CN103824138A - 一种森林火灾应急指挥决策管理gis三维平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台。包括：高精度三维电子沙盘、基础地理数据管理与、森林防火专题数据管理与地图显示、实时气象显示、火场实时气象、实时视频监测、火场实时视频、车辆人员定位跟踪与指挥导航、三维模拟控制、林火扩散模拟及其地图显示、态势标绘管理、三维分析工具。采用这种平台有助于扑火指挥员实时掌握火场气象及火情态势与变化、实时掌握扑火队员/车辆的位置和行进路线、准确掌握防火物资的分布和数量，有助于制定科学、有效的战略战术和扑火方案，快速调用扑火人员和物资，协调扑火各方，确保扑火队员的人身安全，保障扑火供给，高效灭火。

Description

一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台

技术领域

本发明涉及森林火灾发生后的一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台。

背景技术

森林防火部门的火灾救援工作关系到国家和人民的生命财产安全。森林火灾突发性强、破坏性大、处置困难，是我国的主要自然灾害之。森林大火不仅直接烧毁森林资源造成财产损失，威胁人们的生命安全，而且破坏生物多样性，严重危害生态安全，直接影响经济建设和社会稳定。

目前还未见专门用于森林火灾辅助指挥决策的GIS三维平台系统。指挥员在森林火灾发生时责任重大，科学的指挥决策是减少林火灾害的重要保障。传统的森林火灾扑救，主要依靠肉眼、对讲机和移动电话等传统通信手段进行指挥决策，不能了解火场的实时气象条件、火场现场情况以及灭火人员和灭火物质的分布，难以看见火场附近地区的地势地貌变化、以及道路交通、水源等，不能有效地调用人力、物力资源，因此，传统的林火扑救效率低，有时还会造成不必要的人员伤亡，导致巨大的灾害损失。

发明内容

本发明的目的是为林业主管部门提供一种森林火灾发生时，用于指挥林火扑救的应急指挥决策管理的GIS三维平台，以提高对林火扑救的决策指挥能力和科学水平。

为实现上述目的，本发明公开了一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台。包括：高精度三维电子沙盘、基础地理数据管理与、森林防火专题数据管理与地图显示、实时气象显示、火场实时气象、实时视频监测、火场实时视频、车辆人员定位跟踪与指挥导航、三维模拟控制、林火扩散模拟及其地图显示、态势标绘管理、三维分析工具。

进一步，高精度三维电子沙盘：即三维地图，用于模拟现实的地形、地貌，通过1∶1万或更大比例尺地图，建立高空间分辨率数字高程模型(DEM)；叠加高分辨率卫星或航空遥感影像，建立覆盖全境的高精度三维森林防火电子沙盘，真实再现现实世界中的地面场景(空间分辨率最高可达5cm)(一个2000km²县的3D数据约20G)。

进一步，基础地理数据管理与地图显示：基础地理数据包括道路图、水域分布图、行政区划图、地形图、居民点、土地利用图等。这些基础数据即可在2D GIS窗口显示，也可叠加在3D电子沙盘上进行渲染显示。地图显示包括二维、三维显示)

进一步，森林防火专题数据管理与地图显示：森林防火专题数据包括森林资源分布图、森林可燃物分布图、森林火灾发生图、森林火烧面积分布图、森林火险图、森林防火综合设施规划图、防火道路图、防火林带分布图、防火隔离带分布图、防火危险对象分布图、救火物资位置(嘹望监测网、防火检查站、蓄水池、物资储备库等)图等。这些基础数据即可在2D GIS窗口显示，也可叠加在3D电子沙盘上进行渲染显示。

进一步，实时视频监测也叫固定点：显示上述优化布局点上的固定视频监测影像，用于实时监测火灾的发生、进展等。在固定点的视频监测，其云台控制包括：调整视频头的方向角和高低角、聚焦、光圈放大/缩小、变倍大/小、雨刷开/关、预置位设置、调用和保存，自动巡航；抓怕和连续抓怕；手动/自动录像；历史录像检索与播放等。固定视频头的监测影像通过无线传输设备传输至指挥中心数据库，然后将视频影像在视频窗口实时显示，视频窗口可多屏/单屏显示多个/单个视频监测影像；视频窗口独立显示单个视频监测影像时，视频视场应与三维场景区域一致、以达到二维/三维同步联动的效果。

进一步，火场实时视频也叫移动点：火场前线扑火队员携带含GPS功能的单兵视频或其他视频设备，监测火灾现场的实时场景。利用GPS功能获得观测者的实时地理位置，利用单兵视频或其他视频设备实时观测火场火势变化与场景等。利用无线传输设备将实时空间位置和所观测的视频影像传输至指挥中心数据库，然后在二维/三维地图上实时显示观测者地理位置和实时观测影像，指挥中心可向前线单兵摄像队员发出拍摄指令。

进一步，实时气象显示：固定点的森林火险气象站气象数据显示，可以在二维和三维窗口同时或单独显示各气象站的实时数据。气象站观测的数据通过无线传输设备传回到指挥中心数据库，然后再进行分析、显示。森林火险气象站监测参数：气温、相对湿度、风速、风向和降水量等，各参数的显示方式有表格显示、折线图显示、二维/三维地图显示(地图显示还可叠加行政区划图)。气象数据实时传输和显示的时间间隔设置范围为3秒至24小时。系统可以对森林火险气象站的布局进行优化设计和地图显示。

进一步，火场实时气象：扑火队员携带含GPS功能的移动式气象站监测林火现场的气象信息，利用GPS功能获得观测者的实时地理位置、利用移动气象站实时观测火场风速、风向、气温、相对湿度、降水量等。再利用无线传输设备将实时空间位置和所监测的气象数据传输至指挥中心数据库，然后进行分析、显示。移动气象站的数据显示，可在二维/三维地图上用图标或数字显示。

进一步，林火视频监测点的布局优化设计及二维/三维地图显示：利用GIS分析功能，对视频点的分布和数量进行优化设计；并在二维/三维窗口，显示其所在空间位置。

进一步，车辆人员定位跟踪与指挥导航：实时监测消防车和消防员的位置、并指挥行车路线和人员布局。在二维/三维地图上显示车辆/人员的实时位置与行进路线，实时定位查询，历史定位查询与轨迹回放，生成报表；结合定位跟踪模块，通过手机、对讲机等方式向扑火队员、车辆发送指定达到位置信息、气象信息、防火资源分布信息、火场扩散信息等。

进一步，三维模拟控制：以鼠标控制的操作包括三维场景旋转、视角和视高控制、飞行控制(包括飞行速度、飞行方向、飞行高度、飞行路线等)、天气状态模拟；地表矢量数据(点、线、面状地物，即基础地理数据和防火专题数据)叠加和渲染控制；三维文字、图片、视频标注；高精度2D/3D模型叠加，这些模型可以是各种树、桥梁和建筑物等。

进一步，态势标绘管理：标注林火和消防队的动态变化趋势。在二维和三维地图上实现火场态势标绘功能，便于制作各种防火业务图。如，插入标绘符号、设置符号样式、编辑标绘符合，标绘符合的组合、叠加、排列、旋转等；态势图的创建、打开、存储、合并、发布、输出、维护、查询以及态势演示等。

进一步，三维分析工具：用于分析三维地图。包括：①三维视域分析，包括监测视频点、监测瞭望塔、数据传输中继台等范围分析、视域分析；②路径分析，分别在二维和三维地图上实现道路分析功能，并只能分析出路径沿途指定范围内的扑救火资源(如，河流、物资库、扑火队伍)；③警戒线设置管理，三维地图上，林火现场警戒线设置、显示等辅助决策功能；④防火隔离带设置管理，即在二维和三维景观上实现防火隔离带显示、设置与规划等辅助决策功能；⑤防火道路管理：防火道路规划与设计、显示、优化分析和管理；⑥防火物质管理；⑦三维造林设计管理，实现以下功能及其造林效果三维显示：树种选择，林龄设置，株行距或造林密度设置，单株、行道树、区域造林设置；⑧图片、视频和2D/3D文字标注；⑨常见树种2D/3D模型叠加；⑩制图：包括各种基础图和专题图制图。

进一步，林火扩散模拟及其地图显示：模拟火情的变化趋势并地图显示。火灾发生后，模拟不同气象条件下林火扩散过程，在地图上显示过火和受灾区域，以统计图表显示受灾面积、过火面积等的动态变化，预测和演练不同情境下的林火危害和扑救方案。

进一步，森林火险气象观测点的布局优化设计及二维/三维地图显示：利用GIS分析功能，对气象站的分布和数量进行优化设计；并在二维/三维地图上，显示其所在空间位置。

本发明有助于扑火指挥员实时掌握火场气象及火情态势与变化、实时掌握扑火队员/车辆的位置和行进路线、准确掌握防火物资的分布和数量等，有助于制定科学、有效的战略战术和扑火方案，快速调用扑火人员和物资，协调扑火各方，确保扑火队员的人身安全，保障扑火供给，高效灭火。

附图说明

图1是本发明的GIS平台结构示意框架图；

图2是本发明的基础地理数据组成框架图；

图3是本发明的森林防火专题数据组成框架图；

图4是高精度三维电子沙盘制作流程图；

图5是本发明的实时监测信息示意图；

图6是图5中固定视频信息功能模块流程图；

图7是图5中的移动视频信息功能模块流程图；

图8是图5中的固定气象站信息功能模块流程图；

图9是图5中的移动气象站信息功能模块流程图；

图10是图5中车辆GPS定位导航与调度功能模块流程图；

图11是图5中人员GPS定位导航与调度功能模块流程图；

图12是本发明的防火物资数据库功能模块流程图；

图13是本发明的辅助决策功能框架图；

图14是发明的三维模拟控制功能框架图；

图15是本发明态势标绘功能模块流程图；

图16是本发明三维工具功能框架图；

图17是本发明火灾扩散模拟模块示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示：本发明采用二、三维地图联动方式，实现对火灾现场的真实模拟；同时实时无线远程获取火场的监测信息，通过辅助决策工具达到远程、科学指挥的目的。二维地图1-7包括：基础地理数据1-1，森林防火专题数据1-2。三维地图1-8(高精度三维电子沙盘)包含：高分辨率卫星/航空遥感图像1-4，数字高程DEM数据1-5，三维数据和标绘1-6。数字高程DEM数据1-5，是1∶1万或更大比例尺地图，建立的高空间分辨率数字高程数据DEM；全境的高精度三维森林防火电子沙盘，遥感影像的空间分辨率最高可达5cm。实时信息1-3指来自火灾现场的实时信息，包括：固定/移动视频信息，固定/移动气象信息，车辆信息，人员信息。辅助决策工具1-9，指本发明系统开发的专门用于辅助指挥者在三维地图上进行操作的工具。二维地图1-7，实时信息1-3，三维地图1-8，辅助决策工具1-9，共同作用，构成了本发明实例森林火灾扑救指挥管理GIS平台。

如图2所示：本发明的基础地理数据组成框架图，即图1中的基础地理数据1-1。基础地理数据2-1包括：道路图2-2、水域分布图2-3、行政区划图2-4、地形图2-5、居民点图2-6、土地利用图2-7。

如图3所示：本发明的森林防火专题数据组成框架图，即图1中的森林防火专题数据1-2。森林防火专题数据3-1包括：森林资源分布图3-2、森林可燃物分布图3-3、森林火烧面积分布图3-4、森林火险图3-5、森林防火综合设施规划图3-6、森林火灾发生图3-7、防火道路图3-8、防火林带分布图3-9、防火隔离带分布图3-10、救火物资分布图3-11。森林火灾面积分布图3-4、森林火险图3-5和森林火灾发生图3-7均为过去历史时期发生的森林火灾的统计结果图。

如图4所示：高精度三维电子沙盘的制作流程图。在本实例中以某县的数字高程数据DEM4-1、分辨率0.61米该县高分辨率遥感影像4-2，和3D GIS引擎4-3通过叠加处理4-4，得到该县的三维高精度电子沙盘4-5。

如图5所示：本发明的实时监测信息功能模块，提供实时的火场信息，辅助指挥员指挥扑火。外部信息包括固定视频信息5-1，移动视频信息5-2，固定气象站信息5-3，移动气象站信息5-4，车辆信息5-5，人员信息5-6。外部信息通过远程无线传输的方式将获得的现场信息发送给服务器5-7，服务器5-7接收到信息后对数据进行存贮、分析即数据解析5-8，最后进行二、三维地图显示5-9，将得到的信息通过相应的形式实时展现在二、三维地图上。

如图6所示：是图5中的固定视频信息5-1，本发明的视频信息接收模块，用于接收固定监测点视频监测影像。监测点视频头6-1是放置在野外的用于监测火情的固定视频头，其将视频信号通过无线传播设备传送给数据中心的视频信号接收、解析模块6-2。服务器接收到视频信号后进行视频显示6-3.视频信号转换为视频信息显示在三维窗口的视频窗口，视频窗口可同时独立显示，视频窗口可以缩放，指挥中心可以通过视频云台控制按钮遥控视频监测区域及拍照等其他操作。

如图7所示：是图5的移动视频信息5-2接收显示流程图，用于在火灾现场，利用移动视频头7-1(可以是各类摄像机、手机等，可以是可见光和红外视频等)监测火场实况，然后利用微波、3G、4G等远程无线传输方式将视频信号传回到指挥控制中心。本发明的视频接收解析终端7-2，是独立的视频接收程序，专门用于接收移动视频信息，接收来自移动视频头7-1的视频信息；视频信息接收解析终端解析完成后，在视频终端显示7-3显示。视频信号在独立的窗口显示，可以多画面同时显示不同视频影像。

如图8所示：是图5中的固定气象站信息5-3，本发明的气象信息功能模块。放置在野外的固定气象站8-1用于接收火灾现场的风向，风速，温度，湿度，降水量等气象参数。固定气象站8-1，通过各个传感器自动观测所在地的气象参数，并通过无线数据传输模块将测得的参数传送到服务器的无线数据接收和分析模块进行数据解析8-2，数据解析完成后进行数据显示。数据显示的表现形式有折线图显示8-3、二维表显示8-4、二、三维地图显示8-5，二、三维地图显示8-5显示的内容有两种表现形式：面状显示8-6和标注显示8-7。面状显示8-6即在地图上通过插值分析，利用不同的色彩分级显示区域内的气象变化。标注显示即以文字和图形标注的方式表示参数的变化。例如，以动态箭头的形式表现风速和风向，三维箭头的高度表示风速的大小、箭头的方向表示风向。气象数据的刷新数据可手动设置，以显示最新的数据记录。

如图9所示：是图5中的移动气象信息5-4的详细流程图，本发明的移动气象信息功能模块。移动气象站同固定气象站的接收原理相同，移动气象站9-1，测得的气象参数包括：位置，风速，风向，气温，相对湿度，移动气象站同时观测其所在地的空间位置参数。气象信息通过无线GPRS方式传送给服务器的接收终端，接收终端对信息进行数据解析9-2，解析完成后的数据，可按照观测者的空间位置在地图上同一位置进行多种数据显示：二、三维地图显示9-3，二维表显示9-4，二、三维地图显示9-4以文字显示9-6和图标显示9-7两种方式显示气象信息。

如图10所示：是图5的车辆位置信息5-5，本发明的车辆GPS定位导航和指挥功能模块，用于接收车载GPS数据，提供实时的车辆位置信息，实时计算消防车距离火灾现场的距离。车辆GPS 10-1绑定在消防车上，并与消防车的编号保持一致，将测得的位置数据和车辆的信息传送给数据接收分析模块10-2，数据接收分析模块10-2将接收到的信息代码解析，解析后的信息实现功能有位置确定10-3，距离量算10-4(根据消防车的经纬度坐标和火灾现场的经纬度坐标计算出两地的直线距离)，历史数据回放10-5，断油断电提醒功能10-6，行进路线设置10-7(如果车辆偏离行进路线，则系统自动报警)。二、三维显示10-8显示出车辆的实时空间位置、行进路线和距离火灾现场的距离等。

如图11所示：是图5的人员信息5-6，本发明的人员GPS定位导航和指挥功能模块，主要用于记录消防员在火场的具体位置。人员gps 11-1记录消防员的具体位置，并通过无线传输给数据接收分析模块11-2，数据接收分析模块11-2将接收的信息代码解析为经纬度信息数据，实现功能有位置确定11-3(确定消防员在二维地图上的位置，并用点状元素标记)，查询11-4(查询消防员具体时间的位置经纬度点)，历史数据回放11-5，行进路线设置11-6(当消防员不在预设区域时，系统自动报警)。二、三维显示11-7，在二维/三维窗口实时显示消防员的位置，还可以文字标签的形式绑定在相应的消防员模型的上方。

如图12所示：本发明的扑火物资数据库功能模块。扑火物资信息库12-1中包含有所属区域内所有消防队及其所配备的消防物资信息，当某处发生火灾后，二维地图上会显示出着火点和各消防队的位置及经纬度。根据数据库的信息，调配物资人员12-2。根据调配结果系统能自动生成调配表12-3。

如图13所示：是本发明的辅助决策功能结构示意图。包括：三维模拟控制13-2、态势标绘13-3、三维工具13-4、林火扩散模型13-5、监测点优化配置13-6。辅助决策功能，目的是辅助决策者远程指挥火场救火，达到实时、科学指挥决策的目的。

如图14所示：是本发明的三维模拟控制功能，该功能可帮助指挥人员实现在三维电子沙盘上的以下操作：点、线、面状地物的叠加和渲染14-2，三维文字、图片、视频标注14-3，21D/3D模型加载14-4，天气模拟14-5，视域控制14-6，飞行控制14-7。点、线、面状地物的叠加和渲染14-2功能，即在三维空间内对点状，线状，面状地物进行空间操作，通过地物的属性信息，对地图进行渲染。这些点、线、面状地物包括各类基础地理数据和防火专题数据等。例如，面状地物森林小班，可以设置面的颜色和透明度，边框的颜色和透明度，并可以对小班进行文字标注其林种信息。三维文字、图片、视频标注功能14-3能将文字、图片、视频标签添加到三维平台中，标签可以自由移动或根据需要固定在三维窗口的一定位置。2D/3D模型加载功能14-4，例如，本实例中加载消防车、消防队员、直升飞机、各种树木和建筑物等。并根据实际情况可以对模型做出路线设定，模型绑定功能。天气模拟功能14-5，在本实例中天气可以转换为晴天，小雨，大雨，小雪，大雪五种天气状态。视域控制功能14-6，即用户可以根据需要改变三维窗口的视角，距离地面的高度，视线绕一点自动旋转或按照设定好的路线进行导航。飞行控制14-7，用户可以控制飞行速度、飞行方向、飞行高度、飞行路线等。

如图15所示：态势标绘功能15-1。在二维和三维场景上实现火场态势标绘功能，便于制作各种防火业务图。包括：标绘符号创建与编辑15-2和态势图创建与编辑15-3。在本实例中有插入标绘符号、设置符号样式、编辑标绘符合，标绘符合的组合、叠加、排列、旋转等；态势图的创建、打开、存储、合并、发布、输出、维护、查询以及态势演示等。

如图16所示：是本发明三维工具功能。三维工具16-1包括：三维视域分析16-2，路径分析16-3，三维造林16-4，防火隔离带设置与管理16-5，警戒线设置与管理16-6，防火道路管理16-7，图片、视频和2D/3D文字标注16-8，常见树种2D/3D模型叠加16-9，防火物质管理16-10，制图16-11。三维视域分析16-2在本实例中有通视分析，模拟人眼沿线观察，分析两点或多点之间可通视情况；视域分析，分析观察者视域范围内的遮挡情况，得到视域范围内可见与不可见区域的范围。路径分析16-3既分析消防队到着火点、着火点与水池等的最优路径。三维造林16-4可以创建行道树，沿设定好的直线和间隔种植树木；造林，即可在设计区域内随机种植树木，包括树种和树龄及数量，也可或按照设定的行株距进行植树造林，树木种类、树龄可手动设置。防火隔离带设置与管理16-5，即可在三维窗口设置隔离带，包括隔离带的边界线、底图的颜色和透明度，也可添加、修改和删除已有的隔离带。警戒线设置与管理16-6，指挥人员可根据需要设置、修改、添加和删除警戒线。防火道路管理16-7，显示已有的防火道路，也可进行防火道路规划。图片、视频和2D/3D文字标注100-8，在三维窗口标注图片、视频、文字标签。常见树种2D/3D模型叠加16-9，在数据库中保存有多种常见树种模型，用户选定树种后，可种植在三维窗口的设定位置。防火物质管理16-10，林业部门为应对火灾，预先设置的用于火灾放生时的救火物质。

如图17所示：林火扩散模拟功能模块示意图。林火蔓延是一个复杂过程，受多种因素影响。本实例利用了对林火影响较大的七个因子作为参数，包括：风速17-1、风向17-2、着火点位置和面积17-3、可燃物分布和数量17-4、坡度17-5、坡向17-6、温度17-7、海拔高度17-8。根据上述影响林火扩散的各项参数和已有的林火扩散模型，通过模型模拟预测17-9，即将参数输入设置好的林火扩散模型中，得到模拟结果，模拟结果显示17-10。模拟预测结果在二维/三维地图上按时间序列显示林火蔓延过程并有图表显示林火面积的动态变化，辅助扑火指挥人员预测林火发展趋势、以制定有效的预防方案。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或对其部分技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台，其特征在于，它包括：高精度三维电子沙盘、基础地理数据管理与、森林防火专题数据管理与地图显示、实时气象显示、火场实时气象、实时视频监测、火场实时视频、车辆人员定位跟踪与指挥导航、三维模拟控制、林火扩散模拟及其地图显示、态势标绘管理、三维分析工具。

2.如权利要求1所述的一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台，其特征在于，所述高精度三维电子沙盘：即三维地图，用于模拟现实的地形、地貌，通过1∶1万或更大比例尺地图，建立高空间分辨率数字高程模型(DEM)；叠加高分辨率卫星或航空遥感影像，建立覆盖全境的高精度三维森林防火电子沙盘，真实再现现实世界中的地面场景(空间分辨率最高可达5cm)(一个2000km²县的3D数据约20G)。

3.如权利要求1所述的一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台，其特征在于，所述基础地理数据管理与地图显示：基础地理数据包括道路图、水域分布图、行政区划图、地形图、居民点、土地利用图等。这些基础数据即可在2D GIS窗口显示，也可叠加在3D电子沙盘上进行渲染显示。地图显示包括二维、三维显示)

4.如权利要求1所述的一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台，其特征在于，所述森林防火专题数据管理与地图显示：森林防火专题数据包括森林资源分布图、森林可燃物分布图、森林火灾发生图、森林火烧面积分布图、森林火险图、森林防火综合设施规划图、防火道路图、防火林带分布图、防火隔离带分布图、防火危险对象分布图、救火物资位置(嘹望监测网、防火检查站、蓄水池、物资储备库等)图等。这些基础数据即可在2DGIS窗口显示，也可叠加在3D电子沙盘上进行渲染显示。

5.如权利要求1所述的一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台，其特征在于，所述实时气象显示：固定点的森林火险气象站气象数据显示，可以在二维和三维窗口同时或单独显示各气象站的实时数据。

6.如权利要求1所述的一种森林火灾应急指挥决策管理GIS三维平台，其特征在于，所述林火视频监测点的布局优化设计及二维/三维地图显示：利用GIS分析功能，对视频点的分布和数量进行优化设计；并在二维/三维窗口，显示其所在空间位置。

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