郭天峰，周宇飛，吳澤鵬，肖永平，鄧宇科，林運(yùn)通

（1.廣東省航空護(hù)林站 廣東省林火衛(wèi)星監(jiān)測(cè)中心，廣東 廣州 510520；2.廣東省森林培育與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520）

在航空護(hù)林巡護(hù)中，我國(guó)大部分航空標(biāo)繪系統(tǒng)都是直接使用基于地面的火場(chǎng)標(biāo)繪系統(tǒng)，兩者之間在應(yīng)用場(chǎng)景和功能上存在很大的差別，使得在航空標(biāo)繪時(shí)出現(xiàn)諸多不便。如航空標(biāo)繪人員在飛機(jī)上進(jìn)行拍照等數(shù)據(jù)采集工作，但是采集的照片數(shù)據(jù)大多都不能直接自動(dòng)生成拍照方向和位置信息，對(duì)火場(chǎng)實(shí)時(shí)的指揮和撲救工作帶來(lái)諸多不便。很多系統(tǒng)是基于PC端定制開發(fā)的，缺乏靈活性，定位也完全依賴于第三方的GPS定位設(shè)備。同時(shí)，系統(tǒng)操作復(fù)雜，不適合野外火場(chǎng)緊急指揮操作?，F(xiàn)有的航空標(biāo)繪系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源有限，航空標(biāo)繪人員很難實(shí)時(shí)全面地查詢火災(zāi)周邊的資源分布和地形地貌等數(shù)據(jù)。由于網(wǎng)絡(luò)的限制，航空標(biāo)繪人員難以把繪制的火場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖及時(shí)回傳給后方人員，無(wú)法在最佳撲救時(shí)間內(nèi)對(duì)撲火方案進(jìn)行溝通，標(biāo)繪成果實(shí)時(shí)共享性較差。這些問題在一定程度上制約了森林火災(zāi)撲救的正常開展和撲救決策的正確性及時(shí)性[1]。本文結(jié)合強(qiáng)大的地圖功能、GPS定位導(dǎo)航功能等開發(fā)了航空標(biāo)繪系統(tǒng)。該系統(tǒng)攜帶靈活，可實(shí)現(xiàn)航空護(hù)林標(biāo)繪功能，并能實(shí)現(xiàn)資源信息實(shí)時(shí)共享。

1 航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)研發(fā)背景及原理

航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)是一種使用平板電腦，將GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GIS地理信息系統(tǒng)結(jié)合而成的航空防護(hù)系統(tǒng)。一般選用具有較高配置和藍(lán)牙功能的平板筆記本電腦作為航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)的主要硬件設(shè)備[2]。該系統(tǒng)是集地理信息、森林資源信息和跟蹤、監(jiān)控、定位、調(diào)度指揮為一體的具有信息化，智能化的森林防火指揮系統(tǒng)[3]。它不但可以查詢森林資源相關(guān)信息，還能結(jié)合全球GPS技術(shù)實(shí)時(shí)接受撲火隊(duì)伍GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，監(jiān)視行進(jìn)路線或圈定火場(chǎng)范圍，跟蹤監(jiān)控?fù)浠痍?duì)伍的動(dòng)態(tài)。該系統(tǒng)可將撲火隊(duì)伍的動(dòng)態(tài)位置顯示在電子地圖上，實(shí)現(xiàn)“可視化”撲火指揮。目前包括南方航空護(hù)林總站、北方航空護(hù)林總站及所直屬的航空護(hù)林站和北方的一些林管局都在使用該系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)及設(shè)計(jì)

航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)的主要功能設(shè)計(jì)為地圖操作基礎(chǔ)功能、火場(chǎng)態(tài)勢(shì)標(biāo)繪、火場(chǎng)定位、火場(chǎng)視頻監(jiān)控查看、防火專題查詢、火場(chǎng)數(shù)據(jù)采集功能。為實(shí)現(xiàn)以上功能，系統(tǒng)硬件方面以空間數(shù)據(jù)服務(wù)器、視頻監(jiān)控服務(wù)器為支撐，軟件方面以統(tǒng)一指揮調(diào)度平臺(tái)及防火業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)服務(wù)為支撐，軟硬件支持共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)以ArcGIS Runtime為開發(fā)平臺(tái)，創(chuàng)建實(shí)時(shí)、精確和可視化的航空護(hù)林服務(wù)平臺(tái)。該平臺(tái)可通過對(duì)地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)[4]，結(jié)合GPS技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，組建新型的航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要開發(fā)語(yǔ)言為Objective-C，開發(fā)工具采用xcode+Interface Builder+instruments，數(shù)據(jù)庫(kù)選用了SQLite。

3 系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1 主界面及功能菜單

標(biāo)繪系統(tǒng)運(yùn)行主界面由工具欄、圖層設(shè)置區(qū)、定位和天氣菜單組成，主要建立在ArcGIS Runtime的二次開發(fā)基礎(chǔ)上。工具欄包括火場(chǎng)標(biāo)繪功能（點(diǎn)、線、面標(biāo)繪等）。圖層設(shè)置區(qū)實(shí)現(xiàn)矢量地圖、衛(wèi)星地圖、離線地圖的轉(zhuǎn)換，提供GIS通用功能（距離量算、面積量算等），系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入、輸出、保存等功能。定位菜單可進(jìn)行GPS定位和巡護(hù)軌跡上傳操作。天氣菜單能夠?qū)V東省天氣情況進(jìn)行查詢。系統(tǒng)主界面如圖2所示。

3.2 火場(chǎng)標(biāo)繪功能的算法及實(shí)現(xiàn)

繪制火場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖是航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)的核心功能。該系統(tǒng)提供符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的森林防火符號(hào)庫(kù)，以便航空標(biāo)繪人員使用符號(hào)進(jìn)行標(biāo)繪。通過使用系統(tǒng)提供的點(diǎn)、線、文字標(biāo)注撲火行軍箭頭等符號(hào)，在地圖上進(jìn)行繪制，生成火場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖。標(biāo)繪人員可將態(tài)勢(shì)圖保存到本地或上傳給后方人員，后方人員看到態(tài)勢(shì)圖可就火場(chǎng)周邊信息對(duì)態(tài)勢(shì)圖進(jìn)行修改并回傳給航空標(biāo)繪人員，方便前后方及時(shí)溝通，給出合理的飛行方案及林火撲救方案，降低林火造成的損失。

航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)中撲火行軍箭頭采用的算法是B-樣條曲線。B-樣條曲線是貝茲曲線的一種一般化，該算法相較于貝茲曲線的優(yōu)點(diǎn)是：用B-樣條基函數(shù)代替Bernstein基函數(shù)、逼近特征多邊形的精度更高、多邊形的邊數(shù)與基函數(shù)的次數(shù)無(wú)關(guān)且具有局部修改性。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行主界面

該系統(tǒng)生成箭頭的形狀主要受頭部高度、頭部寬度、頸部高度、頸部寬度以及尾部寬度五個(gè)因數(shù)的影響。由畫線所得的點(diǎn)集與五個(gè)因數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算可得出頭部形狀的箭頭點(diǎn)集、軀干點(diǎn)集、尾部點(diǎn)集。箭頭軀干點(diǎn)集分為左側(cè)右側(cè)點(diǎn)集是稀疏控制點(diǎn)集，通過分別計(jì)算B-樣條曲線（B曲線因子、Quadric B Spline因子、Binomial因子）得到兩側(cè)完善密集點(diǎn)集，使得曲線圓滑，計(jì)算完成后將所得點(diǎn)集按順序連接并繪制起來(lái)即是所畫箭頭。

火場(chǎng)標(biāo)繪的功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

圖3 火場(chǎng)標(biāo)繪的功能實(shí)現(xiàn)

3.3 火場(chǎng)定位及查詢功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)可利用平板電腦內(nèi)置定位設(shè)備，通過GPS、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站定位等手段，對(duì)設(shè)備進(jìn)行快速定位、軌跡上傳，并實(shí)時(shí)更新設(shè)備所在位置。系統(tǒng)具有查詢定位軌跡并進(jìn)行播放的功能，能自動(dòng)記錄GPS定位點(diǎn)，生成巡護(hù)軌跡。前指指揮人員可查詢自己的巡護(hù)軌跡，并進(jìn)行播放。此外系統(tǒng)還具有基于經(jīng)緯度查詢定位等功能，通過輸入經(jīng)緯度定位，可以在地圖上標(biāo)記出該經(jīng)緯度的位置，也可通過查詢地名獲取該地的經(jīng)緯度。系統(tǒng)在地圖上任意位置點(diǎn)擊，可以查看該點(diǎn)的經(jīng)緯度和地名等信息。

火場(chǎng)定位及查詢功能的實(shí)現(xiàn)主要是使用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)。在航空巡護(hù)的過程中，網(wǎng)絡(luò)不通暢的情況時(shí)有發(fā)生。為了保證在巡護(hù)過程中航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)能夠正常使用，該系統(tǒng)還可采用離線地圖數(shù)據(jù)。離線地圖數(shù)據(jù)包括.tpk格式的影像底圖數(shù)據(jù)和.Geodatabase格式的資源數(shù)據(jù)兩種。其中.tpk格式的影像底圖數(shù)據(jù)是由Arc-GIS10.1推出的一種數(shù)據(jù)文件類型，主要用于打包形成離線地圖包，可拷貝.tpk文件到內(nèi)存卡中，使用ArcGIS API for Android/IOS進(jìn)行離線地圖開發(fā)。Geodatabase格式的資源是由ArcGIS10.2推出的一種新的數(shù)據(jù)文件類型，是采用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)表現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包。這兩種數(shù)據(jù)都可以在ArcGIS Runtime或者ArcGIS for Android/IOS接口開發(fā)的系統(tǒng)中快速加載調(diào)用。

火場(chǎng)定位及查詢功能如圖4所示。

3.4 自動(dòng)獲取照片位置的實(shí)現(xiàn)

在使用相機(jī)拍照時(shí)，系統(tǒng)通過USB及RS232接口聯(lián)結(jié)磁阻傳感器和陀螺儀，可通過磁阻傳感器識(shí)別方位，指明東西南北，并使用陀螺儀進(jìn)行重力感應(yīng)識(shí)別，把拍照?qǐng)鼍暗姆轿挥?d羅盤的形式展現(xiàn)在相機(jī)界面上。出圖后，利用標(biāo)注相應(yīng)的方位和gps詳細(xì)位置信息，將照片標(biāo)示于系統(tǒng)的電子地圖上。

圖4 火場(chǎng)定位及查詢功能

4 討論和結(jié)論

航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)部署在平板電腦上，航空標(biāo)繪人員攜帶方便，可利用平板電腦內(nèi)置GPS，進(jìn)行火場(chǎng)定位，并將火場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器；系統(tǒng)還可通過空間數(shù)據(jù)服務(wù)器，準(zhǔn)確獲取全面的火場(chǎng)周邊的火場(chǎng)周邊地形、資源分布數(shù)據(jù)等地理信息數(shù)據(jù)，繪制各種火場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，上傳到后方指揮部，以便后方指揮部快速部署林火撲救工作，達(dá)到快速撲救森林火災(zāi)、減少損失的目的。

航空護(hù)林標(biāo)繪系統(tǒng)將火場(chǎng)前指人員、后方指揮人員、撲火部隊(duì)連接成一個(gè)有機(jī)的整體，有效地解決了航空標(biāo)繪人員在防火撲救特別是火情標(biāo)繪過程中系統(tǒng)使用不便、實(shí)時(shí)溝通困難等問題，在日常的火災(zāi)預(yù)防、監(jiān)測(cè)預(yù)警、撲救決策等方面發(fā)揮重要作用，提高了撲火決策的效率，相應(yīng)可以極大減少由森林火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)以及生態(tài)損失。