劉玉華

森林防火應(yīng)急GIS 系統(tǒng)設(shè)計從大局著眼，用系統(tǒng)工程的思想方法把握全局，遵循“平臺穩(wěn)定性，技術(shù)先進性，系統(tǒng)完整性，結(jié)構(gòu)開放性，網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性”的設(shè)計思想，系統(tǒng)設(shè)計以需求為導向，注重科學性、實用性、先進性、可擴展性和安全性，實現(xiàn)了事故前預(yù)案演練，事故中資源調(diào)配、實時救援，事故后災(zāi)害評估等，從而提高各部門的快速響應(yīng)能力和協(xié)同處理能力，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全，為全省森林火災(zāi)預(yù)防和火災(zāi)現(xiàn)場應(yīng)急指揮提供多維立體的災(zāi)害場景技術(shù)支撐，進一步提升了全省森林防滅火工作信息化水平。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

項目總體技術(shù)流程如圖1 所示，通過對測繪地理信息、應(yīng)急專題、林業(yè)專題等數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理、整合發(fā)布等程序，提供三維電子地圖服務(wù)、OGC（開放地理空間信息聯(lián)盟）地圖服務(wù)和屬性數(shù)據(jù)庫等成果，開發(fā)森林防火三維電子地圖程序。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維GIS 的數(shù)據(jù)管理技術(shù)

從二維GIS 轉(zhuǎn)換到成熟的三維GIS時，數(shù)據(jù)管理成為熱點問題之一。逼真的三維表示不僅具有多種細節(jié)層次的幾何表達，還提供具有相片質(zhì)感的表面描述，如逼真的材質(zhì)和紋理特征以及其他相關(guān)的屬性信息。因此有關(guān)紋理與材質(zhì)參數(shù)等也是數(shù)據(jù)庫的重要內(nèi)容。大量柵格數(shù)據(jù)與矢量數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用導致數(shù)據(jù)量急劇增加，“海量”一詞則是對此最形象的描述，這里的“海量”是指遠遠超出計算機核心內(nèi)存容量的數(shù)據(jù)量。針對三維可視化交互的實時性要求，對海量數(shù)據(jù)的有效管理與調(diào)度已經(jīng)成為三維GIS 的關(guān)鍵技術(shù)之一。與傳統(tǒng)的二維GIS 相比較，三維GIS 對數(shù)據(jù)組織與管理又提出了許多新的更高的要求，主要表現(xiàn)為不同類型數(shù)據(jù)的一體化管理、多尺度模型（LOD）的集成應(yīng)用、從數(shù)據(jù)庫到三維虛擬顯示的快速轉(zhuǎn)換，如必須只在當前的視線范圍內(nèi)選擇物體（金字塔或是圓錐內(nèi)）和動態(tài)裝載等，都要求新的數(shù)據(jù)模型和有效的空間索引機制。

傳統(tǒng)基于文件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫混合的GIS 數(shù)據(jù)庫管理方式由于在數(shù)據(jù)安全性、多用戶操作、網(wǎng)絡(luò)共享及數(shù)據(jù)動態(tài)更新等方面已不能滿足日益增長的需要?，F(xiàn)有的對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ORDBMS）雖然還不直接支持三維空間對象，但其在保留關(guān)系數(shù)據(jù)庫優(yōu)點的同時，也采納了面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫設(shè)計的某些原理，具有將結(jié)構(gòu)性的數(shù)據(jù)組織成某種特定數(shù)據(jù)類型的機制，這使得它不僅能夠處理3D 數(shù)據(jù)的復(fù)雜關(guān)系，也能將在邏輯上需要以整體對待的數(shù)據(jù)組織成一個對象，這為三維GIS 的海量數(shù)據(jù)管理提供了一條切實可行的途徑。要滿足三維GIS 在線的各種實時應(yīng)用（包括地理協(xié)同操作）需要，一方面要對多種類型多種尺度的三維數(shù)據(jù)進行精心的組織，以提供高效的數(shù)據(jù)檢索機制；同時，還需要優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)有的各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以提供快速的數(shù)據(jù)動態(tài)存取服務(wù)。

圖 1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

2.2 三維GIS 的數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

視覺是理解空間最有用的感覺，因此三維GIS 在很大程度上也依賴視覺表現(xiàn)提供更為豐富逼真（具有相片質(zhì)感）的信息，各種用戶結(jié)合自己相關(guān)的經(jīng)驗與理解就可以做出準確而快速的空間決策。特別的，三維可視化能使人們只有抽象概念而難以直接感知的空間現(xiàn)象現(xiàn)實化和直觀化，比如剖析地下結(jié)構(gòu)、反演不會重現(xiàn)的歷史過程、推演未來發(fā)展、仿真復(fù)雜的時空現(xiàn)象（臺風演進、洪水淹沒、大氣污染、核電站泄漏事故影響、噪聲傳播、溫度和風場變化）等，由此能獲得各種超越現(xiàn)實的空間感知經(jīng)驗。目前，大多數(shù)三維GIS 的三維能力甚至被認為主要體現(xiàn)在三維可視化功能上，并且是區(qū)別于二維GIS最重要的特征之一。三維可視化越來越多地成為GIS（不僅是三維GIS）的終端表現(xiàn)形式，并且被認為是不同背景的用戶進行空間信息交流和視覺分析與空間認知的有效媒介。三維GIS基于數(shù)據(jù)庫能提供多種形式的交互式三維動態(tài)可視化功能，比如，較宏觀的飛越漫游能迅速把握整個空間分布包括地形特征和地物布局，較微觀的穿行漫游則能準確分辨地形的微小變化和地物的明顯特征，而且在運動中能及時更新可見的內(nèi)容并根據(jù)距離遠近以不同的細節(jié)或尺度進行表現(xiàn)。

2.3 三維GIS 的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

隨著對地觀測和計算機技術(shù)的發(fā)展，空間信息及其處理能力已得到極大的豐富和加強，人們渴望利用這些空間信息來認識和把握地球和社會的空間運動規(guī)律，進行虛擬、科學預(yù)測和調(diào)控。根據(jù)空間分析所處理的對象進行劃分，空間分析方法主要有基于圖形的方法與基于數(shù)據(jù)的方法兩類。基于圖形的空間分析方法如常規(guī)的緩沖區(qū)分析、疊置分析、網(wǎng)絡(luò)分析、復(fù)合分析、鄰近分析與空間聯(lián)結(jié)等能直接從2D 擴展至2.5D乃至3D。由于三維數(shù)據(jù)本身可以降維到二維，因此三維GIS 自然能包容二維GIS 的空間分析功能。三維GIS 最有特色的也許是其基于三維數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析能力，如計算空間距離、表面積、體積、通視性與可視域等。結(jié)合物理化學模型提供一些更具增值價值的真三維空間分析功能，如水文分析、可視性分析、日照分析與視覺景觀分析等已成為三維GIS 分析研究的重要內(nèi)容之一，并正積極朝結(jié)合屬性數(shù)據(jù)和其他專題數(shù)據(jù)開發(fā)知識發(fā)現(xiàn)的新方法、“面向解決與空間有關(guān)的問題”提供定量與定性結(jié)合的空間決策支持方向發(fā)展。

表1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行環(huán)境

圖2 0.2 米影像數(shù)據(jù)

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行環(huán)境

項目建設(shè)充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和軟硬件支撐體系，系統(tǒng)運行于政務(wù)外網(wǎng)行政服務(wù)域。和其他傳統(tǒng)的GIS 系統(tǒng)比，森林防火GIS 所采集的信息是按森林空間分布特征來反映實體結(jié)構(gòu)及其動態(tài)變化規(guī)律的。本系統(tǒng)可對各地區(qū)各時段森林進行疑似燃火指標分類匯總，在地圖上進行“地點”、“狀況”的位置標定，動態(tài)發(fā)布各地區(qū)防火、滅火信息，供有關(guān)部門查詢分析，制定相應(yīng)的滅火方案。同時系統(tǒng)對運行環(huán)境要求不高，便于安裝使用和系統(tǒng)維護。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運行環(huán)境如表1。

4 數(shù)據(jù)工程與成果

4.1 數(shù)據(jù)庫標準

數(shù)據(jù)庫采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)格式：

（1）數(shù)學基礎(chǔ)

坐標系：統(tǒng)一采用國家2000 大地坐標系；高程采用1985 國家高程基準。

投影：采用地理坐標，單位為度。

（2）數(shù)據(jù)格式要求

空間數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一為ArcGIS shape文件，導入到ArcSDE 中進行存儲管理。

屬性數(shù)據(jù)經(jīng)過整理后導入到Oracle數(shù)據(jù)庫中進行存儲管理。

4.2 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容

4.2.1 測繪地理信息數(shù)據(jù)庫

測繪地理信息數(shù)據(jù)庫是森林防火三維電子地圖的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)類型主要包括高分辨率影像、數(shù)字高程模型、傾斜攝影數(shù)據(jù)庫，行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、水庫數(shù)據(jù)、醫(yī)院等專題數(shù)據(jù)庫。

（1）高分辨率影像數(shù)據(jù)庫

項目影像數(shù)據(jù)包括0.5 米分辨率航攝影像數(shù)據(jù)，現(xiàn)勢性為2020 年，覆蓋全省范圍，其中，重點山區(qū)使用0.2 米航攝影像數(shù)據(jù)。采用瓦片地圖服務(wù)的方式進行管理，如圖2 所示。

（2）數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)庫

數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model)，簡稱DEM，是通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬（即地形表面形態(tài)的數(shù)字化表達），它是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型。全省采用高分辨率的2 米格網(wǎng)DEM 數(shù)據(jù)，更加精確地模擬了山區(qū)地形起伏狀況。

（3）傾斜攝影數(shù)據(jù)庫

傾斜攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界。

（4）基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫

圖 3 系統(tǒng)功能模塊圖

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包括行政區(qū)劃、自然地名、興趣點、政府機關(guān)、學校、高速、國道、鐵路、省道、縣鄉(xiāng)道、小路等數(shù)據(jù)，現(xiàn)勢性為2020 年，覆蓋全省范圍。

4.2.2 專題數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫

專題數(shù)據(jù)主要應(yīng)急救援資源、森林防火基礎(chǔ)設(shè)施、林業(yè)變更調(diào)查數(shù)據(jù)等。

（1）應(yīng)急救援資源包括區(qū)域應(yīng)急救援中心、防汛抗旱應(yīng)急搶險救援專業(yè)隊伍、安全生產(chǎn)應(yīng)急救援中心、應(yīng)急救援隊伍、應(yīng)急物資儲備庫、避難場所等。

（2）森林防火基礎(chǔ)設(shè)施包括專業(yè)隊伍駐地、水源地、物資儲備庫、生態(tài)公益林、視頻監(jiān)控點、進山卡口、防火點、防火通道、護林房、瞭望臺、指揮中心、直升機起降點位置等。

4.3 成果

依托測繪基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和森林防火專題數(shù)據(jù)，按照森林防火工作需求，進行數(shù)據(jù)整理、空間化、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)鑲嵌、地圖配圖等操作加工為數(shù)據(jù)成果。

研發(fā)森林防火三維電子地圖，提供數(shù)據(jù)瀏覽、圖層管理、專題查詢、森林防火、空間測量和空間分析等功能，服務(wù)于各級森林防火主管部門。該系統(tǒng)實現(xiàn)了事故前預(yù)案演練、事故中資源調(diào)配和實時救援、事故后災(zāi)害評估等，從而提高了各部門的快速響應(yīng)能力和協(xié)同處理能力，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。

森林防火三維電子地圖，主要分為地名查詢、路徑導航、專題管理、專題查詢、空間量算、空間分析、導航模擬、標繪和收藏等模塊，如圖3 所示。

4.3.1 查詢功能

查詢功能主要包括根據(jù)地名查詢及根據(jù)專題數(shù)據(jù)查詢，該功能為森林防火演練以及應(yīng)急指揮提供精準定位。

4.3.2 路徑導航和導航模擬功能

該功能主要是通過設(shè)置起點、終點和途經(jīng)點，自動分析最快路線、最短路線和不走高速路線，而且系統(tǒng)提供了模擬車輛、飛機和人的飛行狀態(tài)，可以查看沿該路線及所選視角的導航模擬動畫，如圖4 所示。該功能為森林火災(zāi)預(yù)防以及火災(zāi)現(xiàn)場指揮提供了最精確的導航服務(wù)，為應(yīng)急搶險節(jié)約了時間。

4.3.3 專題管理功能

該功能主要是對森林防火基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)和森林防火設(shè)施數(shù)據(jù)等專題數(shù)據(jù)進行管理?？梢苑浅Ｖ庇^的查看各類專題數(shù)據(jù)的分布情況。

4.3.4 森林防火

森林防火功能模塊是系統(tǒng)的核心模塊。該功能會根據(jù)某個位置附近一定距離統(tǒng)計各類專題設(shè)施數(shù)量，并對專題設(shè)施數(shù)據(jù)點進行查詢，顯示詳細屬性信息，然后可以縮放到該設(shè)施位置，還可以規(guī)劃路線至該設(shè)施點。

圖4 路徑導航功能

5 結(jié)論

（1）通過系統(tǒng)開發(fā)，完成了三維電子地圖制作，使用2020 年度優(yōu)于0.5米航攝影像和數(shù)字高程數(shù)據(jù)制作全省森林防火三維電子地圖，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可視化良好。

（2）實現(xiàn)了專題數(shù)據(jù)整合處理，完成應(yīng)急救援資源普查數(shù)據(jù)、森林防火專題數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和林業(yè)專題等數(shù)據(jù)整合處理工作。滿足數(shù)據(jù)訪問、成果展示、防火要求、救援服務(wù)。

（3）滿足數(shù)據(jù)部署服務(wù)，調(diào)試部署全省森林防火三維電子地圖，根據(jù)需要制作重點地區(qū)紙質(zhì)地圖。

（4）隨著大數(shù)據(jù)越來越深入人民生活，未來基于大數(shù)據(jù)下森林防火地理信息獲取方式更加多元,獲取的速度更加快捷,同時森林防火地理信息的應(yīng)用效率也是更加的多元化。

（5）基于云平臺的森林滅火應(yīng)急快速評估與輔助決策系統(tǒng)，未來可通過高性能GIS 并行計算框架進行技術(shù)升級，實現(xiàn)快速評估和輔助決策，同時可實現(xiàn)產(chǎn)出報告和圖件的自由定制。