森林防火应急GIS 系统设计与实现

刘玉华

森林防火应急GIS 系统设计从大局着眼，用系统工程的思想方法把握全局，遵循“平台稳定性，技术先进性，系统完整性，结构开放性，网络适应性”的设计思想，系统设计以需求为导向，注重科学性、实用性、先进性、可扩展性和安全性，实现了事故前预案演练，事故中资源调配、实时救援，事故后灾害评估等，从而提高各部门的快速响应能力和协同处理能力，保障人民群众生命财产安全，为全省森林火灾预防和火灾现场应急指挥提供多维立体的灾害场景技术支撑，进一步提升了全省森林防灭火工作信息化水平。

1 系统总体架构

项目总体技术流程如图1 所示，通过对测绘地理信息、应急专题、林业专题等数据进行数据处理、整合发布等程序，提供三维电子地图服务、OGC（开放地理空间信息联盟）地图服务和属性数据库等成果，开发森林防火三维电子地图程序。

2 关键技术

2.1 三维GIS 的数据管理技术

从二维GIS 转换到成熟的三维GIS时，数据管理成为热点问题之一。逼真的三维表示不仅具有多种细节层次的几何表达，还提供具有相片质感的表面描述，如逼真的材质和纹理特征以及其他相关的属性信息。因此有关纹理与材质参数等也是数据库的重要内容。大量栅格数据与矢量数据的集成应用导致数据量急剧增加，“海量”一词则是对此最形象的描述，这里的“海量”是指远远超出计算机核心内存容量的数据量。针对三维可视化交互的实时性要求，对海量数据的有效管理与调度已经成为三维GIS 的关键技术之一。与传统的二维GIS 相比较，三维GIS 对数据组织与管理又提出了许多新的更高的要求，主要表现为不同类型数据的一体化管理、多尺度模型（LOD）的集成应用、从数据库到三维虚拟显示的快速转换，如必须只在当前的视线范围内选择物体（金字塔或是圆锥内）和动态装载等，都要求新的数据模型和有效的空间索引机制。

传统基于文件与关系数据库混合的GIS 数据库管理方式由于在数据安全性、多用户操作、网络共享及数据动态更新等方面已不能满足日益增长的需要。现有的对象关系型数据库管理系统（ORDBMS）虽然还不直接支持三维空间对象，但其在保留关系数据库优点的同时，也采纳了面向对象数据库设计的某些原理，具有将结构性的数据组织成某种特定数据类型的机制，这使得它不仅能够处理3D 数据的复杂关系，也能将在逻辑上需要以整体对待的数据组织成一个对象，这为三维GIS 的海量数据管理提供了一条切实可行的途径。要满足三维GIS 在线的各种实时应用（包括地理协同操作）需要，一方面要对多种类型多种尺度的三维数据进行精心的组织，以提供高效的数据检索机制；同时，还需要优化设计现有的各种数据库管理系统，以提供快速的数据动态存取服务。

图 1 系统技术架构图

2.2 三维GIS 的数据可视化技术

视觉是理解空间最有用的感觉，因此三维GIS 在很大程度上也依赖视觉表现提供更为丰富逼真（具有相片质感）的信息，各种用户结合自己相关的经验与理解就可以做出准确而快速的空间决策。特别的，三维可视化能使人们只有抽象概念而难以直接感知的空间现象现实化和直观化，比如剖析地下结构、反演不会重现的历史过程、推演未来发展、仿真复杂的时空现象（台风演进、洪水淹没、大气污染、核电站泄漏事故影响、噪声传播、温度和风场变化）等，由此能获得各种超越现实的空间感知经验。目前，大多数三维GIS 的三维能力甚至被认为主要体现在三维可视化功能上，并且是区别于二维GIS最重要的特征之一。三维可视化越来越多地成为GIS（不仅是三维GIS）的终端表现形式，并且被认为是不同背景的用户进行空间信息交流和视觉分析与空间认知的有效媒介。三维GIS基于数据库能提供多种形式的交互式三维动态可视化功能，比如，较宏观的飞越漫游能迅速把握整个空间分布包括地形特征和地物布局，较微观的穿行漫游则能准确分辨地形的微小变化和地物的明显特征，而且在运动中能及时更新可见的内容并根据距离远近以不同的细节或尺度进行表现。

2.3 三维GIS 的数据分析技术

随着对地观测和计算机技术的发展，空间信息及其处理能力已得到极大的丰富和加强，人们渴望利用这些空间信息来认识和把握地球和社会的空间运动规律，进行虚拟、科学预测和调控。根据空间分析所处理的对象进行划分，空间分析方法主要有基于图形的方法与基于数据的方法两类。基于图形的空间分析方法如常规的缓冲区分析、叠置分析、网络分析、复合分析、邻近分析与空间联结等能直接从2D 扩展至2.5D乃至3D。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS 自然能包容二维GIS 的空间分析功能。三维GIS 最有特色的也许是其基于三维数据的复杂分析能力，如计算空间距离、表面积、体积、通视性与可视域等。结合物理化学模型提供一些更具增值价值的真三维空间分析功能，如水文分析、可视性分析、日照分析与视觉景观分析等已成为三维GIS 分析研究的重要内容之一，并正积极朝结合属性数据和其他专题数据开发知识发现的新方法、“面向解决与空间有关的问题”提供定量与定性结合的空间决策支持方向发展。

表1 系统结构与运行环境

图2 0.2 米影像数据

3 系统结构与运行环境

项目建设充分利用现有网络和软硬件支撑体系，系统运行于政务外网行政服务域。和其他传统的GIS 系统比，森林防火GIS 所采集的信息是按森林空间分布特征来反映实体结构及其动态变化规律的。本系统可对各地区各时段森林进行疑似燃火指标分类汇总，在地图上进行“地点”、“状况”的位置标定，动态发布各地区防火、灭火信息，供有关部门查询分析，制定相应的灭火方案。同时系统对运行环境要求不高，便于安装使用和系统维护。系统结构与运行环境如表1。

4 数据工程与成果

4.1 数据库标准

数据库采用统一数据基础和数据格式：

（1）数学基础

坐标系：统一采用国家2000 大地坐标系；高程采用1985 国家高程基准。

投影：采用地理坐标，单位为度。

（2）数据格式要求

空间数据格式统一为ArcGIS shape文件，导入到ArcSDE 中进行存储管理。

属性数据经过整理后导入到Oracle数据库中进行存储管理。

4.2 数据库内容

4.2.1 测绘地理信息数据库

测绘地理信息数据库是森林防火三维电子地图的基础，数据类型主要包括高分辨率影像、数字高程模型、倾斜摄影数据库，行政区划数据、道路数据、水库数据、医院等专题数据库。

（1）高分辨率影像数据库

项目影像数据包括0.5 米分辨率航摄影像数据，现势性为2020 年，覆盖全省范围，其中，重点山区使用0.2 米航摄影像数据。采用瓦片地图服务的方式进行管理，如图2 所示。

（2）数字高程模型数据库

数字高程模型（Digital Elevation Model)，简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟（即地形表面形态的数字化表达），它是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型。全省采用高分辨率的2 米格网DEM 数据，更加精确地模拟了山区地形起伏状况。

（3）倾斜摄影数据库

倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术，它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从一个垂直、四个倾斜等五个不同的角度采集影像，将用户引入了符合人眼视觉的真实直观世界。

（4）基础地理信息数据库

图 3 系统功能模块图

基础地理信息数据主要包括行政区划、自然地名、兴趣点、政府机关、学校、高速、国道、铁路、省道、县乡道、小路等数据，现势性为2020 年，覆盖全省范围。

4.2.2 专题数据数据库

专题数据主要应急救援资源、森林防火基础设施、林业变更调查数据等。

（1）应急救援资源包括区域应急救援中心、防汛抗旱应急抢险救援专业队伍、安全生产应急救援中心、应急救援队伍、应急物资储备库、避难场所等。

（2）森林防火基础设施包括专业队伍驻地、水源地、物资储备库、生态公益林、视频监控点、进山卡口、防火点、防火通道、护林房、瞭望台、指挥中心、直升机起降点位置等。

4.3 成果

依托测绘基础地理信息数据和森林防火专题数据，按照森林防火工作需求，进行数据整理、空间化、数据检查、数据镶嵌、地图配图等操作加工为数据成果。

研发森林防火三维电子地图，提供数据浏览、图层管理、专题查询、森林防火、空间测量和空间分析等功能，服务于各级森林防火主管部门。该系统实现了事故前预案演练、事故中资源调配和实时救援、事故后灾害评估等，从而提高了各部门的快速响应能力和协同处理能力，保障人民群众生命财产安全。

森林防火三维电子地图，主要分为地名查询、路径导航、专题管理、专题查询、空间量算、空间分析、导航模拟、标绘和收藏等模块，如图3 所示。

4.3.1 查询功能

查询功能主要包括根据地名查询及根据专题数据查询，该功能为森林防火演练以及应急指挥提供精准定位。

4.3.2 路径导航和导航模拟功能

该功能主要是通过设置起点、终点和途经点，自动分析最快路线、最短路线和不走高速路线，而且系统提供了模拟车辆、飞机和人的飞行状态，可以查看沿该路线及所选视角的导航模拟动画，如图4 所示。该功能为森林火灾预防以及火灾现场指挥提供了最精确的导航服务，为应急抢险节约了时间。

4.3.3 专题管理功能

该功能主要是对森林防火基础设施数据和森林防火设施数据等专题数据进行管理。可以非常直观的查看各类专题数据的分布情况。

4.3.4 森林防火

森林防火功能模块是系统的核心模块。该功能会根据某个位置附近一定距离统计各类专题设施数量，并对专题设施数据点进行查询，显示详细属性信息，然后可以缩放到该设施位置，还可以规划路线至该设施点。

图4 路径导航功能

5 结论

（1）通过系统开发，完成了三维电子地图制作，使用2020 年度优于0.5米航摄影像和数字高程数据制作全省森林防火三维电子地图，系统运行稳定，可视化良好。

（2）实现了专题数据整合处理，完成应急救援资源普查数据、森林防火专题数据、基础地理信息数据和林业专题等数据整合处理工作。满足数据访问、成果展示、防火要求、救援服务。

（3）满足数据部署服务，调试部署全省森林防火三维电子地图，根据需要制作重点地区纸质地图。

（4）随着大数据越来越深入人民生活，未来基于大数据下森林防火地理信息获取方式更加多元,获取的速度更加快捷,同时森林防火地理信息的应用效率也是更加的多元化。

（5）基于云平台的森林灭火应急快速评估与辅助决策系统，未来可通过高性能GIS 并行计算框架进行技术升级，实现快速评估和辅助决策，同时可实现产出报告和图件的自由定制。