森林防火GIS解决方案.doc

图强地理信息技术有限公司
一、系统简介
    “森林防火地理信息系统”是集地理信息系统(GIS）技术、全球定位系统(GPS）技术、卫星遥感(RS）技术、现代通讯技术、计算机网络技术、多媒体数据库技术、实时监控技术、显示控制技术等高新技术于一体，具有数据输入、空间数据库管理、属性数据库联结、空间查询与分析、图形输出、专题图制作等功能,用于地理信息、资源信息管理和防火指挥、热点信息查询、防火设施、防火队伍管理、防火档案管理及应用的系统,其目的是提高扑火指挥的科学技术水平，达到火灾快速定位、快速部署指挥、快速汇报和管理方便、准确、直观的要求。它的建立使森林防火走向了一个崭新的阶段，它能够为森林防火信息的获取、管理和查询、检索等提供方便、快捷的工具和支持。地理信息系统不仅为森林防火的日常管理提供服务，而且一旦当森林火灾发生时，保证森林火警的接、处警的快速响应，实现森林火灾的快速定位，及时了解详实的火场及其周围的地理和资源环境，在辅助决策系统的支持下,制定合理的扑火方案，实现扑火力量的最优配置，缩短扑火出动时间,提高扑火效率，把森林火灾造成的损失尽可能地减少到最低限度。系统的建立和使用将使得森林防火工作从传统的经验型的定性管理转化为自动化、标准化、规范化的定量管理，极大地提高森林防火管理的效率和现代化水平，进一步提高森林防火决策的科学性、合理性。
    图强公司根据森林防火用户的要求以及森林防火地理信息系统自身的任务特点,在功能设计中将森林防火地理信息系统分为前台应用子系统和后台保障子系统两大部分,前台应用子系统按照功能模块的特点,其结构如下图所示:
    将应用部分和维护保障部分分开，虽然仅仅是一个界面的设计问题,但其效果却远不止此。这不仅节省了由于庞大界面所占用系统宝贵的资源的问题，而且对于操作员来说,既简单实用又快速有效，操作员仅仅负责应用部分的功能操作，而烦琐的系统维护交给后台的数据库管理员和其他维护人员,以保证了数据库数据的安全性、完整性和一致性.
二、系统功能介绍
（一)后台维护保障子系统
    后台维护保障子系统的内容包括空间几何数据的采集、专题属性数据的输入、多媒体数据的录入、异构专题库的转换装载、空间数据的格式转换、空间数据的图形编辑、专题数据修改以及数据库维护等功能模块。
1、空间几何数据的采集
    空间几何数据的采集即图形数字化就是将地图图形数据转化为计算机能够识别、处理的数字数据。包括地图跟踪数字化和地图扫描矢量化。其中地图跟踪数字化是目前应用最广泛的一种地图数字化方式,它可以是数字化板手扶跟踪,也可以是屏幕扫描地图手扶跟踪；而地图扫描矢量化是目前较为先进的地图数字化方式，也是今后的发展方向,其基本思想是：首先通过扫描将地图转换为栅格数据，然后采用栅格数据矢量化的技术追踪出线和面，采用模式识别技术识别出点和注记，并根据地图内容和地图符号的关系,自动给矢量数据赋属性值。
2、专题属性数据的输入
    专题数据输入包括以逐条记录的形式向数据库表结构增加数据的交互录入和以文本文件形式批量向数据库录入数据的文件录入或称批量输入。
3、多媒体数据的录入
    多媒体数据录入就是将森林防火地理信息系统需要存贮、管理和应用的重点单位、重点地区和重点部位的图象、声音和录象等模拟数据转化为数字数据，通常，这方面的软件在厂家提供硬设备的同时提供。
4、专题库的转换装载
    专题数据库转换装载指将其它系统异构数据库的专题数据转换为森林防火地理信息系统专题数据库的数据存储格式并进行录入。
5、空间数据的格式转换
    它能够将多种不同格式的外部地理信息数据文件装载到数据库中，以便达到异种格式的地理信息最大限度地共享和互操作。目前空间数据的格式转换有两种形式,其一是进行不同格式空间数据的转换,其二是建立类似于ODBC的一种开放的地理信息系统协议和驱动，即OpenGIS。
6、空间数据的图形编辑
    图形编辑就是对原始采集的图形数据进行的一系列修改的总和，包括修改目标的属性数据和空间位置数据，目的是保证入库数据的准确性和可靠性。图形编辑模块包括数据处理、图形显示、图形操作、目标增加、目标删除以及修改属性、增加点、移动点、线延长、线缩短、线移动、移线段、抹角、断开等目标修改功能。 
7、专题数据修改
    专题数据修改包括数据修改和数据删除，先根据条件进行查询，然后对查询结果进行修改和删除，包括对逐条记录进行修改的交互修改;对数据库中某一字段进行修改的批量修改；对少量记录进行删除的选择删除以及对满足条件的全部记录删除的批量删除，这种多形式多入口的信息更新手段，是保证专题数据库数据现势性的必要前提.
8、数据库维护
    数据库维护是指系统为了保证数据库数据的完整性和安全性，而采取的一系列保护措施.数据库维护包括关系表结构的建立、增加、修改和删除、权限的控制和分配、用户管理、数据字典、空间分配、审计跟踪、增加文件、增加分区、数据卸出、数据装入以及后映象日志等等.

（二)森林防火专业应用子系统
    根据森林资源管理的要求，应用子系统主要有九大功能模块组成，包括：地形图管理、显示、查询、控制模块;森林资源分布图管理、显示、查询、控制模块；三维电子沙盘生成、三维地形与TM正射影象图叠加、显示操作模块；防火符号库管理、火情态势标绘和推演模块;热点信息管理、图上快速定位显示、计算查询模块；防火设施和防火信息管理、定位显示、信息查询模块；地形图、森林覆盖分布图图形编辑模块；地形图、森林覆盖分布图绘图输出模块; GPS定位和自主导航模块。
1、地形图管理、显示、查询、控制模块
    该模块是在各比例尺矢量地形图数据安装的基础上，实现地形图的检索、符号化显示及显示控制、信息查询、图上量算等功能。
1)地图检索、显示
    从数字地图数据库中检索显示某一比例尺和选择区域的地形图。
2) 地图显示内容调整
    矢量数字地图分要素层、要素类存储和管理,为清晰显示或强调显示某几层或某几类地图要素，可对地图显示内容调整。
3） 显示控制
    显示控制也称地图操作，是对显示的屏幕图形窗口内的地图进行开窗放大、缩小漫游、比例尺切换等操作。
· 开窗放大、缩小
· 漫游
· 比例尺切换
4） 地图查询（只适用于矢量数字地图）
    数字地图除含有空间信息外，同时含有属性信息即要素的质量、数量等描述信息，通过其属性信息的查询,量化的读取和分析地图。
· 地图要素的捡取
· 信息查询
· 属性数据显示
5） 地图量算
    对于有严格数学基础的数字地形图,其任意点的空间位置是可知的，通过空间位置即可计算屏幕地图上任意折线的距离，任意封闭区域的面积。设计折线距离量算和封闭区域面积量算菜单或在工具栏设计距离、面积量算按钮,通过在屏幕地图上采集折线或封闭区域量算距离或面积。
    在窗口信息栏，随鼠标的移动，随时显示鼠标点的地理坐标、比例尺。
6) 导航图
    当前显示的地图除通过地名判断实地位置外,还可以通过更小比例尺的全图定位当前显示的位置，全图包含全部深圳市区划,将当前显示的图以比例矩形显示在全图上,供用户随时掌握浏览位置,该全图即为导航图.在工具栏上设计导航图开关按钮,随时打开关闭。
2、森林资源分类图管理、显示、查询、控制模块
    森林资源分类图是森林资源管理的主要数据资源之一，是防火信息系统中资源信息查询和火灾损害判别的基础。
1）森林资源图管理
    森林资源图是对TM正射影像判别、分类而获得的反映森林分布内容的矢量数字地图,也有其数学基础控制，系统森林资源分类图的管理与地形图类似，将全市森林资源分类图作为一幅图存储和管理。森林资源分类图数据以区域作为管理的要素对象，每一个区域表示不同的森林类型.信息组成包含空间信息、属性信息、拓扑信息,以数据库的方式存储管理。
2）森林资源分类图检索
    重点是确定检索显示区域。森林资源分类图检索显示区域的确定分为如下三种方式：
    ① 根据地理坐标确定检索显示区域，同地形图。
    ② 根据地名确定检索显示区域,同地形图.
    ③ 根据索引图检索显示区域，同地形图。
3)森林资源分类图显示
    森林资源分类是以区域组成的面状要素，对不同的面状要素赋予不同的分类编码，表示不同的土地分类。将这些面分别赋予不同的颜色代表不同的内容显示.森林资源分类图的显示即可以单独显示,由于其和地形图有相同的数学基础和比较严格的套合关系，也可以叠加显示.叠加显示分为两种情况:
    a） 以地形图为主的检索显示方式,首先检索显示地形图,在工具拦设计森林资源分类图打开/关闭开关按钮，将森林资源分类图叠加显示在地形图上。通过比例尺切换按钮可选择显示系统中的任一比例尺图。
    b） 以森林资源分类图为主的检索显示方式，首先检索显示森林资源分类图，在工具栏设计地形图的打开/关闭按钮，选择按钮确定比例尺，在森林资源分类图的基础上叠加显示地形图要素。通过比例尺切换按钮可选择显示系统中的任一比例尺图。
4)森林资源分类图操作
5）森林资源分类图量算
6）森林资源分类图查询
3、TM正射影象图管理、显示、控制模块
    系统采用的TM正射影象图是由5、4、3三个波段合成的接近自然色的假彩色图像，分辨率为15米，并进行了定位、几何纠正、拼接、裁剪、色彩均衡等处理.
1）   TM正射影象图管理
TM正射影象图象格式为标准TIF格式，并以1：25万标准分幅为一个图像的区域范围,以数据库的方式存储管理。
2）   TM正射影象图检索
    TM正射影象图检索显示区域的确定分为如下三种方式：
    ① 根据地理坐标确定检索显示区域，同地形图.
    ② 根据地名确定检索显示区域，同地形图.
    ③ 根据索引图检索显示区域，同地形图。
3)   TM正射影象图显示
    分为两种显示方式：
    ① 单独显示方式:只显示TM影像.
    ② 叠加显示方式：在显示TM正射影象图的基础上,可选择叠加显示地形图要素或森林分类专题要素。森林分类专题要素只显示区域边线而不用显示区域颜色。
4)   TM正射影象图操作
    森林资源分类图的开窗放大、缩小、漫游可使用地形图功能按钮。
5）   TM正射影象图量算
    量算和用图工具与地形图相同.

4、三维电子沙盘
    依据数字高程模型数据(DEM)、矢量地形数据、TM正射影象数据,计算生成有光影效果的正射或透视效果的三维电子沙盘,电子沙盘是常用的一种实地地形的模拟,其特点是逼真形象的实地地形的仿真，使对平面地形观察不习惯的用户更直观的观察理解地形地貌.

1）   三维模型的生成
    以当前屏幕窗口显示的二维平面图作为三维模型生成的区域，根据计算机图形学透视和光照原理,由DEM数据计算生成三维模型,所使用的基础软件是OpenGL。
2）   纹理叠加
    在三维模型上用纹理的方法叠加显示地形地物要素或TM正射影象图，正射影象图是根据地形图的空间数学基础从原始TM影像图纠正获得的与地形图有相同数学基础的图像数据，将图像数据作为纹理，与三维模型叠加显示，使三维立体图表现的地表要素更直观形象。
3)   三维电子沙盘的操作
    单独设计三维电子沙盘显示窗口。改变三维模型计算的参数，实现三维电子沙盘旋转、移动、改变视点、改变比高等功能。设计三维电子沙盘生成菜单，并设计三维电子沙盘旋转、移动、改变视点、改变比高的功能键，实现上述操作.

5、热点信息管理、图上快速定位显示、计算查询模块
    根据卫星监测中心监测到并传递的信息，快速检索显示数字地图,将热点以图标方式在电子地图上显示，并查询计算热点所在的行政区域。设计热点主菜单：
1)   热点文件读取
    热点文件是由国家林业局生成制作的有固定格式的文件,其格式如下：
  火灾文件
  卫星：12
  时间：2001  9 30  8：24
  着火区
火区序号 像元总数    面积(亩)   面积(公顷）  纬度        经度     三通道亮温（K/度)
   1       2            2366。14    157.74   50`21'N  125`49’E  321。7/48.6
   2       2            2366。14    157.74   50`21’N  125`55'E  321。7/48。6
   3       3            3550。70    236.71   50`20’N  125`54'E  321。7/48。6
   4       1            1183.57     78。90   50`20’N  125`56’E  321.7/48。6

    系统设计读取热点文件的菜单，分出热点文件来源，根据数据结构，读取数据文件，并分离数据项。设计热点文件读取菜单“热点读取”。
2)   林火计算
    读取热点文件,根据热点文件中热点的地理位置,检索1:250万矢量地图行政区域和居民地数据，计算出热点所在的行政区域（地市、林业局).再计算热点距离最近的县、林业局（政府所在地）的距离和方位，方位定义方法如下图：
    如HLJ—I热点，距XX县XX公里，方向东偏北25度。

3）   热点显示
    设计根据热点数据文件中的地理位置进行调图显示主菜单“热点显示"：
    ⑴调图显示基本用图为1：5万行政区划图，一次将全图在屏幕显示,并将所有热点通过热点图标显示。
    ⑵ 分区县调图显示
    基本用图为1：5万矢量图，通过读取热点文件中的热点坐标查询计算每个热点所在地市,统计每个地市包含的热点数和热点编号.设计子菜单,子菜单包含全市各地市名称,有热点的地市菜单项变亮，无热点的地市菜单项变灰（不可选）,鼠标选择有热点的菜单项，调取该地市的图显示，可依此选择显示。
    ⑶ 热点详细资料调图显示
    基本用图为1:5万矢量图，通过读取热点文件中的热点坐标查询计算每个热点所在区县，统计每个区县包含的热点数和热点编号.
    ⑷ 热点输入调图显示
    除由国家林业局或卫星监测中心传送的热点文件，另外还包括深圳市各林火监测点监测上报的热点的边缘位置坐标（及林火位置），基本用图为1：5万矢量图，在调图显示时，通过输入热点坐标和调用热点边缘坐标文件，由热点文件转换成火场图及以该热点为中心直接调图显示。
4)   自动标注
    根据热点文件热点位置，自动将热点标注在图上，并标上相应的热点编号，标注根据热点调图方式自动标注，并实现热点连续性的分析同时与火场编号相统一.
5)   热点信息查询
    在地形图上叠加显示热点分布图，热点图与热点数据库紧密挂接在一起，以关键字关联。查询方式为:
    由热点图查询热点数据库，在显示热点地形图上，通过日期、时间进行查询，通过信息框,输入卫星云图的过境时间可自动生成热点列表。鼠标捡取某一热点图，并醒目显示该图，同时根据关键字查询对应的热点数据库，将查询到的信息通过信息框显示，信息基本都以编码的方式存储管理，设计编码解释工具,对信息解释后显示，如下图所示：

热点号
经度
纬度
归属
．．．

6、防火符号库管理、火情态势标绘和推演模块
    态势标绘即在屏幕地图的基础上,标绘行动和过程的一种手段,其基本依托为防火符号库和屏幕地图。该功能可以在地图上标绘出各种规定的点状标号、线状标号、文字标签、图片标签和代字等森林防火标号.并提供以下编辑方式：拖拉、移动、旋转、缩放、线状标号控制点方式调整;提供多种线型、线宽、前景色、背景色、填充色、衬色、透明符号效果;提供剪切、复制、删除、粘贴、恢复等手段。屏幕地图可以是标准的矢量图、象素图，也可以是特种图。
    模拟推演是根据预定方案的态势变化，用动画的形式对预案进行演练。它将放大、缩小、漫游、暂停、播放多媒体、森林防火运动等一系列动作在事先进行定义的前提下，进行回放的一种形式。回放的操作包括正常播放、暂停、停止播放、快速播放、快速回播等.具体过程如下：
1）标号符号设计
2）符号标绘

    （1）符号的选取；
    （2）标绘;
    (3)符号编辑；
    （4）态势管理；
3）扑火过程模拟制作和扑火过程推演功能
    扑火过程模拟制作和扑火过程推演是对某场森林火灾,从火灾发生到组织扑火和火场变化等过程的动态模拟，以地形图显示、符号动态标绘为手段，其关键的技术是实现态势的标绘和态势标号的动态显示以及时间顺序的控制。本系统设计过程模拟制作、过程模拟播放等功能，进行总结和汇报。

7、防火专题信息管理、定位显示、信息查询、统计报表模块
    根据实际需要，防火专题信息通过数据库进行管理，设计不同的数据结构（数据结构见附录），用数据库管理和存储，数据库采用SQLSERVER数据库管理系统,根据数据结构建立数据库.
    (1）防火专题信息数据库维护
    (2）防火专题数据库报表制作
    （3）防火专题信息的图上显示和查询
    对显示在图上的防火设施和防火信息符号,都有相应的数据库与之对应，图上查询某一符号,检索其对应的数据库中的记录并显示,用户快速掌握该符号的位置和详细信息描述,辅助扑火任务的实施。实现方法：在显示图标符号地形图上,通过鼠标捡取某一图标符号,并醒目显示该图标，同时根据关键字查询对应的数据库，将查询到的信息通过信息框显示，信息基本都以编码的方式存储管理，设计编码解释工具，对信息解释后显示(如了望塔）下图所示：

名称
经度
纬度
高度
．．．

8、打印和绘图输出模块
    打印输出是经森林防火地理信息系统基础平台数据处理的结果以用户可以接受和理解的形式提供给用户。由于在森林防火地理信息系统基础平台中所有的图形图像信息都是以数字形式存贮，而且它们都以有效的数据结构与各种专题信息有机地联系再一起。因而，森林防火地理信息系统基础平台在最终成果的表示与输出方面,显示出极大的灵活性.打印输出包括地图符号的配置、地图注记的配置、投影变换和地图整饰等功能模块组成。
    该模块主要实现由屏幕地图到传统纸张地图的转换,在设计时通过绘图仪和图面设置、绘图范围设置、页边距设置、打印预览、打印等步骤来实现。系统设计时为便于地图的准确输出，采取在图上用鼠标随机界定和人工微调相结合的方法精确划定绘图范围,并可按用户的要求设置地图比例尺,从而做到所见即所得图形输出功能。
9、GPS定位、自主导航和实时监控模块
    GPS全球定位系统是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称。它的含义是：导航卫星测时和测距/全球定位系统.该系统是美军自70年代初由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月,全球覆盖率高达98％的24颗GPS卫星星座布设完成。
    通过电子地图显示、实时GPS定位接收、数字通讯手段，将当前的定位信息以图标的方式在移动计算机图形窗口内显示并标注移动轨迹，达到自主导航目的，同时将定位信息通过通讯手段传输到指挥中心,指挥中心实时监控。
    该模块包含两个子系统：自主导航子系统和实时监控子系统.其基本原理见下图：
森林防火地理信息系统系统简介