随着新农村建设和农业振兴战略的全面实施，农村地区的基础设施条件有了很大改观，但中国农村的防灾减灾工作一直是脱贫致富过程中的短板。在农村经济向市场经济过渡的新形势下，农村消防的不协调、不配套、不完善问题日趋严重^[1]。广大乡村缺乏总体防灾规划，日常检查和监管难以全面覆盖，政府正规消防救援力量鞭长莫及。对此，各地推进多种形式的乡镇消防组织建设，提升自防自救能力，为扩大乡村火灾防控网络发挥了积极作用^[2]。然而，在工作实践中也遇到了诸如乡村基层工作依赖主观经验，缺乏有效的数据和信息分析；上级部门缺乏有效的监督、指导和检查手段；防灾物资和装备器材档案不完善，信息共享困难；人员技能培训不足、不熟悉地形环境、缺乏应急指挥决策支持等问题。当前农村消防工作的信息化仍处于空白。2019年中央一号文件提出“加快建设信息化、智能化农村社会治安防控体系”^[3]，乡村防灾减灾信息化则是其中重要的组成部分。

本文通过开展地理信息技术、数据信息管理及可视化技术在消防领域的应用研究，设计开发适合乡村地区的消防信息系统软件，以期为乡村的消防规划、日常巡查管理、应急指挥决策等提供信息化技术支持。

1 乡村消防信息系统总体设计

乡村消防信息系统组成框架见图 1。该系统在功能设计上涵盖了乡村防火规划、消防设施布局评价、日常值班巡查记录、物资档案管理、空间数据查询分析、应急指挥调度演练全过程。其中，消防规划评价模块通过建立由一系列量化指标组成的火灾风险评价模型对场所选址的安全性和消防配套设施的有效性进行计算^[4]；日常消防管理模块通过备勤值班记录功能、火灾隐患治理登记功能、防灾物资和装备台帐功能，建立区域内乡镇统一管理的消防信息数据库系统和远程监管系统；消防演练和决策辅助模块提供用于指挥调度的查询和空间分析工具。在决策分析中，针对各乡村基层消防组织在消防员队伍、物资装备，以及各地区基础设施条件上存在的差异，系统在区域消防评估算法中自动将这部分信息量化成专项指标和权重值，并在消防救援有效范围计算、供/取水方案优化和救援路线分析结果中加以体现。

该系统在开源三维GIS引擎的基础上进行设计，实现高效空间索引。在数据模型结构上，将基础空间环境数据与村镇区域消防数据、道路网络数据及其附加属性数据等组织成多种数据对象类型进行统一管理。村镇区域消防数据结构见图 2。

在空间场景组织上，空间数据采用分层结构实现调用管理。各数据层由下至上为地形层、遥感影像层、土地类型层、河湖水系层、乡镇区划层、村庄区划层、区组层、道路网络层、建筑场所层、供水点层、消防设施层、消防站点层。

2 乡村消防信息系统开发应用 2.1 系统开发

系统采用G/S(geographic information browser/distributed spatial data servers)模式进行开发^[5]。利用基于Web图形库(Web graphics library, WebGL)技术和移动端技术^{[6, 7]}将系统部署在后台服务器、个人计算机(personal computer, PC)端浏览器或移动端上。通过公开源数据快速获取90 m分辨率地形源数据和卫星影像数据，建立基础场景^[8]。在此基础上创建三维地物模型、空间路网模型，并导入各个空间对象附带的属性信息。本文采用按层次包围体的对象分割与八叉树规则分割结合的组合索引机制^[9]对农村地区海量、异构的空间数据进行有效组织管理，实现高效的三维空间索引。该系统实现了二维地图和三维场景数据的同步检索和更新。

作为系统的核心功能，空间数据分析技术可从以下几个方面实现在乡村防灾上的应用：

1) 缓冲区分析。空间缓冲区分析自动计算地物外扩影响区域的范围，可应用在消火栓保护半径计算、危险源影响范围分析、确定防火间距、防火隔离带宽度计算等防火量化评价中。系统在缓冲区分析基本算法上加入了地势条件、主导风向、人群聚居区、林区等代表场量和环境因素影响的指标和权重，使评价结果更能适应乡村防灾规划的要求。

2) 最近设施分析。最近设施分析可以自动确定周边所有可用条件，给出最优选项，为消防指挥决策提供帮助。例如，在场景中自动查询计算距离起火点最近的消防设施，查询消防车附近的水源点等。

3) 最短路径分析。通过最短路径分析算法可快速计算出到达火场的最优路径(不仅是距离最短)，并估算到达时间，如图 3所示。由于农村地区的道路和取水条件差异较大，且各地乡镇消防队配备的消防车辆和装备无法统一，因此在救援路径算法中需要加入乡村道路类型、道路坡度、车辆装备可达性等级、爬升高度等因素建立道路阻力因子指标体系，用于路径计算综合评价^[10]，得到与救援条件对应的最优路线。

4) 服务范围分析。通过计算以某设施为源点在一定时间或距离内所能到达的有效区域范围，为优化消防设施布局提供依据。这些设施可以是消防站、救护站、水源点等，例如，确定某个乡镇现有的消防设施在给定路径网络条件下所能到达的最大区域，由此可以对现有消防设施分布的有效性和合理性进行分析，确定需要重点补充加强的区域。

5) 三维场景模拟。通过三维场景功能，实现了仿真互动场景下的乡村灭火指挥决策演练。根据设定的火场位置、消防站点布局、道路等条件，系统自动计算出警优化路线，给出火场可供布置阵地的方案。在仿真场景下引导灭火力量到达火场并出水灭火。根据设定的火灾持续时间，系统计算出就近可用灭火水源水量的供取水方案，直至火灾被扑灭，如图 4所示。进一步结合GPS & GSM(Globa positioning system & global system for mobile)技术系统接入人员、车辆卫星定位数据，可实现消防车辆的动态跟踪、导航和时间预测，从而为应急指挥和实时调度提供支持。

2.2 系统应用

该系统已经在某村镇试点项目中进行了部署和应用。系统采用最新的地物数据为农村基层消防组织建立起二/三维统一的空间信息场景和消防地理数据平台。利用系统进行灭火救援模拟演练操作，使乡村消防人员直观地了解到了接警、出警到灭火救援的应急指挥流程。该系统为乡村基层消防组织开展防灾档案和记录的信息化管理，人员培训，地理环境和地物信息的仿真浏览，消防设施和重点场所分布的可视化查询等提供了支持。

3 结束语

本文在GIS空间数据组织管理和分析功能的基础上进行二次开发，设计了乡村消防信息系统。该系统结合了三维场景可视化、移动定位等多种技术，能够在消防布局规划、火灾风险评价、值班巡查、风险隐患管理、空间信息查询统计、信息融合共享、指挥调度演练等多方面发挥作用。