林业科学  2002, Vol. 38 Issue (3): 114-119   PDF    
0

文章信息

王霓虹.
Wang Nihong.
基于WEB与3S技术的森林防火智能决策支持系统的研究
STUDIES ON A WEB AND 3S-BASED SUPPORTING SYSTEM FOR FOREST-FIRE PREVENTION INTELLIGENT DECISION
林业科学, 2002, 38(3): 114-119.
Scientia Silvae Sinicae, 2002, 38(3): 114-119.

文章历史

收稿日期:2002-02-01

作者相关文章

王霓虹

基于WEB与3S技术的森林防火智能决策支持系统的研究
王霓虹     
东北林业大学 哈尔滨 150040
摘要: 森林火灾的发生, 侵吞了大片林木, 对人类的生命财产、地球资源及生态环境造成了巨大的危害, 因此森林防火的理论与实践的研究一直是人们关注的重要课题。本文结合笔者长期研究的科研项目, 介绍了森林防火技术应用的情况, 特别着重介绍了10多年来通过3个阶段在森林防火决策支持系统领域中所开展的研究和解决的技术问题, 诸如大区域范围系统的建立、自适应显示分辨率的处理、图型图像的有关处理技术、基于Web的信息发布、3S(GIS、RS、GPS)与DSS技术的应用等。随着现代计算机网络和3S等技术的不断发展及其应用的日趋广泛, 使森林防火技术的研究手段和方法发生了深刻变化, 这些高新技术的渗透将促进森林防火技术的应用逐步走向深入。
关键词: 森林防火    3S    WEB    DSS    计算机网络    应用    
STUDIES ON A WEB AND 3S-BASED SUPPORTING SYSTEM FOR FOREST-FIRE PREVENTION INTELLIGENT DECISION
Wang Nihong     
Northeast Forestry University Harbin 150040
Abstract: In the history of our earth, forest-fires have destroyed large areas of woodlands, doing great damages to environment, natural resources, other properties, and even human life, therefore, theories and practice in forest-fire prevention have always been the center of people's attention.This paper, in light of the author's perennial scientific research, introduced to the application of forest-fire prevention technology, espeically the extensive research on the supporting system for forest-fire prevention decision through technological problems solved during 3 stages within the recent decade.Examples were as follows :the establishment of large-area system, the operation of self-adapting display resolution, basic graphic processing techniques, Web-based bulletins, and applications of 3S(GIS, RS, GPS)and DSS.With the continuous development and extending application of high tech in networks and 3S, the research methodology for forest-fire prevention has changed a lot, thus the technical application will gradually be consolidated.
Key words: Forest-fire prevention    3S    WEB    DSS    Computer network    Application    

森林是人类赖以生存及社会发展最重要和不可缺少的资源之一。但是, 由于人们在社会活动中的某些失控及异常自然因素影响等原因, 森林火灾时有发生, 对人类的生命财产、地球资源及生态环境造成了巨大的危害。

森林防火的理论和实践的研究一直是伴随着林业的发展而形成一个专门的科学研究领域。当今世界科学技术的发展进入了一个崭新的阶段, 空间及遥感技术、计算机技术、通信与网络技术等高科技领域的迅猛发展, 使我们的社会进入了一个信息时代。与此同时, 全球性的生态环境、资源、可持续发展等成为人们最关注的热点, 所有这一切都对建立现代森林防火科技体系提出了新的要求。

我国森林防火系统的研究已卓有成效, 自黑龙江省大兴安岭1987-05-06大火后, 1989年末由国家计委、林业部和黑龙江省共同筹措资金3×107元, 建立了大兴安岭森林防火灭火研究专项基金; 同时得到加拿大赞助和世界银行贷款, 增加火灾管理及研究防火理论的资金投入。10多年来, 虽然世界森林火灾次数和受灾面积呈上升趋势, 但我国国有林地区的森林火灾次数及受灾面积却呈下降趋势, 防火工作已逐步由经验型向科学管理型转变, 如建立了卫星防火监测网; 开发了地理信息和资源信息系统; 开展了森林防火的内业建设, 重点进行火险预测预报系统、监测系统、林火跟踪定位系统、地理与资源信息系统、辅助决策系统、通讯信息系统等6个系统的现代化建设; 制定了全国森林火灾评估办法; 完成了全国森林火险等级区划; 试验和应用了飞机化学灭火; 生物防火等。

鉴于我国森林防火及研究的现状, 急需建立适合我国具体林区特点的、基于WEB的智能决策支持系统, 实现林火数据库、林火预报预防、林火蔓延模型、扑火指挥决策等方面的智能化、网络化管理, 以适应当今森林防火灭火的需要。

随着现代科技的发展, 人们不断地在森林防火研究中引进新的技术, 诸如DBMS(数据库管理系统)、GIS(地理信息系统)、RS(遥感)、GPS(全球定位系统)和DSS(决策支持系统)等。随着这些高科技知识的不断渗透和森林防火技术自身的发展, 在国内外已经推出一些比较成熟的森林防火决策支持系统。人们在作进一步研究的同时也逐渐地认识到如何把各个地区的多种信息, 诸如地形、地貌、植被、气象、扑火队伍、扑火设备等进行综合考虑, 对于森林防火的预测、预报以及在林火发生后的扑火决策中, 将起到相当重要的作用, 解决这个问题的重要手段就是引进现代化的通讯和网络技术。

在10多年前, 国内大多数的应用软件一般都是基于单机作业的, 随着局域网技术的逐渐推广, 人们开始在一些大、中型的应用软件中溶入网络技术, 以满足小范围计算机群体对数据的共享和通讯的需求。由于森林具有大面积覆盖范围的特点, 因此无论是对林火预报还是对扑火决策来说, 能够及时获取某个较大范围内的信息是具有重要意义的, 国际互联网技术解决了这个关键性问题。

1 黑龙江大兴安岭林区森林防火技术的研究与应用概况

黑龙江大兴安岭地区位于祖国最北部边疆, 是国家的重点林区之一, 素有林海之称。境内有10个林业局, 1个国家级自然保护区和6个地方国营林场, 地区总面积8.38×106 hm2。全区森林覆盖率为74.24%, 1987-05-06, 在其北部林区发生特大森林火灾。连续燃烧27 d, 过火面积为133×104 hm2, 火烧有林地面积87×104 hm2, 烧掉4个林业局址、9个林场, 5×104人无家可归, 烧死、烧伤数百人。烧毁4个半贮木场, 烧毁商品材85×104 m3, 直接经济损失高达6×108元人民币, 损失惨重。

早在1982年本课题组就开始对大兴安岭地区林火发生预报作了基础性研究(郑焕能等, 1988)。自1989年起对黑龙江大兴安岭地区的森林防火工作做了比较系统地分析与研究, 共分3个阶段进行:

第1阶段研究的内容及其成果有火险预报、火点定位及火场状态图形显示等林火管理与辅助决策指挥系统, 并推广到黑河地区防火中心, 已取得了良好的经济效益, 现阶段黑龙江省大兴安岭地区防火部仍在使用该系统的部分功能。

第2阶段研究的内容及其成果是利用国家森林防火灭火专项基金开发的基于GIS(Geographies Information System)作为地理信息源的视窗环境软件系统, 包含林火蔓延、火强度、火场修正、火灾损失预评估等基本功能。

第3阶段在前面研究的基础上, 将其研究成果进行完善和推广, 在此期间着重把研究成果从试验环境移植到应用环境, 使其更加完善、实用。随着GPS技术的逐步推广, 项目还增加了采用GPS技术对火场的实时修正, 即当火场发生时, 在现场用GPS采集火场周边的经纬度, 把采集的数据传给防火指挥部, 再对火场蔓延作出新的预报。研究开发的“林火数据库与辅助决策系统”目前正在大兴安岭应用。

2 解决的技术问题

林火数据管理具有很强的地理空间特性, 诸如包括2维和3维的行政区划、道路、河流、可燃物、高程、坡度、坡向、公里格网地理专题图层等。因此, 对图形、图像的研究和处理是该项研究中一个重要问题, 也是技术难度比较大的一个分支。我们在多年的研究过程中对此积累了一些经验, 解决了一些技术问题, 探索出一个比较成功的思路。

2.1 解决的关键技术

在林火管理领域实现了大区域的地理信息系统、空间数据库及辅助决策一体化的系统。为在我国建立现代化林火管理体系做出了一成功的范例。

在建立大区域空间数据库过程中, 提出和使用区域框架结构的技术方法, 在地理信息系统应用领域具有较重要的理论和实践价值。我们按照国际地图科学组织统一规定, 1级框架是1:100×104地形图, 其覆盖面积是以纬度4°差及经度6°差的间隔纵横交错分割形成的区域为一个地图分幅, 黑龙江大兴安岭地区位于4个1:100×104图幅的区域框架之内, 分别是N-51、N-52、M-51和M-52;1:10×104地形图是按纬度差20′经度差30′为间隔的, 每144个1:10×104的图构成一个1级框架。

课题组自行研制的面向林火管理问题的地理信息系统(FMGIS), 除了具有与商品化GIS软件相同的数据处理及空间分析功能, 而且不存在不知道数据结构的问题, 因此所研制的GIS外壳(系统工具)、林火管理数据库及辅助决策模型实现了无“缝隙”连结, 形成了一体化的林火管理系统。在所研制的GIS系统工具支持下, 建立了大兴安岭林火管理空间数据库, 贮存了纬度8°差, 经度12°差, 近8.4×104 km2面积的森林、地理、人文等12个图层、3种比例尺(1:10×104, 1:50×104, 1:100×104)的地图数据(分别描述林场、林业局和地区), 在林火管理决策与查询方面提供了坚实的基础。

由于现行的一些数据是通过实地调查取得的, 而这些数据的再调查往往需要较长时间, 在这个时间间隔期由于人为(如采伐)、自然(火灾、病虫害等)等因素特别与林火预报预测和辅助决策息息相关的植被等发生一些变化, 我们采用遥感技术对卫星图片作适当的处理, 采用ERDAS IMAGINE软件处理, 先生成ArcInfo数据结构的Coverage文件, 再转换成我们所需要的数据, 例如对松岭林业局的砍都河林场, 把1988年的人工调查数据更新为1998年的数据, 这样定期或不定期地对某些数据进行更新, 保证了数据的真实性和准确性。

2.2 自适应显示分辨率技术的实现 2.2.1 问题的提出

由于硬件环境的现实情况, 用户往往希望一套软件要能够适应不同的显示分辨率, 如背投式大屏幕, 其物理分辨率最低的只有640×480。由于系统在运行过程中含有大量的图形处理, 如果采用640×480的分辨率, 这将在高分辨率的显示器上大大降低图形的显示效果, 为此提出了一个自适应显示分辨率的处理技术问题。

2.2.2 解决的办法

按传统方法是依照不同的分辨率编制几套程序, 但是其工作量太大, 而且牵一发动全身, 这将存在相当大的隐患; 若通过特殊的硬件来实现, 即以较高的分辨率为基准(如1024×768)来设计, 需在连接背投式大屏幕和低分辨率显示器的机器上加插一块数据转接卡, 经实地考查其开销大且效果并不佳。通过摸索找到了一个免费的Visual Basic控件Resize OCX, 这个控件就是能够对显示的尺寸进行重新定义, 经多次试验证明Resize OCX能完全满足我们这个课题的需求, 同样也适合于大多数的各种情况。

具体实现方法为:Resize OCX用在Visual Basic 4.0及其以上版本, 使用起来比较简单, 只要把相应的模块(Resize 16.OCX或Resize 32.OCX)拷贝到系统安装目录的system或拷贝到与表单同目录下, 然后在Visual Basic的主菜单上选“工程”→“部件”, 再在控件页框上选中“Larcom and Young Resize Custom Control”(也可通过“浏览”来选择), 确认后便在“工具箱”中出现Resize的小图标, 用鼠标点击Resize图标, 再在表单上添加该控件即可, 而不必修改程序。它不仅可改变表单的大小而且对表单上的所有控件都能自动改变, 如果把Resize控件的Auto Center Form On Load的属性设为.T., 则在表单显示时自动把其放置在屏幕的中央, 经我们多次测试对640×480、800×600、1024×768、1280×1024和1600×1200都能适用, 的确是一个十分优秀的实用工具。

2.3 图型图像的基本处理技术

现代的“森林防火辅助决策”大多是借助于GIS技术来进行地图数据的管理, 图形处理的技术是必不可少的, 目前有成熟的商品化的图形处理软件, 但还存在一些问题:一是这些图形软件往往操作比较复杂难学; 二是他们不能够嵌入到我们的防火系统中来, 要想解决二者之间的衔接也很困难; 若是借助于Windows的API(Application Programming Interface)开发一个图形处理小软件包, 难度相当大(刘庆照等, 1990), 经过摸索发现了一个由Control Data Techniques公司开发的称为ImageMan的VBX控件, 经过反复试验其效果非常好, 可满足大多数应用程序中图像处理的要求, 它可嵌入到应用程序中实现与程序数据的无缝连接(王霓虹, 2000)。

具体实现方法:

安装:Image Man Version 5.00约3.5MB, 执行setup.exe并按其揭示操作就可以完成安装。

调入方法:类同Resize, 但在“部件”→“控件页框”上应选用“ImageMan Control”。

支持的图像文件格式有BMP、DXF、GIF、JPG、PCX、TIFF和WMF等15种。

属性:下面的ImageManl表示ImageMan的控件名, 这里仅列出主要的几个属性:

ImageControl.hDC                                返回Windows设备句柄;

ImageManl.Brightness=n1                   调整图像亮度的百分比, 其中:n1是整型数, 正数表示加大亮度, 负数表示减小亮度;

ImageManl.Invert=1                             图像颜色反转;

ImageManl.Mirror Horizontal               图像作水平镜向;

ImageManl.Mirror Vertical                    图像作垂直镜向;

ImageManl.Picture=file_name              调入一幅新的图像, 如file_name为空则清内容;

ImageManl.SaveAs=file_name              保存当前图像;

ImageManl.Rotate=n1                          对当前图像作旋转, 其中:n1是整型数, 表示旋转的角度, 其值在0 ~ 360之间;

ImageManl.Select=True|False               允许或禁止屏幕截取, 当允许时可拖拉鼠标的矩形框来选取。

扫描图像:ImageMan也附带一个图像扫描控件, 要使用扫描图像功能, 需要添加一个部件, 同样在“部件”→控件页框上选用“ImageMan Twain OLE Control module”, 再把这控件添加到表单上, 需要扫描时使Tainl.ScanCommand=2即可开始扫描, 扫描结果可保存或直接送到ImageMan控件中去处理。

3 目前的研究

如前所述, 通过3个阶段的研究过程, 已经基本完成了黑龙江大兴安岭地区的森林防火决策支持系统的研究, 之后的研究工作有两项:一是扩大推广地域, 即逐步向南部地区推广, 这就需要进一步作大面积的调研和测试, 得出多套预报、预防和辅助决策模型, 以满足我国不同地域、不同气象和不同林相的要求; 二是把目前基于局域网环境的软件系统移植到基于互联网(Web)环境下。需解决基于Web环境的如下一些具体问题:

在第3阶段中, 我们完成的虽然是基于局域网的环境, 实际上已经对基于Web的环境作了一些相应的基础性工作。如在硬件配置方面有专用网络服务器和远程拨号服务器等; 软件方面采用MS Windows NT和MS Internet Information Sever(IIS), 指挥中心可以通过互联网络连接到国家防火办的内部网, 随时获取其提供的卫星图片; 通过电话专线连接到地区气象局获取卫星云图以及气象信息; 通过远程拨号服务器连接各个林业局气象台、站, 获取各气象台、站的气象信息; 在地区防火中心的指挥科配有背投式大屏幕投影仪, 利用本系统和网络资源就可进行电子决策会议, 总指挥通过大屏幕与专家共同决策进行指挥, 现场扑火指挥和各林业局领导可通过网络或GPS设备, 现场实时的报道火场附近状况, 提出决策意见和扑火方案, 如图 1所示(陈开元, 1999)。

图 1 森林防火决策支持系统示意图 Fig. 1 Schematic diagram of supporting system for forest-fire prevention clecision

由此可见, 前期研究已为Web环境作了充分的准备工作, 而后主要解决基于Web环境下的数据发布。研究将开发环境升级为Visual Basic 6.0, 可以编写服务器端的Internet应用程序, 以响应来自浏览器用户的请求; 数据库由Visual Foxpro 5.0改为SQL Server 7.0或Oracle9i, 地理信息系统平台为ARC INFO 8.1, 以更好地适应于Web的要求和进一步开发的需求, 其开发工具采用Delphi 5.0, 它可开发出真正面向对象的Web上的应用程序, 也满足对多种数据库的连接。

课题的成果采用Web环境发布具有较大意义, 因为在局域网环境下, 使用范围受到限制, 而Web技术则可以扩大到全球范围; 再就是避免了Client/Server环境下每个客户端必须安装客户端软件的麻烦; 在数据共享和分布等方面Web环境更是具有极大的优势, 它可以把海量数据按照一定的规律分别存放在不同的地区和多个服务器内, 为大范围的开发奠定坚实的基础。

所谓决策过程是人们为实现一定目标而制定研究方案, 并准备组织实施的研究过程, 这个过程也是一个提出问题、分析问题、解决问题的过程, 通常所说的科学决策过程的研究对象就是包括了这3个阶段, DSS(Decision Support System)不能完全取代决策者, 只能是作为决策者的辅助与支持, 它的基本部件由5个部分组成:人机接口, 数据库, 模型库, 知识库和方法库。我们可以根据支持水平来划分功能的类型:①信息服务:它又可以分为外部服务和内部服务两大类。外部服务主要是指为决策者提供所需要的信息, 也可以作为其他系统的信息资源; 内部服务是为其他功能的现实提供基础数据。②科学计算:信息服务要为科学计算提供支持, 一般认为具有科学计算功能的DSS等级高一些。在DSS中的科学计算是指在辅助决策时进行的必要的计算, 这种计算模型不追求复杂性, 而注意用户的参与和选择, 因此, 在实现计算功能时, 人机对话十分重要。③决策咨询:在科学计算的基础上, 增加知识和推理的功能后, 就可以对决策起进一步的支持作用, 为了强化决策咨询的功能, 有时可为DSS开发一个准专家系统。④人工智能:具有人工智能的支持功能是最理想的DSS, 它追求的目标主要是人和机器充分的交互, 达到共同协作完成决策任务, 具有智能的DSS可以认为达到了最高的支持水平。研究的初步工作是对林火预报预测及辅助决策模型中的一些参数做自动的修正, 即把与其相关的预报和实测的数据保存下来, 经过一定时期的积累, 通过预报和实测之间的误差, 修正各模型参数。

研究开发的DSS系统已经具备以上所述的信息服务、科学计算和决策咨询3项功能, 其中在火场蔓延方面有林火蔓延模型、火强度模型、GPS火场修正模型; 损失预评方面有火灾损失预评估模型、火灾损失实评估模型。通过一段时间的运行以后, 可以获得关于火场蔓延和火灾损失评估的预报值和实际值的数据, 我们将利用这些数据进行对有关模型及其参数的修正, 也就是说应增加一个对某些模型修正的模型, 逐步达到具有人工智能功能的DSS。

4 小结

本文介绍了课题组在森林防火理论和实践中所作的一些研究, 包括在研究森林防火、DSS和GIS理论基础上建立的森林防火决策支持系统, 该项研究是东北林业大学与黑龙江大兴安岭防火指挥中心10多年来合作的项目, 通过3个阶段的研究和应用, 该系统已经基本成型, 它包含了森林防火灭火系统中的地形图的建立、防火机构、历史火灾和各种代码等数据库的建立与维护、火点定位、火场蔓延、派兵扑火、清理看守火场和损失评估等模型的建立, 与上下级单位的数据交换, 在火灾发生前可作出林火预报和预防; 当林火发生时, 可模拟林火的蔓延, 并提供火场定位、派兵、扑火、清理火场、看守火场等辅助决策方案, 为指挥员作出正确决策提供参考; 火灾发生后可作出火灾损失评估。因此该系统具有一定的理论研究水平和实际应用的水平。

随着3S技术、DSS技术、计算机应用技术、通信科学与网络技术等高科技领域技术的迅猛发展, 也必然促使森林防火理论与实践的研究迈上一个新台阶。与此同时, 环境与资源的可持续发展思想已成为21世纪人类社会议程的核心。所有这一切都为建立现代森林防火科学体系提出新的要求。因此, 实时地、动态地、科学准确地预测森林火灾及其决策支持理论与实践的研究势在必行。

目前, 课题组正结合在研的黑龙江省重点科技攻关项目, 充分利用现代网络技术、3S技术、多媒体技术、人工智能技术、人工神经网络理论、面向应用领域的数据库新技术、灰色理论及其控制理论等高新技术和理论, 研究“基于WEB的森林防火智能决策支持系统”, 使该项研究可在互联网上实现运行和信息传输, 并在运行过程中自动优化系统参数和自动修正模型参数, 形成扑火指挥决策支持专家系统, 实现系统实时地、动态地、准确地预测森林火灾, 避免或减少火灾的发生次数, 使林火管理沿着智能化、网络化、数字化方向发展。

参考文献(References)
陈开元.DSS在林业安全工程中的应用.硕士学位论文, 哈尔滨: 东北林业大学出版社, 1999, 49~51
陈述彭, 鲁学军, 周成虎. 2000. 地理信息系统导论. 北京: 科学出版社, 156-162.
陈文伟. 1994. 决策支持系统及其开发. 北京: 清华大学出版社, 10.
寇纪淞. 1993. DSS的发展与多媒体技术. 决策与决策支持系统, 3(3): 253-262.
刘庆照, 王灵哲, 刘森仁, 等. 1990. 林火管理系统中图形显示的研究. 森林防火, 1: 1-3.
王霓虹. 2000. 林火数据库与辅助决策系统中的计算机屏幕图形与图象处理技术. 森林防火, 1: 44-45.
武红敢. 1998. " 3S"技术在美国林业研究中的最新进展及其应用. 世界林业研究, 11(3): 52-57.
郑焕能, 葛学林, 胡海清, 等. 2000. 中国东北林火. 哈尔滨: 东北林业大学出版社, 201-208.
郑焕能, 陈华豪, 刘庆照. 1988. 林地燃烧性的分类研究. 林业科学, 24(1): 94-100.
Burrough P A. 1986. Principles of geographical information system for land resources assessment. Oxford: Oxford University Press, 170-173.
Chneider H J, et al. 1988. 基于知识的决策支持系统. 计算机科学, (2): 9-15.
Keen P G W.Decision Support Systems: The next decision support system VOL.1987(3): 253~265