種空間信息系統，用于獲取、存儲、編輯、處理、分析和顯示地理數據。在計算機軟硬件的支持下，GIS通過集成計算機硬件、軟件和地理數據以及系統設計，搭配其獨特的數字高程模型、網絡分析功能和空間分析功能，能行之有效地搜集、管理、存儲、更新、分析和顯示各種形式的地理信息。

3.GIS 在森林防火上的應用

3.1 對林區信息的統一管理

森林管理部門必須對森林區域的信息掌握透徹，GIS可以建立不同圖層，將空間信息與屬性信息聯系起來，實現對空間信息和屬性信息的統一管理[6]。

3.2 對防火設施的科學安排與調度

森林地區發生火災時，需要立刻為救援行動組織人力和物力資源。GIS技術的運用可以在前期幫助確定防火設施分布，設立防火點，也可以方便、快捷、有效地進行防火設施和消防人員的科學調度。

3.3 對受災損失的科學評估

利用地理信息系統的空間疊加功能，可以盡快得到較為準確的森林區域植被經濟損失情況，科學評估。

綜上所述，GIS技術不僅可以在宏觀上對林區信息進行規劃、管理，還可以為決策部署、物資調度提供依據。

4.實例

4.1 系統總體需求

森林火災嚴重危害森林資源，現在年均發生的火災達22萬次以上，特別是自20世紀90年代以來，隨著異常天氣情況的增加（如厄爾尼諾現象），森林火災的發生數呈線性上升趨勢[7]。其中，中國也是個森林火災多發的國家，僅北京市1995—2016年就發生多起火災（如圖1所示），根據調查顯示，我國年均發生的火災約1.3萬次[8]，頻繁而嚴重的森林火災給國民經濟造成了巨大損失。從1987年黑龍江省大興安嶺特大嚴重森林火災，到2010年大理“3·12”特大森林火災，再到2019年“3·30”涼山木里森林大火，對森林地區造成了巨大的破壞，受災難影響的人數眾多，經濟損失慘重。不僅如此，在森林火災之后，蟲害和水災相繼發生，其對生態環境的破壞難以估量。針對森林防火監測、管理和指揮決策的需要，使用ArcGIS平臺構建了森林防火監控指揮決策系統[9]，用來收集、記錄和總結整理森林區域的日常信息數據，全方位全天候監測森林環境，以防范和減少森林火災。當森林火災發生時，利用地理信息科學、ArcGIS軟件和3S等多種技術，準確、高效地獲取與森林火災有關的數據，做到火點的精確定位、火點周圍基本情況的及時掌握、火災蔓延的發展態勢、火險等級的精準預測、撲救指揮決策的科學有效以及災后損失精準評估等，讓森林火災迅速得到控制，盡早撲滅，疏散群眾，減少損失。這是林業工作的重要組成部分，也是國內外森林防火領域的研究熱點。

圖1 北京市1995年—2016年火災起數

4.2 系統功能需求

“森林防火指揮決策系統”用戶主要包括林場管理用戶、巡邏監控人員、森林防火指揮部管理用戶和系統管理員。所以系統的功能需求如下：

林場管理用戶：數據瀏覽查詢，文件下載，火點定位，火源分析，森林火災蔓延情況分析等[10]。

巡邏監控人員：數據瀏覽查詢，文件下載，火點定位等。

森林防火指揮部管理用戶：數據瀏覽查詢，文件下載，火點定位，火源分析，森林火災蔓延情況分析，最優路徑分析，災損評估等。

系統管理員：數據維護，權限管理，用戶管理，信息瀏覽查詢等。

綜上所述，系統功能需求主要有：數據瀏覽和查詢，監控設備管理，火點定位，火源分析，森林火災蔓延情況分析，最優路徑分析和災損評估功能。

4.3 系統設計的基本原則

根據國家消防辦、政府有關部門和基層消防部門的要求，該系統使用ArcGIS地理信息系統平臺進行開發，所有數據統一在國家、省、市、縣（市、區）四個層面。同時，系統數據庫與二級資源數據庫兼容，可以保證系統森林資源數據的真實性和時效性，最大程度地實現森林資源數據的共享。此外，系統的設計還應遵循實用性、可靠性、方便性、高效性、安全性、保密性、系統性、整體性、先進性、前瞻性，經濟性以及可持續性原則[11]。

4.4 系統結構及各模塊功能

4.4.1數據瀏覽和查詢模塊

每個系統最基本的功能都是數據瀏覽和查詢功能。該模塊支持瀏覽、查詢系統記錄的所有數據?？梢圆樵兩只馂臋n案、基礎地理數據庫、森林與土地資源數據庫、森林火災預報和決策數據庫、消防員信息、消防設備等信息。也可查詢火險的具體情況：火點坐標、火場與消防點的距離、火情小班信息等。還可以對數據庫進行編輯、修改、添加、刪除等指令操作[12]

4.4.2監控設備管理模塊

監控設備主要具有信號采集、信號傳輸、錄像存儲等功能（如圖2所示）。同時，還能全天時全天候地巡航監控和自動報警。為獲取最佳成效，該模塊可與森林煙霧識別系統結合使用。

4.4.3火點定位模塊

使用監測設備進行24小時不間斷巡航，用煙霧識別系統進行煙火識別，發現火情立即向系統發送火情報警，在人工確認火災后，火點坐標自動定位并發送到系統中。

護林員手持GPS設備，在山上巡邏時發現某處著火，可直接把設備所顯示的火點經緯度坐標發送給系統[1]。

圖2 GPS監控系統功能圖

當情況緊急時，工作人員也可利用過去的經驗直接在系統中繪制火區地圖，以便盡快開展救援和滅火行動。

4.4.4火源分析模塊

查找距離著火點最近的防火點、 望臺、救火人員、撲火設備和緩沖區的分布位置和數量，救援道路所有的可選路徑和最優路徑、水源分布、林場位置、居民區分布。

考慮到有大量人員參與森林救火，而這些人員又有多項不同的分工，系統有必要提供火源附近消防資源的精確信息，為救火工作的指揮決策提供相關依據。決策人員負責全局指揮、統籌資源、協調各方，向救火基層人員下達科學高效的救火指令，快速滅火，減少損失。

4.4.5林火蔓延態勢模塊

林火蔓延的態勢模擬是基于火點的空間位置、地勢地形、林木可燃物、氣象變化等柵格數據以及火災預測的蔓延模擬，通過火災的災害評估模型進行價值評估。

首先設置起火點；然后設置蔓延邊界，包括火場的范圍、面積、周邊長；最后設置林火蔓延區域，統計溫度、空氣濕度、天氣、風級、風速、風向、植被可燃物等因素，根據林火蔓延模型和邊界外延算法，可計算出林火強度、火災持續的時間、火場蔓延范圍以及林火蔓延的態勢圖。這有利于森林防火工作人員在林火發生前，預先對在各種條件下發生的林火蔓延態勢有一定的了解，使其在實際林火撲救指揮中做到有的放矢。

4.4.6最優路徑分析模塊

該模塊可得到路徑分析結果：總路長、著火點距公路的距離、出發點距公路的距離、出發點到著火點所經的每條道路和各路徑所需時長。對于森林滅火隊，選擇最快到達火點、最節省體力、最方便調度消防設施、最靠近水源的路線，提高森林滅火救援的效率。

4.4.7災損評估模塊

該模塊是災后測量評估，根據火場面積、森林大火蔓延態勢分析，利用系統繪制受災地圖，選擇受災損失的統計項，可以高效快速地對火災的破壞程度和損失程度進行評定、分析和估算，也可以對林火發生的原因進行科學分析，提供森林火災預防和管理經驗。

5.結論與討論

“盛世興林，防火為先”，實施森林防火項目工程，將地理信息系統應用于森林防火領域，有助于系統而有效地做好森林防火綜合治理工作，在提高森林經濟效益、生態效益、社會效益方面發揮著極其重要的作用[13]。

經濟效益：森林火災對森林資源具有高度破壞性。森林防火指揮系統將使森林火災的預防、預警、預報水平，尤其是撲救手段大大提升，能夠及早發現火情，快速高效地組織滅火救援行動，真正實現“打早、打小、打了”，既保證了森林野生動植物等資源的損失減少，又能降低森林搶險救火工作時對人力物力財力的損耗，極大程度地降低了救火成本[14]。

生態效益：森林火災嚴重危害、干擾了森林的生態系統。一般來說，小型森林火災并不會嚴重破壞森林的生態系統，動植物死亡率低，森林生態系統較容易進行自我恢復。然而，大型以及超大型的森林火災會造成森林生態系統的嚴重破壞，大量生物死亡，生態系統很難恢復，即便可以恢復，也需要漫長的時間。并且森林大火還容易引起水土流失、土質惡化、空氣污染、水災、旱災、蟲害，甚至氣候惡劣等諸多不良后果。森林防火工程的實施，有助于預防和撲救森林火災，保持森林生態系統的平衡，維護動植物和微生物的物種多樣性，保護生態環境。

社會效益：森林防火工作在保護土地生態安全、人民群眾的生命財產安全及建設美麗生態環境等方面發揮著重要作用[15]。此外，基于地理信息系統建立的森林防火指揮決策系統，還能為社會提供就業崗位，緩解社會就業難的壓力，調整山區產業結構，開發旅游業，提高國民收入，促進經濟繁榮，維護社會穩定。