姚芃甫, 金 日

(延邊大學(xué), 吉林 延邊 133002)

森林火災(zāi)是一種突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、處理困難的自然災(zāi)害。森林火災(zāi)的常見原因有閃電、人為疏忽或故意縱火、火山爆發(fā)等。張曉等通過對(duì)2012—2020年安徽省森林火災(zāi)發(fā)生規(guī)律進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素控制,植被、氣候等地理因素的影響相對(duì)有限[1]。近年來大規(guī)模的森林火災(zāi)頻發(fā),并嚴(yán)重影響著生態(tài)環(huán)境和人類社會(huì)的穩(wěn)定。我國“十四五”規(guī)劃中明確提出將推進(jìn)森林草原火災(zāi)消防科技創(chuàng)新作為重點(diǎn)任務(wù)。GIS作為一種用于輸入、存儲(chǔ)、查詢、分析和顯示地理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),能夠?qū)ι趾椭車h(huán)境進(jìn)行精確的空間分析和地圖制作,從而幫助森林管理人員更好地了解和掌握森林的地理信息,預(yù)測(cè)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和燃燒概率,提前采取預(yù)防和響應(yīng)措施,及時(shí)防止森林火災(zāi)的發(fā)生。因此,GIS在森林防火中具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

1 GIS在森林防火中的應(yīng)用

1.1 火災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)

受限于復(fù)雜的地形與起火點(diǎn)的突發(fā)性,森林火災(zāi)通常難以被及時(shí)監(jiān)測(cè),一旦發(fā)生火災(zāi),火勢(shì)極易迅速蔓延。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,全球每年平均發(fā)生火災(zāi)22萬起,造成至少600萬hm2森林被燒毀[2]。目前我國森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)有多種方式,如衛(wèi)星、航空(包括固定翼、無人機(jī)等)、瞭望塔(包括人工瞭望、視頻監(jiān)控)、地面巡護(hù)(護(hù)林員巡護(hù)、巡護(hù)員巡護(hù)),天地空一體化已初步形成,但由于技術(shù)有限,往往難以準(zhǔn)確了解火災(zāi)信息。GIS在森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)中可以與上述多種監(jiān)測(cè)方式互相結(jié)合應(yīng)用,提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和綜合分析能力。例如,在衛(wèi)星監(jiān)測(cè)過程中,GIS可以結(jié)合衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù),通過對(duì)衛(wèi)星圖像進(jìn)行分析處理,快速發(fā)現(xiàn)火災(zāi)跡象,并進(jìn)行火災(zāi)范圍的測(cè)算和熱點(diǎn)監(jiān)測(cè);在航空監(jiān)測(cè)過程中,GIS可以利用航拍無人機(jī)、固定翼等航空設(shè)備獲取的高精度數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,實(shí)現(xiàn)三維可視化、熱點(diǎn)分析和模擬演練等功能;在瞭望塔監(jiān)測(cè)過程中,可以結(jié)合瞭望塔監(jiān)測(cè)技術(shù),將采集的數(shù)據(jù)信息與GIS中的地圖、路網(wǎng)等相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)位置、火災(zāi)范圍、火災(zāi)遷移等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析;在地面巡護(hù)過程中,地面巡護(hù)人員可以通過GIS對(duì)采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)森林環(huán)境和火險(xiǎn)情況的監(jiān)測(cè)和評(píng)估,指導(dǎo)防火決策和資源調(diào)配。

1.2 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

森林火災(zāi)的發(fā)生與許多因素有關(guān),如氣候、季節(jié)、植被類型、人類活動(dòng)等,是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)科學(xué)問題。在特定區(qū)域中,森林火災(zāi)的發(fā)生通常是多種影響因素共同作用的結(jié)果。了解區(qū)域森林火災(zāi)時(shí)空分布特征是對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究的基礎(chǔ)[3]。通過對(duì)吉林省1969—2013年發(fā)生的6 519起森林火災(zāi)進(jìn)行分析研究,發(fā)現(xiàn)林火面積與火災(zāi)頻率的時(shí)空分布存在明顯的年、月、地區(qū)差異[4]。為了最大限度地減少森林火災(zāi)的危害,必須對(duì)每個(gè)區(qū)域的火災(zāi)進(jìn)行空間分析,并因地制宜地制定相關(guān)政策。GIS可以結(jié)合地形、植被、氣象等因素,建立不同圖層,將空間信息與地理屬性相聯(lián)系,從而分析評(píng)估森林火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)程度與發(fā)生概率,并生成火災(zāi)易感性地圖,為預(yù)防火災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。與此同時(shí),通過將地理信息數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)模型相結(jié)合,可以更加精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)[5]。杜春英等通過結(jié)合GIS、SPSS、Matlab相關(guān)技術(shù),對(duì)黑龍江省大興安嶺地區(qū)的雷暴、植被、海拔、地形等地理因素與雷擊火的關(guān)系進(jìn)行了定量分析,并得出該地區(qū)雷擊火事件發(fā)生的時(shí)空演變規(guī)律[6]?！叭珖匀粸?zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查”(2020—2022年)是建國以來首次在全國范圍內(nèi)大規(guī)模、系統(tǒng)性組織開展的森林和草原火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)普查活動(dòng),取得了極其顯著的成效。GIS因其卓越的數(shù)據(jù)處理能力,在數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、決策支持等方面為此次普查工作做出了巨大貢獻(xiàn),如構(gòu)建分植被區(qū)域、分類型的可燃物模型庫和分析野外火源分布情況及減災(zāi)能力等,極大提高了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水平。

1.3 火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)

森林火災(zāi)是全球森林生態(tài)系統(tǒng)中不可避免、不可或缺的生態(tài)干擾行為。在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí),消防資源的調(diào)配工作非常重要,消防隊(duì)伍的及時(shí)選派與行進(jìn)路線的確定是滅火的關(guān)鍵。但在滅火過程中導(dǎo)致的人員傷亡是我國目前所面臨的重要問題,1988—2018年間,森林火災(zāi)救援過程中死亡人數(shù)為4 418人,在2019年和2020年四川省春季森林火災(zāi)救援行動(dòng)中,分別有31名和19名消防員犧牲[7]。韓煥金等人的研究表明,火災(zāi)救援中人員傷亡受到惡劣的林火環(huán)境與指揮不當(dāng)?shù)纫蛩氐挠绊慬8]。因此,通過技術(shù)手段降低人員傷亡是火災(zāi)救援行動(dòng)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)森林火災(zāi)發(fā)生時(shí),GIS通過實(shí)時(shí)顯示火場(chǎng)邊界、火勢(shì)、風(fēng)向等數(shù)據(jù),可以幫助指揮人員更好地掌握火場(chǎng)情況,快速定位火點(diǎn)位置,指導(dǎo)滅火作戰(zhàn),及時(shí)調(diào)度消防力量和資源,有效地進(jìn)行滅火工作。與此同時(shí),ArcGIS軟件能基于內(nèi)置數(shù)據(jù)庫Geo-Database構(gòu)建森林火災(zāi)撲救網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫,綜合考慮火場(chǎng)的地形、水系、資源等因素,將最短路徑問題與成本路徑分析相結(jié)合,規(guī)劃出最優(yōu)的救援路徑,為救援人員提供最安全、便捷的行進(jìn)路線,最大程度減少火災(zāi)造成的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失。

1.4 火災(zāi)后評(píng)估

森林火災(zāi)的發(fā)生會(huì)極大影響森林生態(tài)系統(tǒng)中的群落演替,火燒跡地植被的生長與恢復(fù)受到太陽輻射、水文條件、土壤養(yǎng)分及其他因素的影響,精準(zhǔn)評(píng)估火災(zāi)發(fā)生后植被恢復(fù)狀況對(duì)森林管理與物種多樣性保護(hù)具有重要意義[9]。遙感技術(shù)為獲取火災(zāi)后恢復(fù)動(dòng)態(tài)的大規(guī)模觀測(cè)結(jié)果提供了一種可行性高且成本較低的解決辦法。GIS可以對(duì)火場(chǎng)進(jìn)行測(cè)繪,生成火災(zāi)后的植被覆蓋情況、地形變化等圖層,并與火前圖層進(jìn)行比對(duì),評(píng)估火災(zāi)的影響范圍和程度,為恢復(fù)重建提供科學(xué)依據(jù)。張玉紅等將地理信息技術(shù)與生態(tài)模型相結(jié)合,對(duì)1988—2013年黑龍江省大興安嶺地區(qū)的火災(zāi)后森林恢復(fù)情況進(jìn)行模擬與遙感估算,解決了傳統(tǒng)定點(diǎn)估算凈初級(jí)生產(chǎn)力數(shù)值的局限性與長期性等問題,實(shí)現(xiàn)了大尺度的災(zāi)后森林生態(tài)監(jiān)測(cè)[10]。Rebecca等利用地理信息系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和圖像處理能力,創(chuàng)新提出了一種火災(zāi)后生態(tài)恢復(fù)衛(wèi)星圖像監(jiān)控方法——火災(zāi)后穩(wěn)定指數(shù),并且證明了其較好的性能與適用性,借助該方法可以較大提升目前我們對(duì)森林火災(zāi)發(fā)生后恢復(fù)動(dòng)態(tài)的理解[11]。此外,GIS可以利用圖像分類、歸一化燃燒指數(shù)等方法,對(duì)森林火災(zāi)后的受災(zāi)范圍和損失程度進(jìn)行評(píng)估和分析,為災(zāi)后恢復(fù)提供參考。

2 GIS在森林防火應(yīng)用中存在的問題及對(duì)策

GIS系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用已經(jīng)成為一種有效手段,可以幫助管理者實(shí)時(shí)掌握森林火情和預(yù)測(cè)火勢(shì),從而指導(dǎo)防火決策。然而,這種技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在一些問題,例如數(shù)據(jù)質(zhì)量的問題、依賴技術(shù)人員的問題、系統(tǒng)的安全問題等。為了解決這些問題,需要采取一系列的措施。

2.1 數(shù)據(jù)來源不全面

數(shù)據(jù)來源不全面是指缺乏關(guān)于影響森林火災(zāi)發(fā)生和蔓延關(guān)鍵變量的全面而準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),如天氣條件、地形和人類活動(dòng)等,這將嚴(yán)重影響GIS對(duì)森林火災(zāi)進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度。對(duì)此,可以通過使用衛(wèi)星圖像等遙感數(shù)據(jù)填補(bǔ)有關(guān)森林覆蓋、地形等數(shù)據(jù)空白,為GIS提供全面的地理數(shù)據(jù)。與此同時(shí),可以對(duì)地面?zhèn)鞲衅鳌庀笳镜榷鄠€(gè)來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合,創(chuàng)建更全面的數(shù)據(jù)集。此外,機(jī)器學(xué)習(xí)算法和其他數(shù)據(jù)分析工具也可以根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)推斷出缺失數(shù)據(jù)。例如,若某地區(qū)天氣數(shù)據(jù)缺失,可通過使用附近地區(qū)天氣的歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法,對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2 缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)控

GIS在森林防火中通常使用靜態(tài)或半靜態(tài)的地圖數(shù)據(jù),更新周期較長,不能提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息,但火災(zāi)發(fā)生時(shí)常常伴隨著復(fù)雜的地形、氣候條件、人類活動(dòng)的變化,這將直接導(dǎo)致突發(fā)森林火災(zāi)時(shí)消防人員無法通過最新數(shù)據(jù)快速進(jìn)行反應(yīng)和調(diào)整滅火策略。為解決此問題,可以考慮引入無人機(jī)、衛(wèi)星遙感等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)森林火情實(shí)時(shí)收集,并將這些技術(shù)與GIS結(jié)合使用,及時(shí)更新數(shù)據(jù)。此外,在森林火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高地區(qū)可以建立滅火指揮中心,集中管理和分析地圖數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息,為消防人員提供實(shí)時(shí)的火情信息,并及時(shí)將最新數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS以制定滅火計(jì)劃。

2.3 高度依賴人力資源

在GIS的應(yīng)用過程中,數(shù)據(jù)收集、輸入和處理數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)等過程都需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行操作,并且培養(yǎng)經(jīng)驗(yàn)豐富的GIS操作人員需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力,這也直接導(dǎo)致了GIS的應(yīng)用成本較高,難以迅速普及。為此,引入自動(dòng)化數(shù)據(jù)收集和處理技術(shù)尤為重要,利用人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)可以有效降低GIS技術(shù)對(duì)人力資源的依賴性。此外,開發(fā)易于使用的GIS軟件,降低使用難度,可促進(jìn)GIS在森林防火中的推廣普及。

2.4 系統(tǒng)安全問題

在GIS的應(yīng)用過程中,大量的數(shù)據(jù)需要被收集、存儲(chǔ)、傳輸和處理。這些數(shù)據(jù)包括火災(zāi)發(fā)生的地理位置、時(shí)間、火勢(shì)大小等關(guān)鍵信息。如果這些數(shù)據(jù)被黑客攻擊或泄露,將會(huì)對(duì)森林防火工作造成極大的威脅。但GIS在森林防火中應(yīng)用的安全問題是一個(gè)復(fù)雜的問題,主要涉及到數(shù)據(jù)安全、系統(tǒng)安全和用戶安全等多個(gè)方面。如果這些問題不能得到有效解決,將會(huì)對(duì)森林防火工作造成嚴(yán)重影響。為此,需要建立完善的安全管理機(jī)制,包括數(shù)據(jù)的備份、加密、權(quán)限控制等,并采取系統(tǒng)的備份、加固、監(jiān)控等措施,與此同時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期安全檢查和漏洞掃描,防止系統(tǒng)遭到破壞。此外,還需要建立完善的用戶安全管理機(jī)制,包括對(duì)用戶進(jìn)行身份認(rèn)證、權(quán)限控制、訪問控制等,防止用戶權(quán)限濫用和賬戶被盜用。最后,需建立緊急響應(yīng)機(jī)制,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)對(duì)安全事件,在系統(tǒng)遭受攻擊或數(shù)據(jù)泄露時(shí),采取緊急措施,限制安全事件的影響范圍,并盡快恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 GIS在森林防火中的應(yīng)用前景

目前,GIS在森林防火中應(yīng)用廣泛,包括火險(xiǎn)評(píng)估、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、火災(zāi)響應(yīng)和災(zāi)后評(píng)估等方面。未來,隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,GIS在森林防火中的應(yīng)用還會(huì)不斷拓展和深化,以下是一些未來可能的發(fā)展方向。

3.1 無人機(jī)輔助監(jiān)測(cè)

隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷成熟,可以利用無人機(jī)進(jìn)行森林防火的監(jiān)測(cè)和探測(cè)。無人機(jī)可以搭載高分辨率攝像頭和紅外傳感器等設(shè)備,對(duì)火災(zāi)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集,為防火工作提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

3.2 多源數(shù)據(jù)融合分析

可以將多種數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合分析,如遙感數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)等,通過機(jī)器學(xué)習(xí)等算法,建立更加精確的火險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)測(cè)模型,提高火災(zāi)預(yù)警和防范的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

3.3 人工智能輔助決策

可以利用人工智能技術(shù),對(duì)火災(zāi)預(yù)警和響應(yīng)進(jìn)行智能化處理,如利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)未來可能發(fā)生的火災(zāi),為防火決策提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

3.4 3D可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

可以利用3D可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),建立森林防火模擬場(chǎng)景,模擬火災(zāi)的擴(kuò)散和響應(yīng)過程,為防火決策提供更加直觀的決策支持。

3.5 區(qū)域協(xié)同防火管理

可以通過GIS技術(shù)建立森林防火的區(qū)域協(xié)同管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)不同部門、不同區(qū)域之間的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同工作,提高森林防火的管理效率和水平。

4 結(jié)語

森林火災(zāi)由于其特有的危害性,一旦發(fā)生就會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成較嚴(yán)重影響,因此,預(yù)防工作是重中之重。GIS技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用有助于系統(tǒng)而有效地做好森林防火綜合治理工作,并且目前已經(jīng)逐步成熟,極大提高了森林防火的效率和精度[12]。通過GIS技術(shù),可以精確地分析森林的地形、植被、氣象等因素,提高預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)的能力,實(shí)現(xiàn)對(duì)火場(chǎng)的精確定位和火情的快速響應(yīng),從而減少火災(zāi)發(fā)生的可能性,降低火災(zāi)對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞和對(duì)經(jīng)濟(jì)的影響。此外,GIS還能提高森林資源的管理效率,實(shí)現(xiàn)森林資源的可持續(xù)利用,促進(jìn)森林生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)同發(fā)展。