基于3S技术的森林防火规划制图过程研究

编者语： 本文基于 3S （ RS 、 GIS 、 GPS ）技术制作森林防火规划图，实然是运用奥维地图、 ArcGis 相关软件结合林地踏勘相关基础知识绘制的一幅专题图，内外业工作以及卫星遥感图结合少量实地调查是我们现今可以学习借鉴的模式…… 

摘 要

为优化森林防火规划制图过程，保证森林防火规划编制工作的高效持续开展，在总结传统规划制图过程不足的基础上，提出基于谷歌地球、奥维互动地图、 ArcMap 等 3S 技术软件的规划制图过程，实现高效、精准、常态化的数据采集及规划设计模式。基于 3S 技术的制图过程应遵循资料收集、底图准备、野外调查、外业数据导出及分析设计、数据统计、制图输出等步骤。为促进森林防火工程项目的有效开展和森林防火编制规划工作的可持续进行，应加强全国森林防火基础数据库的标准化建设并注重及时更新，综合利用国内各种遥感信息源。

关键词

森林防火规划 ; 制图过程 ;3S 技术 ; 谷歌地球 ; 奥维互动地图 ; ArcMap

受全球气候变暖和极端天气增多的影响，世界各地的森林火灾呈现高发态势。为了积极应对严峻的森林防火形势，巩固上一阶段森林防火工作建设成果，全面提升我国森林火灾综合防控能力，国家林业局组织编制了 《全国森林防火规划 (2016 — 2025 年 ) 》 ( 以下简称《规划》 ) 。《规划》中提出，“未来 10 年，我国规划投资 450. 95 亿元，重点实施林火预警监测系统、通信和信息指挥系统、森林消防队伍能力、森林航空消防、林火阻隔系统、森林防火应急道路 六大建设任务 ” ^[1] 。在《规划》指导下，各级林业主管部门正积极组织编制本地区的森林防火规划，分解落实各项重点工程建设任务。

编制森林防火规划是全面提升我国森林火灾综合防控能力的重要措施，森林防火规划制图则是规划编制工作的基础过程和重要依据。森林防火规划编制工作主要遵循资料收集、实地调查、规划设计和专家评审等步骤 ^[2] 。规划成果应包括规划说明文本、防火措施统计和资金投入概算表以及森林防火规划图三大部分 ^[3] 。其中森林防火规划图的制作贯穿了整个规划编制过程，是设计各项防火措施数量和资金概算表格的数据来源，图面直观体现了规划说明文本中拟定建设的森林防火基础设施规划数量及分布地点。科学合理、规范高效的森林防火规划制图是精准落实森林防火工程项目的有力保障，是分步建设各项森林防火基础设施的重要依据。现有关于森林防火规划方面的研究比较注重规划编制内容及方法的宏观分析 ^[2-4] ，而缺乏对规划制图的过程研究。本文通过分析传统森林防火规划制图过程中存在的问题，提出基于 3S 技术的规划制图流程，为森林防火规划编制工作的高效持续开展提供借鉴。

1 传统制图过程中存在的问题

传统森林防火规划制图实施过程如图 1 所示。

1. 1 地形图老旧，时效性差

外业调查通常采用纸质地形图 ( 1 ∶ 10 000 比例尺为主 ) 和手持 GPS 采点相结合的标绘记录方式。利用地形图进行实地调查主要依赖调查者的用图经验和识图能力。由林业相关部门提供的地形图成图时间较早 ( 通常为十几年前的测绘成果 ) ，在野外与现地对照时无法体现近几年发生变化的地形，因此加大了外业调查人员在野外识别地物和寻找路线的难度。如果购置较新的地形图，则审核周期长且花费成本高。

1. 2 外业调查操作不便

由于地形图的图幅限制，在进行外业调查前需要将规划区多幅地形图进行裁剪、拼接后折叠使用。拼接后的地形图往往体积较大，使用铅笔在地形图上勾绘时操作不便，精度不高且勾绘失误后不方便修改。使用时要注意防水，防止图纸受潮破损。在外业调查过程中还要避开人群，严格防止国家秘密基础测绘成果的泄密。

1. 3 内业重复标绘，费时费力

内外业数据无法同步，造成重复标绘工作繁琐、效率低下且精度欠佳。外业调查工作完成后需要将在纸质地形图上标绘的成果数据矢量化到电子平台上。 电子底图 根据规划区范围大小及资料收集情况的不同，可选取高分辨率遥感影像或数字化地形图，内外业工作底图不统一时绘制的调查结果会产生坐标位移。

1. 4 手持 GPS 仪辅助调查结果的不确定性

调查时为提高数据精度，需携带手持 GPS 仪记录辅助定位数据。受出厂性能和地形因素等条件的影响，部分手持 GPS 仪存在信号不稳定、定位精度不高、数据不能导出到电脑端等问题。 GPS 使用时需定义为与规划底图相一致的坐标系统，在未正确定义坐标系统的情况下会导致测量结果发生位置偏移，同一点的坐标可能会有几十米甚至上百米的差异 ^[5] 。

1. 5 规划主观性较强

在野外调查中获取实地已有森林防火基础设施的位置和数量后，结合对现有资料、相关标准、规划区和国内外森林火灾预防和扑救工作建议的综合分析进行规划设计 ^[2-4] 。在规划制图过程中以主观经验为主，缺乏定量化分析。

2 基于 3S 技术的规划制图过程

3S 技术是遥感技术 ( Remote sensing ， RS) 、地理信息系统 ( Geography informationsystems ， GIS) 和全球定位系统 ( Global positioningsystems ， GPS) 的统称。随着 3S 技术的不断发展与综合应用，已开发出多种功能强大的 3S 技术集成应用软件。本文提出使用 Google Earth 提供的遥感数据源作为底图，结合奥维互动地图 app 进行野外调查，通过 ArcMap 软件平台的 GIS 空间分析和制图功能进行森林防火规划制图的过程。该方法能够有效提高森林防火规划制图的工作效率、节约设计成本、提高设计成果质量和精度、减少外业工作量。

2. 1 软件介绍

谷歌地球 ( Google Earth ，简称 GE) 是美国 Google 公司开发的虚拟地球软件，它把遥感影像和各种地理信息布置在一个地球三维模型上，用户可以通过软件客户端免费浏览全球各地不同时间段的高分辨率遥感影像。这些影像主要来源于 Digital Globe 、 Earth Sat 、 Blue Sky 、 Sanborn 等公司提供的卫星影像与航空摄影数据的整合。 Google 公司一直积极地对其全球影像数据库进行更新，目前在中国大部分地区已经更新为最近 1 年的影像数据。目前国内市场上存在如 BIGE MAP 、 91 卫图助手等谷歌地图下载器，能够实现对谷歌地球高清、海量、无偏移影像数据的下载，已广泛应用于森林资源规划设计调查、森林消防管理等工作中 ^[6] 。

奥维互动地图 是由北京元生华网公司开发的基于 Google API 、百度 API 、搜狗 API 的跨平台地图浏览器，同时支持多种知名地图，拥有强大的设计功能

与地理信息展现技术，可满足森林防火规划外业数据采集的需求。同时支持多种矢量数据格式，能够进行离线地图数据管理，支持多种坐标系并提供信息检索功能等。在电脑端的各种地理规划设计可以快速同步到手机平台上，在移动端现场采集到的数据也可快速同步到电脑上 ^[7] 。

ArcMap 是 ArcGIS 桌面软件的主要应用程序，拥有地图显示、编辑、查询和分析等模块，包含着一套功能强大的专业制图和编辑系统，既是对象编辑器，又是数据表生成器。在 ArcMap 中可以进行点、线、面等图层的编辑操作 ^[8] ，也可以打印或输出各种地理信息地图，还可以进行空间分析等。

2. 2 制图过程

基于 3S 技术的森林防火规划制图实施过程如

图 2 所示。

2. 2. 1 资料收集

除规划区基本情况和图面材料外，重点收集 森林防火基础地理信息数据 ，主要包括 重点火险区 、 矢量化地形图 、 森林资源分布 、 已有森林防火基础设施 等矢量数据。目前许多省市在加强森林防火信息指挥系统建设时都研发了具有地理信息、业务管理、辅助决策等综合功能的森林防火地理信息系统。 系统数据库 包含小班信息、森林防火基础设施、重点保护设施、防火队伍、交通路网、影像底图等丰富的数据图层（图 3 ）。在实际调查中发现，由于基层防火部门资金和技术条件的限制，已经建成的森林防火地理信息系统利用率低，数据库得不到及时有效的更新。用 ArcMap 软件分析收集到的矢量数据图层，将已有森林防火基础设施数据转换成 kml 格式并导入奥维互动地图手机端中。

2. 2. 2 底图准备

奥维互动地图集成有 Google 地图与卫星图、 Bing 卫星图、百度地图、搜狗地图等多种知名地图，其中谷歌地球提供的卫星图未经过彩色增强处理，显示时更接近地物原本的真实颜色，因而不及其他地图色彩鲜艳，但谷歌卫星图的数据更新速度最快，能够显示近期林区内基础设施的发展变化，是用作森林防火规划底图的最佳选择。 外业调查前在奥维互动地图手机端下载离线谷歌卫星图以保障影像在林区内的流畅显示，利用电脑端的地图下载器下载相同的影像图作为规划底图。

2. 2. 3 野外调查

实地调查时选取合适的调查路线，利用智能手机上的奥维互动地图软件即可展开调查。软件采用手机运营商基站结合手机 GPS 定位，借助电子罗盘仪作为辅助工具，调查者可以将实地情况与卫星图对照，做到实时精准定位且信号稳定不易丢失，并且能够自动记录调查路线轨迹。操作介质为智能手机，携带方便且触屏勾绘直接精准，如操作有误，更改简易 ^[7] 。奥维地图提供常用的矢量数据编辑工具，可以直接在谷歌卫星底图上选择不同符号区分表示各种点、线、面状图层并储存基础设施的多种属性信息，如绘制线状图层 ( 如林区道路、林火阻隔带等 ) 时能够实时显示对象的长度。软件操作界面如图 4 所示。

2. 2. 4 外业数据导出及分析设计

将外业数据导出为 kml 格式并发送到电脑端。调查数据可以与 ArcMap 软件无缝对接，无需繁琐的数据矢量化工作。在 ArcMap 中转换格式后打开，添加已有矢量数据及谷歌卫星底图。综合利用 GIS 的空间分析功能，结合相关标准为森林防火规划做出科学合理的辅助决策。目前 GIS 在森林防火规划设计方面的应用范围非常广泛，例如，耿艳辉等 ^[9] 利用 GIS 的空间分析功能，依据相关的林区道路建设标准，对广州市白云区下属开发区的林区防火道路进行设计，指导当地的路网规划建设工作。唐伟 ^[10] 在综合考虑可燃物、森林潜在火行为、地理和自然条件、防火树种与造林技术等因素的基础上，利用 GIS 平台对北京西山林场生物防火林带的空间格局进行优化布置。许水燕 ^[11] 指出，利用栅格数据邻域分析方法可以从 DEM 数据中提取山顶点，通过可视域分析计算出森林防火监测系统的瞭望覆盖率，从而实现系统监测点的科学规划和合理布局。

2. 2. 5 数据统计，制图输出

对于部分基层林业或森林防火部门来说，由于缺乏专业软件应用技能，制图技术水平有限，在进行日常工程建设规划布局时通常利用谷歌地球截图作为底图，在 Photoshop 等绘图软件上进行绘图，操作较繁琐且不能获取准确的地理位置及属性信息，无法结合空间分析等数据挖掘技术进行辅助规划设计。依据 GIS 空间分析结果及标准要求完成规划设计后，在 ArcMap 软件建立的数据库中分图层统计各种防火设施规划建设的数量，根据需要输出高分辨率的森林防火基础设施单项规划图及规划综合一览图。

3 结语

随着科学技术的发展，利用 3S 技术结合少量的地面调查，已成为森林防火规划制图的主要发展方向。 3S 技术能够显著提高森林防火规划外业调查工作效率，简化设计流程并增强规划的科学性。从基于 3S 技术的规划制图过程中可见，森林防火基础数据的获取和分析是森林防火规划制图的核心环节。《规划》中提出，要加强森林防火基础数据库、空间地理数据库和遥感影像数据库等建设，构建全国统一的森林防火大数据平台 ^[1] 。为保证森林防火工程项目的有效开展与规划编制工作的可持续进行，应建立健全森林防火基础数据库并注重数据库的维护与动态更新，从而及时地把握森林防火工程项目的实施进度。此外，文中提出的规划制图过程主要依靠国外的谷歌卫星图作为遥感数据源。在我国航天遥感事业飞速发展的今天，应深入挖掘国内遥感数据源在森林防火方面的应用潜力，在建设森林防火地理信息系统时广泛采用国产高分辨率遥感卫星数据、航空摄影测量飞机及无人机航拍数据，减弱对国外数据产品的依赖性。

参考文献 :

[1] 刘慎元，范鲁安，刘萌 . 全国森林防火规划 ( 2016 — 2025 年 ) 出台［ J ］ . 中南林业科技大学学报， 2017 ， 37( 3) :2 － 129.

[2] 吕守高，曹冠武 . 如何编制森林防火规划［ J ］ . 河南林业， 1991( 3) : 22 － 24.

[3] 王东亮 . 浅议森林防火总体规划的制定［ J ］ . 森林防火， 2015( 3) : 27 － 29.

[4] 郑怀兵，彭徐剑，王蕾，等 . 森林防火规划编制分析［ J ］ . 广东林业科技， 2015 ， 31( 6) : 96 － 100.

[5] 张运生，张思玉 . 手持 GPS 在森林防火中的应用［ J ］ . 林业实用技术， 2010( 12) : 37 － 38.

[6] 谢春平 . 基于 Google Earth 的面积快速测量法［ J ］ . 湖北农业科学， 2011 ， 50( 7) : 1470 － 1472.

[7] 王江宇，吴沙，张智禹，等 . 奥维地图移动终端踏勘选线技术的研究与应用［ J ］ . 石化技术， 2016 ， 23( 6) : 115 － 116.

[8] 王景弟，戴成栋 . ArcMap 在森林经营制图中的应用［ J ］．湖南林业科技， 2013 ， 40( 6) : 53 － 57.

[9] 耿艳辉，葛俊涛，李明哲 . 基于 3S 技术的森林防火道路规划研究［ J ］ . 测绘与空间地理信息， 2011 ， 34( 3) : 171 － 173.

[10] 唐伟 . 北京西山林场生物防火隔离带规划与布局［ D ］．北京 : 中国林业科学研究院， 2012.

[11] 许水燕 . 基于 GIS 的森林防火监测系统的研究与实现［ D ］ . 南京 : 南京农业大学， 2010.