基于DEM的永平县森林防火瞭望台可见性分析

阳 昭

(永平县林业和草原局，云南 永平 672600)

森林火灾突发性强、破坏性大，危险难扑救，在扑救中时有人员伤亡，预防和监测十分重要。瞭望台是森林火灾监测体系中不可缺少的重要部分，其与地面巡护、卫星监测、航空护林飞机不定期巡航监测共同组成永平县森林防火立体监测网络。永平县自1991—2017年已建成使用4个森林防火瞭望台，2017年在一个瞭望台上安装了一套可视和远红外摄像视频监控设备。可见区域面积是防火瞭望台观测能力的重要指标，由于技术条件限制，选址时可见区域面积、可视距离等数据以目测估计的方法得出，数据不准确并长期得不到修正。“3S”(RS、GIS、GPS)和DEM(数字高程模型)数字地形分析理论技术已在科学研究、军事、通讯等领域得到广泛应用，其中在林业领域中的应用改变了以往的林业调查规划作业方式。在森林防火工作中，吴斌阐述了以计算机和“3S”技术构建森林防火地理系统[1]，毛丽君基于“3S”技术制作森林防火规划图[2]，吴小群等以GIS进行森林防火瞭望塔的通视性分析[3]。本文基于DEM在ArcGIS10.2软件平台下以ArcMap10.2进行永平县4个森林防火瞭望台瞭望观测的可见性分析，以修正弥补选址时可见区域面积等数据不准确的问题，同时对永平县森林防火瞭望台建设、森林火情瞭望观测等进行讨论并提出建议。

1 研究区范围概况

研究区范围为永平县全境。永平县位于云南省大理州西部，辖7个乡镇75个村民委员会(社区)。地理坐标为99°17′～99°56′E，25°03′～25°45′N。全县土地总面积 279 024 hm2，林地面积 242 967.1 hm2，其中有林地面积 202 003.2 hm2，易燃的云南松、华山松等针叶林面积 101 789 hm2，森林覆盖率72.88%，林木绿化率76.38%，属云南省重点林区县。地势西北高、东南低，顺濞河之西、银江河之东是云台山，银江河之西、澜沧江之东是博南山。形成三河夹两山，高山、河谷、坝子纵横交错的独特地形。境内最高海拔 2 933 m，最低海拔 1 240 m，相对高差 1 693 m。山区林地、农地、居民点交错，坡度≥25°的面积有 143 410 hm2，占全县土地总面积的51.4%。属北亚热带季风气候区，冬春干旱少雨，森林防火形势严峻，森林防火是全县林业工作的重中之重。

2 研究方法

可见性是指从一个或多个位置所能看到的地表区域面积。在ArcGIS下以构建TIN法将永平县等高线插值生成DEM，基于DEM用3D Analyst工具的“可见性”工具对得到可见栅格表面数据进行分析。可见性分析只获得地表可见区域，林火的特殊性是燃烧烟气上升，在瞭望观测视线覆盖下的范围内有燃烧的情况下，从燃烧烟气能间接地判断出不可见区域是否有林火，因此，瞭望观测视线覆盖下的范围也是客观评价瞭望台观测能力的一个指标。“天际线”工具生成3D折线，其上各折点均为沿各条观测采样视线分布的最远可见点。采用永平县及周边的ASTER GDEM V2版DEM数据进行天际线分析，获得瞭望台瞭望观测视线下的覆盖范围。为便于读者操作验证，文中列出了所使用工具在ArcGIS10.2地理处理工具箱(ArcToolbox)内的路径位置。

2.1 数据收集

从永平县自然资源局、县林业和草原局收集到永平县等高线(比例尺1：50000)，永平县、乡镇范围面，4个瞭望台位置坐标点矢量数据。数据投影坐标系为Xian_1980_GK_CM_99E，1985国家高程基准。从中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)下载到永平县及周边ASTER GDEM V2版的DEM数据。ASTER GDEM V2版DEM数据由日本METI和美国NASA联合研制，数据时期为2009年，坐标系WGS_1984，空间分辨率为30 m，格式为TIFF。其空间分辨率精度和高程精度比ASTER GDEM V1版高，并对V1版存在的错误做了很好的矫正。ASTER GDEM V2版于2015年1月6日正式发布，用户可免费下载使用。

2.2 可见性分析

2.2.1构建TIN

生成DEM要通过对离散点数据进行插值，插值方法有反距离权重法(IDW)、样条函数法(Spline)、克里金法(Kriging)、自然邻域法(Natural Neighborhood)等。插值方法对建模精度影响大，要根据离散点数据特征选择合适的方法。用等高线数据生成DEM先创建TIN(不规则三角网)无论在效率还是内插精度上都是最优的[4]。等高线数据生成TIN的插值法是自然邻域法，采用“创建TIN”工具完成(3D Analyst工具→数据管理→TIN→创建TIN)，参与创建TIN的矢量数据为“永平县等高线”和“永平县范围面”。等高线数据提供等高线上的折点为采样点并作为结点进行三角化，参数中高程字段为记录高程值的“BSGC”字段，“SF Type”(表面要素类型)为“Mass Points”(离散多点)，“Tag Field”(标签字段)为“None”。裁剪TIN边界的矢量数据“永平县范围面”高程字段为“None”，“SF Type”为“Hard Clip”(硬裁剪)，“Tag Field”为“None”。为了使TIN三角网的三角形不出现穿越等高线和3个顶点均在同一条等高线上(即“平坦三角形”)，降低三角网与地表逼近程度，降低建模精度情况，再将“永平县等高线”作为约束条件的隔断线限制插值范围参与三角网的生成。参数中高程字段为记录高程值的“BSGC”字段，“SF Type”为“Hard Line”(硬断线)，“Tag Field”为“None”。

2.2.2TIN转换成规则格网DEM

由TIN向格网(Grid)的转换，实际上是基于TIN的内插计算。由于自然邻域插值法比线性插值法结果更平滑，选择用自然邻域插值法(NATURAL_NEIGHBORS)，用“TIN转栅格”工具完成TIN向DEM的转换(3D Analyst工具→转换→由TIN转出→TIN转栅格)。根据何政伟等[5](2010)的研究成果，输出栅格像元大小确定为10 m，即采样距离为“CELISIZE 10”。输出数据类型为“INT”(整型)。采样距离也就是数据空间分辨率，生成的10m×10m(100m2)的栅格单元是分析评价的最小单位。

2.2.3获取瞭望台位置点高程值数据

瞭望台位置点高程值是地面高程值加上瞭望台建筑物高度15 m，地面高程值用“值提取至点”工具从DEM获取(Spatial Analyst→提取分析→值提取至点)。输入点为4个瞭望台位置点数据和DEM，输出点要素自动添加了一个名为“RASTERVALU”的字段存储地面高程值，在编辑会话状态下加上建筑物高度得到瞭望台高程值。瞭望台位置坐标、高程值数据见表1。

表1 瞭望台位置坐标、高程值数据

2.2.4瞭望台位置点数据转3D

数据转3D后可使用3D Analyst工具，用“依据属性实现要素转3D”工具实现(3D Analyst工具→3D要素→依据属性实现要素转3D)。工具参数中“高度字段”是存储瞭望台高程值的“RASTERVALU”字段。

2.2.5可见性分析

以DEM和瞭望台3D点数据进行可见性分析，得到4个瞭望台在全县范围内的可见区域面积，采用“可见性”工具完成(3D Analyst工具→可见性分析)。工具对话框内要选择“RASTERVALU”为观察点高程字段，勾选“使用地球曲率校正”。为便于统计和进一步分析，从可见性分析结果中提取出可见区域数据并转换成面要素与乡镇范围面进行叠加分析以获得乡镇名称属性。“可见性”工具分析结果在有多个观测点时像元值用于指示从像元位置可看到多少个观测点，像元值为0表示不可见。用“按属性提取”工具完成可见区域像元提取(Spatial Analyst→提取分析→按属性提取)，SQL查询表达式中Where子句中输入查询条件Value>=1。用“栅格转面”工具实现可见区域像元转面(转换工具→由栅格转出→栅格转面)。用“标识”工具进行叠加分析(分析工具→叠加分析→标识)，标识要素为“乡镇范围面”。由于叠加分析会产生狭长细碎面，用“消除”工具合并狭长细碎面到相邻面(数据管理工具→制图综合→消除)。“输入图层”中要先选中需要合并的狭长细碎面要素，“消除”工具才能执行。将处理完成数据的属性表转换为Excel格式(.xls)，在Excel2010下进行统计分析。用“表转Excel”工具完成转换(转换工具→Excel→表转Excel)。

2.3 天际线分析

2.3.1合并下载的分幅DEM数据

将分幅下载的永平县及周边ASTER GDEM V2版DEM数据合并，用“镶嵌”工具完成(数据管理工具→栅格→栅格数据集→镶嵌)。

2.3.2提取分析范围数据

从已合并的DEM数据中提取出用于分析的数据范围，用“裁剪”工具和提取分析的工具均可实现。提取分析工具是按多边形、圆形、矩形、掩膜提取的一组工具。本研究用“按掩膜提取”工具完成(Spatial Analyst→提取分析→按掩膜提取)，提取掩膜面范围要远大于永平县范围才能满足天际线分析的需要。本研究提取范围为永平县范围向外扩大100 km。

2.3.3数据投影变换

将坐标系为WGS_1984的ASTER GDEM V2版DEM数据变换到Xian_1980、GaussKruger投影(高斯—克鲁格投影)，采用“投影栅格”工具完成(数据管理工具→投影和变换→栅格→投影栅格)。由于输入、输出坐标系的基准面不同，要指定地理(坐标)变换方法，本研究使用自定义的地理(坐标)变换方法进行。DEM数据是表面连续数据，重采样技术不宜选择NEAREST(最邻近分配法)和MAJORITY(众数重采样法)，因以上方法不会更改栅格单元值。本研究采用BILINEAR(双线性插值法)。

2.3.4天际线分析

天际线分析可获得瞭望台瞭望观测视线下的覆盖范围，用“天际线”工具实现(3D Analyst工具→可见性→天际线)。工具参数中“输入观察点要素”是瞭望台3D数据，“输入表面”是提取出并经过投影变换的分析范围DEM数据，其他参数为默认值。天际线工具对每个观测点均单独执行分析并生成各自的3D封闭折线，将分析结果得到的线要素转换成面要素后合并即可得到参与分析的所有瞭望台瞭望观测视线覆盖下的范围面。采用“要素转面”工具实现线转面(数据管理工具→要素→要素转面)，在编辑会话状态下采用编辑器的“合并”命令即可获得合并面。

3 结果分析

4个森林防火瞭望台的瞭望观测视线已覆盖到周边县市，永平县域面积均在其瞭望观测视线下的覆盖范围内，其中县域内可见区域面积为 55 085 hm2，占县域面积的19.7%。分乡镇情况见表2。

表2 瞭望台永平县内可见区域面积

分析结果表明，4个森林防火瞭望台瞭望观测县内可见面积占比低，观测盲区大，县内近80%的区域不可见。但不可见区域范围均在其瞭望观测视线覆盖范围内，发生林火时可通过燃烧时上升的烟气间接判断监测。总之，通过瞭望台可直接瞭望观测或间接监测到全县林火情况。瞭望观测视线覆盖面积范围及全县可见区域面积范围见图1。

图1 瞭望台瞭望观测视线下覆盖范围及全县可见区域面积范围

从图1可以看出，可见区域面积仅占19.7%似乎不正确，这是图纸缩小后形成的错觉。

4 讨论与建议

可见性分析除普遍用于哨所、瞭望台、广播通讯无线发射塔等选址评估外，还可用于城市环境辅助设计规划、景观分析，航空飞行路径受到高射炮等威胁的风险评估等，应用范围广泛。苏州中科图新公司的LSV软件(LocaSpaceViewer)的可视域分析工具能基于一个观察点在选定的观察半径内生成可见区域和不可见区域，操作便利快速，不足的是结果只能浏览，不能获取结果数据，其分析质量和数据的可移植性、可挖掘性与ArcGIS是不能相比的。单独从能瞭望观测到的区域范围、距离来说，4个瞭望台的位置不是最好的，因为选址时需综合考虑可见区域范围、距离，自然环境，社会经济，交通通讯等因素。

研究中由于无永平县周边地区等高线数据，永平县范围以1∶50 000 比例尺等高线生成的数据用于可见性分析、分辨率为10m的DEM精度比下载的数据用于天际线分析、分辨率为30 m的ASTER GDEM V2版DEM数据高。分析结果受DEM数据质量、精度、分辨率的影响，可见性分析结果比天际线分析结果更精确。

永平县山高谷深、山梁沟箐纵横交错，瞭望观测视线易受到阻隔，可见区域远远没有平原地区大，瞭望观测效果即使在通视的情况下还受到距离、能见度、望远镜倍数等的制约影响，但瞭望台在森林防火体系中基础性的功能和作用不容置疑，其不仅具有发现监测林火、火场定位、无线电通讯及中继等功能作用，还具宣传警示、震摄等政治、社会功能。

由于永平县地形独特，增加防火瞭望台数量后相应的可见面积增加不大，建设运行成本投入与效果不匹配对应、不经济，故不宜再增加瞭望台数量。只有以瞭望台瞭望观测为基础，依靠全县598位巡山护林员和广大干部群众的积极支持配合，才能实现县域内林火监测无盲区全覆盖。要把防火瞭望台信息化建设作为重点，使瞭望台发挥更大作用。