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首都师范大学硕士学位论文基于w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 摘要 森林和人类生活息息相关，森林每年为人类生产出大量的木材和多种多样的林副产品， 而且森林的生态作用远远超过了它的物质作用。近年来，随着人类活动的影响和全球气候的 异常变化，全球森林火灾有加剧的趋势。火灾对森林资源和生态环境的破坏十分严重，研究 森林火灾规律与预防扑救方法对减少林火危害、保护生态环境具有重要意义。 本文根据房山区目前使用的火险天气预报模型、林火行为预报模型、扑救兵力计算模型 和损失评估计算模型，开发了基于w e b g i s 的位置服务的林火决策系统。实践证明，该系统能 够有效预报火险天气、管理林业信息，并且一旦发生火灾，该系统可以提供灵活的扑救方案， 有效地提高了林火扑救效率主要研究内容如下： 1 、在w e b g i s 环境中，将位置服务与传统m i s o a 进行无缝集成，建立森林防火空间数 据库，整合房山区原有的气象观测系统、电视监控系统及卫星导航系统等硬件资源，建立起 基于w e b g i s 和位置服务的森林防火决策系系统。 2 、针对遥感监测数据流量大等传输瓶劲，优化平台运行速度，建立起“森林防火信息管 理系统”，在区域防火主管单位的多用户间围绕护林防火决策工作，实现空间信息资源共享， 并实现火险天气预报、火点定位、林火扑救、g p s 跟踪定位等功能。 3 、以无线电台为载体建立起消防车辆和手持g p s 对讲机的零成本监控系统，从而初步建 立起的房山森林防火位置服务( l b s ) 系统； 关键词：林火；决策支持；地理信息系统 首都师范大学硕士学位论文基于w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 a b s t r a c t f o r e s tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nh u m a nl i f e ，a n di ta l s op m v i d e sp e o p l ew o o da n dl o t so f b y p r o d u c t s t h em o s tv a l u eo ff o r e s tf o rh u m a nb e i n g si si t se c o l o g i c a le f f e c t i nr e c e n ty e a r s , t h e a m o u n to fg l o b a lf o r e s tf i r e sh a sb e e ni n c r e a s i n ga st h er e s u l to fh u m a na c t i v i t i e sa n de x c e p t i o n a l c h a n g e so fc l i m a t e f o r e s tf i r e sl e a d t ol o s s o ff o r e s tr e c o u r s e sa n dd e s t r o yt h e e c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t ，s o ，t h es t u d yo nl a w so ff o r e s tf i r ei sv e r yi m p o r t a n tf o rf o r e s tf i r ep r e v e n t i o na n d f i g h t i n g , t h ep a r to fo u rw o r kw a st od e v e l o pad e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mf o rr e g i o n a lf o r e s tf i r e s ，b a s m g o nt h ee x i s t i n gm o d e l so fw e a t h e rf o r e c a s t i n g , b e h a v i o rp r e d i c t i o n , f i r e - f i g h t i n gf o r c ea s s i g n m e n t a n dp l - 0 p c r t yl o s se v a l u a t i o nf o rf i r ed a n g e ri nf a n g s h a nd i s t r i c t a n dt h ec o m p a t i b i l i t yo fa nt h e s e s y s t e m sw a se n s u r e db yo u ri n t e g r a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o r m so ff a n g s h a n f o r e s t r yb u r e a u o u rd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mh a sb e e nf u n c t i o n e df o rm o r et h a nh a l fy e a r i tt u r n e d o u tt h a t , t h i ss y s t e mc o u l de f f e c t i v e l yf o r e c a s tt h ef i r ew e a t h e ra n d m a n a g ef o r e s ti n f o r m a t i o n i nt h e c a s eo ff i r ea l a r m , w ec a na l s ou s ei tt op r o v i d ef l e x i b l ea n di n t e n s i v ef i r ed i s p a t c h e sa n df i n a l l y i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ff i r e - f i g h r i n g m a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、i nt h ew e b g i se n v i r o n m e n t ，i n t e g r a t et h ep o s i t i o ns e r v i c ew i t ht h et r a d i t i o n a lm i s o a s e a m l e s s l y , e s t a b l i s hf o r e s tf i r ep r e v e n t i o ns p a t i a ld a t a b a s e s ，i n t e g r a t et h ee x i s t i n gm e t e o r o l o g i c a l o b s e r v a t i o ns y s t e m ，t vm o n i t o r i n gs y s t e ma n das a t e l l i t en a v i g a t i o ns y s t e ma n do t h e rh a r d w a r e r e s o u r c e si nf a n 萨h a nd i s t r i c t , t oe s t a b l i s ht h ep l a t f o r mo ff o r e s tf i r e p r o o fp o l i c yw h i c hb a s e do n t h ew e b g i sa n dl o c a t i o ns e r v i c e 2 、hv i e wo ft h eb i gc u r r e n tc a p a c i t yo f r e m o t em o n i t o rd a t aa n do t h e rt r a n s m i s s i o nb o t t l e v i g o r , o p t i m i z et h eo p e r a t i n gs p e e do ft h ep l a t f o r m ，a n de s t a b l i s ht h e “f o r e s tf i r e p r o o fi n f o r m a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ”，m a k ed e c i s i o no nt h ef i r e p r o o fp r e v e n t i o nb e t w e e nt h em u l t i u s e ra tt h e r e g i o n a lf i r e p r o o fu n i t ，t o r e a l i z et h es p a t i a li n f o r m a t i o nr e s o u r c es h a r i n g , a n dr e a l i z et h ef i r e w e a t h e rf o r e c a s t ，t h ef i r ep o i n tl o c a l i z a t i o n ，t h ef o r e s tf i r es a v e sg o a l ，t h eg p st r a c kl o c a l i z a t i o na n d o t h e rf u n c t i o n s 3 、e s t a b l i s ht h ef i r ev e h i c l e sw h i c ht a k et h eb l o w e ra st h ec a m e ra n dg r a s pt h eg p s 首都师范大学硕士学位论文 基于w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 i n t e r c o m sz c i oc o s ts u p e r v i s o r ys y s t e m , t h u se s t a b l i s ht h ei n i t i a lf a n g s h a nf o r e s tf i r e p r o o fp o s i t i o n s e r v i c e ( l b s ) s y s t e m k e yw o r d s ：f o r e s tf i r e ；d s s ；g i s m 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 物 日期：矗年，月日 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 靴敝储铭：侧 日期：功年j 月日 首都师范大学硕士学位论文 w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 森林作为陆地生态系统的主体，是陆地上面积最大、结构最复杂、生物量最大、初级生 产力最高的生态系统，在维持生态安全、维护人类生存发展的基本条件中起着决定性与不可 替代的作用。森林火灾会引发一系列的生态后果，它不仅破坏森林资源，使森林质量下降， 土壤失去保护，引起水土流失，给农业生产带来很大损害，而且，还因烧去林内各种有用的 野生植物，迫使许多珍贵鸟兽迁移。起火产生的大量烟尘，污染了大气环境，对人类造成极 为有害的影响。 近年来，随着人为活动影响和全球气候的异常变化，全球森林火灾有加剧的趋势。特别 是进入9 0 年代以来，全球森林火灾明显加重。1 9 9 0 - 1 9 9 5 年世界森林火灾次数约增多1 0 9 6 ， 欧洲8 0 年代年均发生森林火灾5 万起，1 9 9 0 - 1 9 9 5 年的5 年内平均每年为7 万起；美国、加 拿大平均每年约1 5 万起；俄罗斯森林火灾次数也在增多。自9 0 年代以来，加拿大森林火灾 过火面积从原来的年均1 0 0 万h m 2 增加到2 8 0 万h m 2 ，火灾次数也呈上升趋势。防止森林火灾 问题现在不仅受到社会的重视，而且政府与国际机构也给予极大关注。联合国在日内瓦的总 部成立了森林火灾专家组。 我国森林资源十分匮乏，根据第四次全国森林清查，全国森林面积1 3 4 亿h m 2 ，林木蓄 积1 1 7 8 亿m 3 ，森林覆盖率只有1 3 9 2 。每人平均森林面积不到0 1 1h , n 2 ，人均林木蓄积仅 8 6m 3 ，远远低于世界人均占有森林面积和蓄积的水平。这样的资源状况，不仅不能满足国 民经济建设的需要，而且严重影响生态环境保护和自然生态平衡。为此，我国政府加强了人 工造林和生态工程的建设，通过这些工程建设改变我国目前生态系统建设分散，整体效益不 高的状况。同时还强调加强森林保护，巩固和发展造林绿化成果。森林防火作为森林保护最 重要的组成部分，其意义重大。 火灾对森林资源和生态环境的破坏十分严重。据统计，1 9 5 0 - 1 9 9 7 年全国共发生森林火灾 6 7 6 万次，平均每年发生森林火灾1 4 3 万次，平均受害森林面积8 2 2 万h m 2 ，年均森林受 害率为6 3 。近几年来，我国的火灾又呈上升趋势，特大火灾也连续发生。如1 9 9 4 年全国 发生火灾3 3 1 7 次，受害面积3 2 万h m 2 ，1 9 9 5 年火灾次数5 1 9 7 次，受害面积5 8 万h m 2 ，1 9 9 6 首都师范大学硕士学位论文 w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 年全国的森林火灾次数与1 9 9 5 年基本持平，但受害面积近1 5 万h m 2 ，火灾受害率超过了l 因此，森林火灾形势仍然严峻。 由于森林火灾对人类及其生存环境带来的危害，世界各国投入了大量的人力物力进行森 林防火工作的开展，虽然取得了一定成效，但是每年林火带来的损失仍然巨大。森林防火的 工作任重道远因此，提高森林火灾的扑救指挥能力，实现森林防火的“早发现，早报告， 早解决一，较少环境和经济损失具有重大的科学意义和现实意义由于在林业管理中，有大量 的野外作业，g p s 接收机辅助日常定位业务比较广泛。目前已在森林经营管理、森林防火及 病虫害监测的诸多业务中涉及空间定位服务，其中森林火灾周边测量、火场定位、火场布兵、 火场测面积、火灾损失估算、森林火险天气预报、火灾视屏监控、水源寻找、病虫害监测、 天敌分布、二类调查和造林设计等业务急需实时或准实时的空间信息服务技术，但林业部门 对电信或其它移动通信部门提供的增值l b s 服务的经济承受能力有限。充分利用行业中的基 础技术条件，特别是森林防火中已经建立起来的嘹望观测设施和无线电台通信设施，面向行 业应用构建低成本的森林防火决策系统具有重要的理论意义和现实意义 1 2 位置服务研究进展 1 2 1 位置服务介绍 基于位置的服务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e s ，简称l b s ) ，通常也叫做移动信息服务、定位信 息服务等，是最近几年才新兴起来的一项信息产业。它利用无线通信网络，为广大移动用户提供 位置相关的信息增值服务。一个完整的l b s 系统包括以下几个部分：数据平台、移动通信网络、 位置确定中心、位置服务平台、运营服务平台和移动信息终端。其中位置确定中心的作用是 从基站获取数据并计算出位置信息，接受移动信息终端的位置请求并返回其位置信息；而位置 服务平台则是根据位置确定中心提供的用户位置信息，与其他相关信息相结合，提供一种基于 位置的综合信息服务，它是整个l b s 系统的关键环节。 1 2 2 位置服务国内外发展现状 目前基于无线移动位置服务技术的应用开始兴起，是g i s 与主流1 1 r 技术、无线通信技 术加速融合的结果。随着移动计算技术的逐渐成熟，g i s 正进行第二次标志性转变从“l 修向 “l 一的转变，即从i n t e m e t 的信息服务，向以所有社会大众为服务对象，提供基于空间位置 的信息服务( 姗i o nb a s e ds e r v i c e s ) ，与此同时r i 主流技术正在朝网络计算的方向发展，主 2 首都师范大学硕士学位论文w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 流无线通信技术正在由2 g 向3 g 变革，这些趋势促进了l b s 的快速发展。 1 、国外l b s 研究进展 在美国，e - 9 1 1 ( 紧急救援) 服务对定位精度的要求极大地促进了美国l b s 产森林资源 管理位置服务( l b s ) 关键技术研究业的快速发展。s p r i n tp c s 和v o i c e s t r e a m 等移动运营商 都在积极开辟交通、安全等多方面应用。而欧洲在l b s 技术方面处于领先地位，但其应用更 偏重于实用的城市生活信息服务。与欧美相比，日韩在l b s 的商业应用方面较为领先。日本 的移动运营商和业务提供商逐步建立了比较完善的、基于位置业务的基础设施而韩国也通 过相关技术为用户提供地图、引路、地区信息和安全等服务信息。而且韩国政府早在2 0 0 3 年 年初就表达了希望将l b s 业务培育成战略性产业的意愿，并加快实施对l b s 业务的立法， 对这领域的健康发展给予了强有力的扶持与引导 为抢占市场先机，从移动运营商、移动网络设备提供商、g i s 系统提供商到服务提供商。 甚至包括i n t e l 、o r a c l e 及以某些行业用户，都建立了各具特色的位置服务解决方案。a u t o d e s k 公司推出l o c a t i o n l o g i c 位置服务平台、e s r i 推出了a r c l o c a t i o n 平台、i n t e r g r a p h 推出了 i n t e l i w h e r e 、m a p l n f o 推出了m i a w a r e 、m a p q u e s t 推出了l o c a t i o np l a t f o r m 、韩国p o i n t i 公司 推出了p o i n t iu b s 。 一些行业标准化组织纷纷成立或提出相应规范。o m a ( o p e nm o b i l ea l l i a n c e ，即开放移动 联盟) 于2 0 0 0 年成立，提出了m o b i l el o c a t i o np r o t o c o l ( 移动定位规约) ，简称m l p 。o g c 提 出了o p e n l s ( o p e nl o c a t i o ns e r v i c e s ) 。3 g p p 和3 g p p 2 负责制订定位技术方面的标准。 i n t e l 、m i c r o s o f t 、o r a c l e 和其它软硬件厂商纷纷提出自己的l b s 服务计划。2 0 0 4 年i n t e l 推出了m o b i l ei n t e m e tp c2 0 0 4v i s i o n 笔记本电脑，并提出了关于l o c a t i o n a w a r ec o m p u t i n g ( 位置敏感计算，l a c ) 定义；i b m 推出了w e b s p h e r ee v e r y p l a c e s e r v e r ；2 0 0 4 年m i c r o s o f t 发布了m l s ( m a p p o i n tl o c a t i o ns e r v e r ) ，作为开发位置服务的系统平台；o r a c l e 公司提出了 e l o c a t i o mo p e n w a v e 提出了l o c a t i o nm a n a g e r ；s i m e n s 提出了l o c a t i o ns e r v i c ep l a t f o r m ： t e l e o n t a r l 9 9 6 - 2 0 0 0 年开发出d r i l ld o w n s e r v e r ：h u g h e s 提出了h s sl o c a t i o np l a t f o r m ；欧洲 于2 0 0 1 年1 2 月1 日启动了l o v e u s ( l o c a t i o na w a r ev i s u a l l ye n h a n c e du b i q u i t o u ss e r v i c e ) ， 计划在2 0 0 4 年7 月3 1 日结束，研发目标是为欧洲大众提供“普在服务 ( u b i q u i t o u ss e v i c e s ) 。 日本电讯公司推出的d o c o m om a m m y 服务：n o r t h w i c hu n i o n 保险公司与o r a n g e 电讯公司 合作发展的p a ya s y o ud r i v e 项目等等。 2 、国内l b s 研究进展 中国最早的位置服务开始于2 0 0 1 年，作为全球拥有移动电话用户数量最多的国家，移动 3 首都师范大学硕士学位论文w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 定位在我国拥有广阔的应用前景但从目前的实际应用情况来看，移动前言定位用户规模依 然较小，移动定位占移动运营商增值服务总收益的比重还比较低。 总体上讲。移动定位业务在我国还仅仅处于市场培育阶段国内在l b s 基础研究、前沿 技术的理论探索和技术方法探讨、应用集成等方面开展了比较广泛的研究。 在基础支撑方面，围绕3 s 集成理论技术体系开展了3 s 集成技术、空间信息与移动通信 的集成应用、移动g i s 发展的关键技术、嵌入式g i s 等方面的研究在网络基础设施和高性 能计算等方面。开展了网格技术、移动a g e n t 技术、分布式移动g i s 在l b s 中的应用研究 在软件平台和终端服务方面开展了用j 2 e e 和j 2 m e 构建l b s 平台或终端应用系统研究。开 展了l b s 数据模型、定位数据融合等方面的应用研究。在定位技术上，开展了大量应用研究。 在产业应用方面，我国目前已经完成了k 几1 接口( 客户端与定位服务器之间的接口) 的行 业标准，以及w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统中的定位技术行业标准，与g i s 相关的标准。目 前也有了新的g i s 接口，s p a c c e s s 接口的企业标准。对应于o m a 的基于l p 层面的定位 技术标准也将要启动。 中国移动向用户提供基于c e l l i d 技术的移动终端位置服务。中国联能在上百城市开通手 机导航业务，实现了城市间漫游导航( 柳林等，2 0 0 7 ) 。 在行业应用角方面，位置服务在交通、电力、物流、消防、城市规划等行业有广泛的应 用( 刘宇等，2 0 0 3 ) 。十五一期间智能交通( i t s ) 已列入到国家国民经济和社会发展。十五一 规划。科技部启动了国家i t s 。十五一示范工程，并将北京作为1 0 个i t s 的示范城市之首 为确保2 0 0 8 年奥运会的成功举办，北京市目前将i t s 新型交通理念和高新技术手段运用到 交通管理与运营实践中，率先开展了交通综合信息平台的建设。在汽车导航与铁路交通运输 调度上，l b s 应用也得到了比较广泛的应用。在物流运输业，建立了大量的g p s 跟踪网络， 并开展了相关的应用研究( 罗满建等，2 0 0 6 ) 总体上看，国内l b s 全面深入的应用与研究有待入进一步开展。网舟咨询分析师指出， 国内目前l b s 服务尚停留在娱乐阶段，而政府相应管理政策未出台、运营商投入有限及重视 不足、应用少、用户有限等特点是限制我国l b s 服务发展的主要原因。随着相关问题得到解 决，网舟咨询预计在2 0 0 7 年，l b s 市场将高速启动并将保持三年的高增长，在2 0 0 9 年达到 2 5 亿元人民币的市场规模。针对不同的用户群，l b s 业务将分别呈现出以下发展趋势：针对 年轻时尚一族的信息娱乐应用将更加复杂化、趣味化和准确化；针对企业用户的行业应用前 景十分广阔；而针对普通大众的应用将面向生活，变得更加实用化，而且与商务的结合将更 加紧密。 4 首都师范大学硕士学位论文w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 1 3 林火决策系统研究进展 国外对于森林防火的研究，先进的要数加拿大和美国。加拿大的林火管理集空地扑火力量 于一体，实行集中管理、统一指挥，主要形成了飞机巡护、地面晾望、群众报警为主的林火 监测系统；地面站、微波通讯塔等为主的林火通讯系统：装备完善、训练有素的专业扑火队 和各种灭火器具如直升飞机、灭火车辆等组成的林火扑救系统；野外气象站、雷电监测网、 火险天气指挥系统、微机软件等组成的情报系统：以及主要由全国联合防火公司、省航空防 火中心和各级防火中心组成的林火指挥系统等。美国投入大量的人力物力将信息处理、通信 传输和卫星监测等先进的科学技术应用于森林火灾的监测和扑救工作，形成了美国的森林消 防高级系统技术，简称f f a s t 系统。这个系统考虑了地面、航空和航天3 个层次的林火和数 据资料的处理传递。主要的功能有：能够将数据通过卫星通讯网和地方各级防火部门建立联 系；指出相对的森林火灾强度；提供精确的定位信息；利用林火有关参数对林火模型进行核 实和修正；同时也能对烟雾、病虫害和植被生长情况等非林火情况进行处理( 叶兵，2 0 0 0 ) 国内目前对林火决策系统的研究也越来越多，但是从规模上来讲与国外相比还有差距。郭 秀民以预防为主建立了天津山区森林防火地理信息系统，提供火险等级预报、林火实时监测、 林火蔓延趋势、救火资源布置等功能，同时也提供林火扑救辅助决策功能( 郭秀民，2 0 0 3 ) 。 张贵等基于3 s 技术建立了广州市森林防火信息系统，能够全天候实时监测林火状况、预测火 行为、提供关于火情的遥感图像信息以及扑救现场的实时图像信息，为森林防火做出决策支 持( 张贵，2 0 0 4 ) 。万鲁河使用组件式g i s 技术实现了3 s 技术与林火预测、评估模型的集成， 建立了一个森林防火决策支持系统，具有数据管理、更新、查询、显示、输出和模型分析功 能、为森林防火提供及时可靠的信息支持( 万鲁河，2 0 0 4 ) 陈辉建立了青岛崂山森林防火调 度与指挥系统，该系统利用g i s g p s 技术和专家数据库进行各种信息的处理，能及时发现火 灾隐情并可根据火情变化信息提供各种扑火预案并协助指挥工作。林伟华等设计和开发了基 于g i s 的森林防火信息管理系统，可以实现火点的定位、火场信息的查询、扑火信息查询、 辅助决策指挥和火灾评估档案的查询、统计和分析功能( 林伟华，2 0 0 4 ) 。 1 4 论文的主要研究内容 本文针对现今现代防火决策需要，结合北京市房山区林业防火的实际情况，借助位置服 务系统，地理信息系统，对房山区森林防火进行分析研究，总结出现代防火的新的模式，运 用当前流行的系统开发框架，开发设计房山区森林防火决策系统。 本文所做的主要研究内容如下： 5 首都师范大学硕士学位论文w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 l 、面向林业防火行业特点，研究建立了一个经济高效的基于位置服务的森林防火决策系 统：该系统以分布式计算为核心，以超短波无线电台为g p s 信号载体，建立起零成本运行， 并且集林火预防、监测、决策辅助、损失评估为一体的森林防火决策系统。 2 、运用计算机技术、数据库技术、网络技术、通讯技术和3 s 技术( g i s 、赂、g p s ) ，应 用到建设数字林业的工作中，攻克了森林防火位置服务系统研发中的海量数据存取。位置服 务中定位精度和决策系统自动化等几个关键技术。 3 、运用当今流行的开发框架和技术如a j a x 、中间件等技术研发的森林防火位置服务系 统，使该系统具有很高的稳定性和扩展性，大大提高了系统得使用范围。 1 5 论文的组织 本文共分为六章，具体内容如下： 第一章是绪论阐述了课题的研究背景和意义，对林火扑救进行了概述，对比分析了国 内外在w e b g i s 和l b s 领域的研究现状，最后说明了本文的主要研究内容和组织安排。 第二章是研究区域概况与数据准备。首先介绍了研究区域房山关于林业管理的植物，地 形和气象等情况，还着中分析了现有房山的主要硬件情况，如气象观测系统合森林防火视频 检测系统等，为基于w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的集成开发做了硬件上的支持。 第三章是森林防火决策系统研究本章详细分析了房山区相关防火的历史数据，确定了 火险区划，对现有嘹望台和消防队的覆盖面积和可见区域进行了分析对在林火扑救中的关 键技术，如空间数据的存储、定位技术和移动端的定位精度等进行了全面的分析和研究。结 合对防火决策模型的研究，最后总结出适合于房山的林火预防和扑救的一体化流程，提高了 扑火的自动化效率，从而从根本上降低了林火的损失。 第四章是森林防火系统的设计。首先，按照房山的实际需求，结合当地的情况，设计出 整个系统的体系结构；然后，从众多系统软件中，选择出数据库、g i s 软件和开发语言，使该 系统在稳定性、扩展性和使用性上都有很强的保证。 第五章是森林防火系统的实现。通过图示给出了整个系统的结构框架和功能，通过用例 图、静态模型及动态模型图展现了整个系统设计的过程，最后对其中三个重要模块：火险天 气预报，林火行为预报、林火扑救，进行了系统演示 第六章是总结和展望。对本研究课题作了整体总结，分析了优点和缺陷，并对进一步改 善作了展望。 6 首都师范大学硕士学位论文 w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 2 1 房山区概况 第二章房山区概况与数据准备 房山区位于北京西南，总面积2 0 1 9 平方公里，山区总面积9 5 0 平方公里，占全区总面积 的4 7 。到1 9 9 9 年底，全区林木总面积达到8 4 3 3 4 3 公顷，其中：森林面积3 2 7 6 1 公顷；灌 木林面积4 8 7 5 7 6 公顷；村镇四旁植树折合面积2 8 1 5 7 公顷，全区林木覆盖率4 2 2 6 。平原 林木覆盖面积1 3 5 2 4 公顷，覆盖率2 1 1 1 ，山区林地覆盖面积达8 0 。区内旅游资源丰富， 是京郊“林果之乡”和“旅游胜地”。 图2 一l 北京与房山行政区图 房山区气候属北温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱多风， 秋季秋高气爽而短促。年平均气温1 0 - - - 1 2 ，其中，西北部山区年平均气温1 0 8 ，无霜期 1 5 0 天左右；东南部平原区年平均气温1 1 6 ，无霜期1 9 0 - - - , 2 0 0 天。大石河以西的山区、丘 陵地带，属北京市山前暖区，平均气温在1 2 以上。无霜期1 8 5 天左右。多年平均降水量为 6 5 5 毫米左右，降水集中在6 - 8 月份，占全年降水量的8 5 ，降雨强度大，多冰雹、大风。 房山区地处太行山与华北平原之间的过渡地带，地势西北高、东南低，最高海拔2 0 3 5 米 ( 白草畔主峰) ，最低海拔2 6 米( 立教洼) ，由西北向东南依次为中山、低山、丘陵、岗台地 和冲积平原，地貌类型复杂多样。房山为石质山区，山区岩石主要为石灰岩，煤炭产区则以 砂岩、叶岩为主，丘陵区有少量花岗岩。按地质年代出露的有震旦纪、寒武纪、奥陶纪的大 面积石灰岩，还有石炭纪、二迭纪等砂面岩及少量的灰绿岩。房山土壤类型多样，由山地至 平原依次发育有山地棕壤、山地革甸土、淋溶褐土、碳酸盐褐土、褐土、复石灰性褐土、盐 湖土、沼泽土、水稻土、风沙土等土壤，且随海拔高度呈规律性分布。深山区以山地棕壤、 7 首都师范大学硕士学位论文 w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 山地草甸土为主，土层瘠薄，土层厚度小于3 0 厘米的面积占总面积的5 0 ，土层厚度在3 0 6 0 厘米的面积占总面积的2 0 ，土层厚度大于6 0 厘米的面积仅占1 0 浅山丘陵区分布有 大面积的山地淋溶褐土，局部地区有极少量的耕作褐土，土层厚度在1 米以上 全区共有2 2 个乡镇办事处、4 6 3 个行政村，其中的2 0 个乡镇从事种植业生产截止2 0 0 3 年底，全区人口2 8 6 1 万户、7 4 9 4 8 6 万人，其中农业人口4 3 “万，非农业人口3 1 3 1 万，人 口自然增长率0 2 ；耕地面积5 6 1 9 0 5 亩，其中水田5 1 1 9 亩，早地2 9 8 5 6 6 亩，水浇地2 5 8 2 2 0 亩；全区平均粮食单产2 6 6 4 3 公斤厂卣。全年粮食总产量8 1 7 6 9 万公斤；干鲜果品产量8 1 0 5 4 吨，是北京市主要粮果产区之一 房山区植物种类繁多，有种子植物9 6 科4 2 6 属8 7 8 种，占北京市种子植物总数1 4 1 9 种 的6 1 9 。区内植被以暖温带落叶阔叶林为主，并混生温带针叶林，其森林建群种主要有辽东 栎、栓皮栎、白桦、枫桦、棘皮桦、山杨、槭树、白蜡及油松、侧柏等。植被表现出明显的 垂直地带性分布，平原地区主要有杨、柳、榆、槐、果树等；低山及丘陵地带，山杨、栓皮 栎、北鹅耳枥、油松、侧柏等为主要乔木树种，灌木丛则主要为荆条、酸枣、黄草、白草等； 在中山地区乔木主要有辽东栎、山杨、桦木、山柳、北鹅耳枥、落叶松等，灌木丛以绒毛绣 线菊为主。 房山区是首都北京的下辖区县，由于其独特的地理位置，森林防火的重要性不言而喻 房山区面积两千多平方公里，林业资源丰富，尤其是山区林地覆盖面积达8 0 ：由于人口众 多，道路发达，与东北相比，林区较为破碎；其林火的监测无法靠低空间分辨率的遥感手段 来监测，而高空间分辨率的影像又不具备时效性：所以目前林火的监测主要靠嘹望塔人工进 行监测。这正好符合森林防火决策系统的实际发挥，可真正验证决策系统的可用性和稳定性 2 2 与林火相关的一些概念 林火是指森林的燃烧，包括森林火灾和计划火烧。林火的原理就是研究林火的性质、燃烧 现象、火行为、林火发生发展的基本规律和环境因子之间的关系。其中涉及到的一些概念总 结概括如下( 高颍仪，1 9 9 4 ) ： 1 ) 森林燃烧 森林燃烧通常分为两种类型：一种是有焰燃烧，如通常情况下的地表火，树冠火，这种燃 烧放出大量的光和热。另外一种是无焰燃烧，燃烧时候没有火焰，放出极少的光和热，如地 下火和木炭燃烧。 2 ) 燃烧三要素 8 首都师范大学硕士学位论文 w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 燃烧的三要素是指可燃物，空气和一定的温度。森林的所有有机质均属于可燃物，如树叶， 树枝，树干，枯枝落叶。树下草本植物，地衣，苔藓等等。空气中含有2 1 的氧气，在可燃 物的燃点温度，活化氧很容易与可燃物化合，形成连锁反应，氧气是燃烧的必要条件，如果 空气中的氧气减少到1 4 到1 8 时，燃烧就会停止。 3 ) 燃烧的三个阶段 第一阶段：预热阶段。火灾初发阶段，燃烧物质受热后，温度逐渐升高，水分蒸发，物质 变得越来越干燥，冒烟，最后到达燃点。 第二阶段：气体燃烧阶段。可燃性气体开始点燃，温度迅速上升，发出黄红色火焰，产生 烟尘。这个阶段火势旺，是火灾的发展，传播阶段。 第三阶段：木炭燃烧阶段。固体燃烧阶段，表面燃烧，最后只剩下少量的灰分。 这三个阶段有的时候是交替进行的，但是可以看出，火灾的燃烧过程可以概括用如下的等 式表示： 可燃物氧气一定的温度= 火热能和光水蒸气烟尘木炭灰分二氧化碳 4 ) 火强度 火强度是指，单位长度，单位时间内能量或者热量释放的速度。相当于有效可燃物乘以向 前蔓延的速度，单位：k w r m 。 5 ) 林火的种类 根据性质和燃烧的部位可以分为：地表火，树冠火和地下火三类。 地表火是一种最常见的火，占9 4 。火从地面地被物开始燃烧，沿着地面蔓延，烟为白灰 色。主要燃烧枯枝落叶层，地被物，灌丛等等，有时造成大面积树木枯死。可燃物多的时候 可能引起树冠火。 树冠火是指地表火遇到强风，或者枯立木，幼林，或者低垂的树枝，烧至树冠，并沿着树 冠顺风扩展。树冠火多发生在长期干旱的针叶林，幼中林或者异龄林。 地下火是林地腐殖质层或者泥炭层燃烧引起的火。地面看不到火焰，只有烟，一直烧到矿 物质层和地下水的上部。一般只有在特别干旱的年代才会发生。 2 3 基础数据准备 本文在“房山区数字林业平台建设 项目支持下，搜集了大量与森林火灾相关的数据。 9 首都师范大学硕士学位论文w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 2 3 1 房山地形与气象数据 搜集了房山区2 0 米分辨率d e m 数据和l ：1 万的等高线数据，房山区道路和水系数据， 2 0 0 0 年土地利用分类数据，以及行政区和居民点数据等 搜集了1 9 8 8 - 2 0 0 6 共计1 9 年防火期内逐日的房山区气象数据，主要包括温度、风速、降 雨量、相对湿度等气象因子，同时还包括相对应的当天的火险天气等级记录 2 3 2 林业管理基础数据 2 0 0 4 年二类调查数据 森林资源二类调查是以区县级行政区域为调查单位，以满足森林经营、编制森林经营方 案、总体设计、林业区划与规划设计需要而进行的森林资源清查其主要任务是查清森林， 林木和林地资源的种类、数量、质量与分布，客观反映调查区域自然、社会经济条件和经营 管理状况，综合分析与评价森林资源与经营现状，提出对森林资源培育、保护、利用意见。 调查成果是建立或更新森林资源档案，编制森林经营方案，制定森林采伐限额，进行森林资 源和林业工程规划、设计与森林资源管理的基础，也是制定区域国民经济发展规划和林业发 展规划，实行森林生态效益补偿和森林资源资产化管理，指导和规范森林科学经营的重要依 据。森林资源二类调查间隔期原则上为5 年，调查时间为1 年在间隔期内可根据需要进行 补充调查。 调查范围：以北京市各区县为调查单位，调查其行政区域范围( 包括区县级以上单位) 内的所有森林、林木和林地；国有林经营单位，应调查该单位的所有土地( 包括生产用地和 辅助生产林地) 。 调查基本内容包括： 1 核对各区县行政区域范围的境界线，并在经营管理范围内进行或调整( 复查) 经营区 划； 2 调查各类林地的面积； 3 调查各类森林、林木蓄积： 4 调查与森林资源有关的自然地理环境和生态环境因素； 5 调查森林经营条件、前期主要经营措施与经营成效。 下列调查内容以及调查的详细程度，要依据北京市现有森林资源特点、经营目标和调查 目的以及以往资源调查成果的可利用程度，由调查会议具体确定： 1 0 首都师范大学硕士学位论文w c b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 1 森林资源生长量和消耗量调查； 2 森林土壤调查； 3 森林更新调查； 4 森林病虫害调查； 5 森林火灾调查； 6 野生动、植物资源调查； 7 生物量调查； 8 湿地资源调查： 9 荒漠化土地资源调查： 1 0 森林景观资源调查： 1 1 森林生态因子调查； 1 2 森林多种效益计量与评价调查； 1 3 林业经济与森林经营情况调查； 1 4 提出森林经营、保护和利用建议； 1 5 其它专项调查。 历史林火点数据 搜集了2 0 0 3 年房山区航片数据( 分辨率：山区1 m 、平原o 5 m ) ，以此为底图，根据房山 区林业局的历史林火档案文件，和林业局的工作人员一起，勾绘了1 9 8 8 - 2 0 0 6 年共计1 9 年历 史火点数据。再根据每个火点的属性，通过g i s 叠加分析，确定了每个火点的起火时间、起 火地点、所属地、肇事者、起数、起火原因、山火性质、过火面积、过火林地、树龄、树种、 过火株数、过火材积、烧死株数、烧死材积、经济损失、判刑( 年) 、判刑人次、拘留、拘留 人次、罚款、罚款人次、罚款总计、赔偿、赔偿人次、赔偿总计、补种、补种人次、补种总 计、查办人、火险等级、火灭时间、扑救情况等信息。 房山区消防队数据 房山区目前有1 9 支消防队，主要分布在山区，如图2 - 2 所示： 首都师范大学硕士学位论文w e b g i s 的位置服务在林火扑救上的应用 2 4 房山区现有硬件系统 图2 _ 2 房山区消防队分布图 房山区林业局多年来一直在森林防火工作上不断创新，投入了大笔经费给森林防火监测、 预报、发布、扑救决策等相关工作提供了必备的硬件环境。 2 4 1 气象观测系统 由于森林火险等级的预测预报工作与气象参数密不可分，为此房山区建立了森林防火自 动气象观测系统。该系统应用于自动气象站监测网进行实时的监控管理、数据传输、数据查 询等操作自动站监测网由一个分布在深山区远程自动气象站和设置在林业局的本地自动气 象站，由本地气象站作为中心站的数据采集、处理和监控系统构成。 6 个自动气象站子站( 包括远程站和本地站) 由气象要素传感器( 风速、风向、温度、雨 量等传感器) 、信号通信避雷器、数据采集器、电源充电变换器、蓄电池、调制解调器、机外 壳和机防辐射罩组成。自动气象站子站完成定时采集和存储气象要素数据。采集数据存储在 子站的存储器内。每套自动气象站内的存储器最多可以存储三到四天的观测数据。存储器存 满数据之后，再采集新的观测数据则自动覆盖最前面的数据。 自动站监测网中心站配备有一台主控计算机、一台调制解调器和一条电话线，中心站的 数据采集、处理和监控系统完成与子站观测数据的传输、存储和处理，取得相关的气象数据 和图表等。设置在中心站的自动气象站称为