周成林 顏 偉* 姜 霞

(1.貴陽市森林資源管理站 貴陽 550003；2.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽 550005)

淺談山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)

周成林1顏 偉1*姜 霞2

(1.貴陽市森林資源管理站 貴陽 550003；2.貴州省林業(yè)科學(xué)研究院 貴陽 550005)

本文利用DEM建模、可視域分析等方法，采用監(jiān)測率、盲區(qū)率、重復(fù)率等指標來評價森林防火監(jiān)測型資源配置的合理性，并根據(jù)這些指標來對監(jiān)測型資源的配置進行優(yōu)化。以貴陽市為例，對貴陽市1230km2范圍內(nèi)的森林防火監(jiān)測點選址進行優(yōu)化試驗，結(jié)果表明，經(jīng)優(yōu)化后的監(jiān)測面積上升26%。

山區(qū)森林防火;監(jiān)測網(wǎng);優(yōu)化設(shè)計

森林火災(zāi)是森林面積減少的主要原因之一[1]。森林火災(zāi)不僅直接損害森林資源和生物多樣性，破壞陸地生態(tài)系統(tǒng)，還會產(chǎn)生碳氧化合物和煙塵，嚴重污染大氣環(huán)境，給人民生命財產(chǎn)乃至社會穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展都帶來嚴重損失和影響。森林防火關(guān)系著國家森林資源安全、環(huán)境保護、生態(tài)旅游以及人民生命財產(chǎn)安全等[2]。貴州山區(qū)地形復(fù)雜、山巒疊障、溝壑縱橫、林區(qū)小道較多，生產(chǎn)生活用火頻繁，森林火情發(fā)生很難預(yù)見。建設(shè)森林防火監(jiān)測系統(tǒng)，既增加森林防火工作的技術(shù)含量，又提高森林防火水平。本設(shè)計主要從山頂點提取原理和可視域分析的方法實現(xiàn)監(jiān)測型資源監(jiān)測范圍計算，根據(jù)森林資源、地形地貌等現(xiàn)狀，提出優(yōu)化方案，為森林防火管理工作的科學(xué)決策提供技術(shù)支持。

1 山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

1.1 必要性

森林火災(zāi)是目前世界上最為嚴重的自然災(zāi)害和突發(fā)公共事件之一，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為當(dāng)今世界八大自然災(zāi)害之一[3]。森林火災(zāi)具有突發(fā)性、災(zāi)害發(fā)生的隨機性、短時間內(nèi)能造成巨大損失的特點。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，森林資源98%以上生長在山區(qū),隨著山區(qū)封山育林、天保工程以及退耕還林工程的實施，加速了森林資源的恢復(fù)，樹高林密，枯枝落葉不斷增多，山區(qū)森林火情時有發(fā)生[4]?！笆晃濉逼陂g，貴州共發(fā)生森林火災(zāi)9364次( 其中一般森林火災(zāi)6576次，較大森林火災(zāi)2779次，重大森林火災(zāi)9次，過火總面積10.35萬公頃，受害森林面積2.08萬公頃，年均森林火災(zāi)受害率為0.53‰，損失成林蓄積475881.2立方米，損失幼林4527.1萬株，因森林火災(zāi)死亡55人，重傷18人，輕傷31人，其它損失約8686.8萬元[5],給國家和人民生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失。建設(shè)山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)是我省森林防火工作的重要內(nèi)容。森林防火監(jiān)控網(wǎng)主要用來觀察火情、火災(zāi)，確定火災(zāi)發(fā)生的地點，是防火的一種重要措施，對于及時組織撲救森林火災(zāi)有著重要作用。森林防火監(jiān)控塔監(jiān)測是一般林區(qū)常用的探火、報警措施。對林火進行有效監(jiān)測，不僅可以及早發(fā)現(xiàn)火情，而且能極大地減少森林火災(zāi)引起的經(jīng)濟和環(huán)境損失。優(yōu)化森林防火監(jiān)測網(wǎng)配置是做好森林防火工作的基本前提，山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化是實現(xiàn)林火有效監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。

1.2 原則

森林防火監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計原則有5個，分別是安全、實用、操作簡便、穩(wěn)定和使用技術(shù)優(yōu)良原則[6]。

1.3 流程

山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)的設(shè)置需要考慮多方面的因素，包括森林資源分布、地形地貌、基礎(chǔ)設(shè)施、通視性、森林火險等級等，本設(shè)計針對山地區(qū)域，綜合考慮多方面的因素，基于紙質(zhì)地形圖、森林資源分布數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃等數(shù)據(jù)，利用DEM建模、可視域分析等方法，突破山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化的難關(guān)，總結(jié)山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化策略，實現(xiàn)森林防火全方位嚴密監(jiān)控,其設(shè)計流程和結(jié)構(gòu)見圖1。

1.4 功能介紹

1.4.1 DEM地表建模

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是構(gòu)建虛擬地形環(huán)境的重要步驟之一，DEM的精度不僅影響地形可視化的效果，而且更重要的是制約著地形仿真和GIS分析與決策的可信度?；贒EM的山頂點提取是指利用地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間分析技術(shù)，在指定區(qū)域獲取并篩選山頂點的過程,主要包括獲取高程值和提取山頂點兩個部分。DEM 的特點[7]：

(1)易以多種形式顯示地形信息。地形數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機軟件處理后，產(chǎn)生多種比例尺的地形圖、縱橫斷面圖和立體圖。

(2)精度不會有損失。DEM 是以數(shù)字媒介存儲的，因此其精度不會隨時間而改變。DEM制作地圖，是將DEM數(shù)據(jù)直接輸出，可以使精度得到控制。

(3)容易實現(xiàn)自動化、實時化。對地圖信息的增加與修改是一項十分重要的內(nèi)容，而對于DEM 來說，由于它是以數(shù)字形式存在的，只要在軟件中處理要增加和修改的信息就可以產(chǎn)生滿足需要的各種地形圖。

1.4.2 監(jiān)測點的可視域分析

可視域是指某一特定位置的可視范圍?？梢曈蚍治鍪峭ㄟ^分析數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)中每個單元的高程值來確定到某些特定位置(視點)的可見性?？梢曈蚍治鲂枰跀?shù)字高程模型(DEM)來實現(xiàn)。監(jiān)測點的可視域范圍是森林防火視頻監(jiān)控點選址的決定性指標，是森林防火視頻監(jiān)控點選址時考慮的首要因素，其基本算法是計算每個點到瞭望點的可視性。在不考慮地球曲率影響的情況下，這個點是否可視，取決于從瞭望點到該點的連線(即視線)是否被中間的物體隔斷?？梢曈蚍治黾从嬎憬o定觀察點可以看到的區(qū)域，它利用數(shù)字高程模型中每個點的高程值來計算該點相對于觀測點是否可視?？梢曈蚍治鍪窍栏呖詹t望技術(shù)的核心環(huán)節(jié)，是進行瞭望點位置設(shè)定、布局分析、配置優(yōu)化和監(jiān)控應(yīng)急的基礎(chǔ)方法。

1.4.3 監(jiān)測型資源配置評價

監(jiān)測型資源配置評價是對任一監(jiān)測型資源在某一監(jiān)測點上的監(jiān)測效率分析，主要根據(jù)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點的監(jiān)測面積、監(jiān)測率、盲區(qū)面積和盲區(qū)率來分析監(jiān)測型資源配置效率[8]。由于貴州山區(qū)地形復(fù)雜性，在一個監(jiān)測范圍內(nèi)，某區(qū)域部分可能會被多個監(jiān)測點同時監(jiān)測，可能存在多余的監(jiān)測型資源。為了提高林火監(jiān)測有效性，需要對林火監(jiān)測型資源配置分析，還需考慮地勢和火險等級等因素，避免監(jiān)測資源的浪費。

圖1 山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

2 山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化實現(xiàn)

對貴陽市1230km2范圍內(nèi)的森林防火監(jiān)測點選址進行優(yōu)化試驗。優(yōu)化過程如下：

(1)對貴陽市1230km2范圍DEM數(shù)據(jù)插值處理生成數(shù)字高程模型，獲取通信運營商基站鐵塔的分布數(shù)據(jù)，制作通信基站分布圖，將數(shù)字高程模型和通信基站分布圖進行疊加分析處理，挑選出最高點附近的基站鐵塔179個。

(2)剔除邊界點，剩余可選點92個。

(3)結(jié)合貴陽市重點森林資源(如：貴陽市環(huán)城林帶、國家級公益林、保護等級為一級的森林資源)的分布數(shù)據(jù)進行篩選，篩選后還有53個基站可供選擇。

(4)結(jié)合可視域分析結(jié)果進行篩選，篩選后還有44個點可供選擇。

(5)從44個點隨機選取5個點的實際可視范圍，與理論可視范圍、剔除點可視范圍進行對比分析，結(jié)果見表1。

表1 貴陽市森林防火監(jiān)控點可視范圍對比表

從表1可知，經(jīng)過優(yōu)化后的點的可視范圍的均值為理論值的92.1%，沒有優(yōu)化的點的監(jiān)測范圍是理論值的66.1%，優(yōu)化后的監(jiān)測面積上升26%。以此優(yōu)化方法對貴陽市山區(qū)森林防火監(jiān)測網(wǎng)進行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果見圖2：

圖2 優(yōu)化后的貴陽市山區(qū)森林防火監(jiān)測點選址圖

3 結(jié)語

森林火災(zāi)是目前世界上最為嚴重的自然災(zāi)害和突發(fā)公共事件之一，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為當(dāng)今世界八大自然災(zāi)害之一[9]。森林火災(zāi)使森林面積減少，降低森林的碳匯功能，森林碳庫遭受巨大損失，增加了大量碳排放，對全球氣候變化產(chǎn)生重大影響，成為全球共同關(guān)注的焦點。每年我國會因森林火災(zāi)而減少的森林面積占全部1/5[10]。因此，做好森林防火監(jiān)測工作，使用具有現(xiàn)代化的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)，可及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患并進行警告和行動，使森林受損面積減到最小。

[1]胡海清,魏書精,金森,等.森林火災(zāi)碳排放計量模型研究進展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2012,23(5):1423～1434.

[2]柳俊才,宋益學(xué).天山西部林區(qū)森林防火監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)[J].新疆林業(yè)2012.3:39～47.

[3]劉詩峰,張堅.佛坪自然保護區(qū)生物多樣性研究與保護[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

[4]張興友,趙剛.蒼溪縣山區(qū)森林防火存在的問題及對策[J].四川林勘設(shè)計,2015,3:107～109.

[5]曹軒.貴州省森林火災(zāi)特征及其森林防火對策研究[J].貴州林業(yè)科技,2014,42(2):56～60.

[6]許水燕.基于GIS 的森林防火監(jiān)測系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[7]李秀文.礦區(qū)數(shù)字高程建模(DEM)在工程測量中的應(yīng)用[J].新疆有色金屬,2013,71～73.

[8]黃小銀,徐愛俊,張晨輝.森林防火監(jiān)測型資源配置評價及優(yōu)化方法[J].2011,28(4):583～589.

[9]曹軒.貴州省森林火災(zāi)特征及其森林防火對策研究[J].貴州林業(yè)科技,2014,42(2):56～60.

[10]黃日升.淺談森林防火監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].花卉,2016,4:60～61.

Brief Talk About on the Optimization Design and Implementation of Forest Fire Monitoring Network in Mountain Area

ZHOU Cheng-lin1YAN Wei1*JIANG Xia2

(1.Forest Resources Management Station of Guiyang City，Guiyang550003; 2.GuiZhou academy of Forestry, Guiyang550005)

In this paper, the methods of DEM modeling and visible range analysis was used to evaluate the rationality of the allocation of the forest fire monitoring resources through the indicators including monitor rate，blind spot rate，repetition rate and etc.The monitoring resources were optimized based on these indicators. Taking Guiyang City as an example，the optimization experiment of forest fire prevention monitoring location?was carried out within the scope of 1230 km2 in Guiyang City ,the result showed that the?monitoring area rose by 26% after optimization.

mountain forest fire ; monitoring network; optimization design

2016-09-18

周成林(1987～)，女，碩士，從事林業(yè)信息化工作。

貴州省林業(yè)廳科研課題項目《森林防火視頻監(jiān)控預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范》，項目編號：黔林科合[2013]13號。

S762.2

C

*通訊作者：顏偉(1970～)，男，高工，從事森林資源管理。