基于3S技术的森林火险预警方法及应急管理的研究

摘要：森林火灾是对社会、环境及经济发展影响范围最广和破坏性最大的一种自然灾害。充分利用全球卫星定位系统（GPS），遥感技术（RS），地理信息系统（GIS）等技术可以提供大量的火灾发生的背景条件的信息，有助于做好发生森林火灾的防范措施，同时有利于制定灾后应急措施以减轻灾害损失。本文阐述了基于3S技术的森林火灾预警方法和应急管理体系，为防灾减灾工作提供参考。

关键字：3S技术 森林火灾 预警方法 应急管理

1. 引言

森林火灾是危害森林资源的主要灾害。如何利用现代化科技手段和设备做好 “以防为主”的森林火灾预防工作以及制定有效的应急措施，并进行统一协调的组织指挥，就成为林业防火工作中的重要问题也是林业建设管理中的重中之重。随着社会的发展，遥感科学、地理信息系统、电子计算机、航空航天技术等科学技术的进步，加上现代科学管理的应用，为森林防火提供了先进的手段和技术条件。如森林火险监测系统、红外线监测林火、雷达监测林火、卫星遥感监测林火以及计算机地理信息管理系统等新技术的应用，为有效地预防控制森林火灾的发生，为把森林火灾造成的损失降低到最低限度提供了保证。

2. 研究的背景和意义

2.1研究的背景

我国森林资源十分匾乏。然而，我国又是发生森林火灾较严重的国家之一。我国的森林防火工作比国外发达国家起步较晚。几十年来，在不断总结经验教训的基础上，通过不断地探索和研究森林火灾的特点，有针对性的加强管理和技术防范措施，不断提高对森林火灾的综合控制能力，使森林火灾发生次数、受灾森林面积和伤亡人数有了明显的下降。随着国家对森林防火工作的重视和科学的进步，我国于1992年和1994年分别通过有关科研单位结合我国森林防火工作的实践制定了《全国森林火险区划等级》和《全国森林火险天气等级》行业标准，并由林业局颁布实施，全国各地均做了实施的准备工作，这将使我国森林火险监测工作开始走向系统化、科学化的道路。

2.2研究的意义

森林火灾位居破坏森林的三大自然灾害（病害、虫害、火灾）之首。它不仅给人类的经济建设造成巨大损失，破坏生态环境，而且还会威胁到人民生命财产安全。因此森林防火有着重要的意义：

1．森林防火是保护自然资源的需要。

2．森林防火是保护生态环境的需要。

3．森林防火是保护森林发展林业的需要。

4．森林防火是维护林区社会安定的需要。

3. 现代森林防火新技术

3.1地理信息系统

地理信息系统（GIS）是计算机科学、信息科学、空间科学、环境科学和管理科学等为一体的新兴科学，是未来信息高速公路的重要组成部分。加拿大利用GIS进行森林景观生态分析，开展自然环境规划。泰国利用GIS进行小流域治理规划和泰国早计划。GIS在森林火灾预警中的功能有：利用GIS强大的数据库功能管理有关的环境信息数据库，有效得到预警区域的环境数据，进行属性数据和空间数据的查询、更新和提取；利用GIS强大的空间分析功能对森林火灾预警网络进行科学设计，从而有效地表征设计项目所在地的环境信息的收集、存储和显示；直观的图形界面可以根据用户的要求而输出各种分析和评价结果；GIS能迅速提供快速反映决策能力，可以模拟和监测林火风险。

3.2遥感技术

遥感（RS）是指从远距离高空以及外层空间的各种平台上利用可见光、红外、微波等电磁波探测仪器，通过摄影和扫描、信息遥感、传输和处理，从而研究地面物体的形状、大小、位置及其环境的相互关系与变化的技术。用遥感技术研究森林火灾，始于50年代的航空红外探测，自80年代初开始，随着地理信息系统的发展，美国、加拿大等国家也先后开展了利用卫星监测研究森林资源。到80年代末期，GPS以其精准的导航定位功能为林业工作者所使用。中国曾成功监测了1987年大兴安岭特大森林火灾，并对火烧地森林植被恢复进行了动态预测。

3.3虚拟仿真技术

近年来，在信息技术发展的带动下，用于植物形态结构研究的数据采集方法和三维数字化技术、计算机硬件水平已能够满足需求，构建模型所需的可视化技术、面向对象的程序设计方法等已经成熟，这为森林防火的虚拟仿真提供了条件。林火虚拟仿真包含的关键技术主要有三维数字化技术、可视化技术、林火蔓延的经验模型等。

4. 森林火灾预测预报方法

火险预测是指在“和平时期”对森林火灾危险程度由计算模型所做出的理论预报。森林火险预测是森林防火“四网两化”建设的一个重要内容，是实现“预防为主，积极消灭”的森林防火方针的关键环节。

森林火险预测过程主要有如下所示的三个环节：

4.1直接预报法

直接预报法是利用林区内可燃物湿度与气象要素综合分析后进行预报的方法。具体如下：

(一) 利用可燃物湿度变化与气象要素的相关性进行林火预报的原理。

(二) 预报因子的测定。

(三) 常规观测方法。

(四) 逐步组建成预测预报网络。

4.2预测模型

由于自然因素和社会因素瞬息万变，所以不可能准确预测未来森林火灾的发生时间。因此，我们认为森林火灾预测只能是一种趋势预测。随着各国学者对林火预警模型、林火蔓延模型等的进一步深入研究，以及信息技术的不断发展，未来的基于信息技术的森林火灾预防体系一定可以更有效的减轻森林火灾给我们带来的损失。

常用的林火蔓延预测模型有：

（一）澳大利亚的McArthur模型

R=0.13F （4.2）

式中，R为较平坦地面上的火蔓延速度（km/h）。对于草地，F为火险指数，有特定公式可以计算F。此模型不仅能预报火险天气，还能定量预报一些重要的火行为参数，是扑火、用火不可缺少的工具，但它可适用的可燃物类型比较单一。对我国南方森林防火具有一定的参考价值。

（二）加拿大林火蔓延模型

加拿大林火蔓延模型是加拿大火险等级统计采用的方法。16个代表林型，通过290次观察总结出多数可燃物蔓延速度方程（ROS）。不同类别可燃物有不同蔓延速度方程，但所有方程都是以最初蔓延指标（ISI）为独立变数，它与细小可燃物含水量和风速有关。

以针叶林为例，ROS=a[1—c—bxISI] （4.3）

a,b,c为不同可燃物类型的参数。

此模型属于统计模型，其优点是能方便而形象的认识火灾的各个分过程和整个火灾的过程，能成功预测出在参数相似情况下的火行为；缺点是这种模型不考虑任何热传机制，当实际火情与试验条件不符时，它的精度就会低。

（三）王正非的林火蔓延模型

R = RαKεKω/ cosφ （4.4）

后经修正为： R = RαKεKφ Kω （4.5）

式中，Rα是初始蔓延速度；Kε是可燃物配置格局更正系数；Kω风力更正系数；Kφ是地形坡度更正系数。Kε 是订正系数，它随地点和时间而变。对于某时、某地来说，整个燃烧范围和燃烧过程中，Kε 可以假定是常数。该模型适用于坡度在60℃以下的地形。

5.森林火灾应急管理

5.1森林灭火救灾应急响应分级与标准

参照自然灾害总体分级标准，依据森林火灾可能造成的危害程度、紧急程度和发展态势，我们把森林火灾预警分为四级，特别重大的是I级，重大的是Ⅱ级，严重的是Ⅲ级，一般的是Ⅳ级，依次用红色、橙色、黄色和蓝色表示。与之相对应，森林灭火救灾应急响应分为四级。

5.2 森林灭火救灾应急处置阶段划分与指挥决策

5.2.1阶段划分

森林火灾应急处置是各级政府和相关部门应急管理的组成部分，属于自然灾害应急管理范畴。森林火灾应急处置一般按事前、事中和事后进行分期，可分为预防与应急准备、监测与预警、应急响应与救援处置、善后与评估等阶段。其中预防与应急准备、监测与应急预警属于事前管理，应急响应与救援处置属于事中管理，灾后善后与评估属于事后管理。

5.2.2应急指挥

应急指挥是森林火灾应急处置的关键，不同应急响应需要启动不同的应急指挥层次。应急指挥一般分为战略指挥、战役指挥和战斗指挥。其中国家、省级指挥为战略指挥，省、地市级指挥为战役指挥，县级以下特别是灭火救灾一线指挥为战斗指挥。（具体看图5.1）

5.2.3 应急决策

决策是管理的核心。应急决策是应急响应与应急指挥的核心。森林灭火救灾应急决策可分为事前决策、事中决策和事后决策，其具有可利用资源的严重短缺性、决策环境的高度不确定性和极其复杂性、决策目标的动态权变性、决策结果的难预测性、决策单元的核心目标直接受决策过程的影响性、决策对象发生发展的多变性等特殊特点，这要求决策者当机立断、科学判断和多谋善断，也就决定了，应急决策在应急管理中的核心地位。应急决策包括决策主体、决策对象、决策目标、决策环境、决策过程和决策方案。森林灭火救灾作为人与森林火灾这种自然灾害抗争，必须把尊重科学、遵循规律和灭火救灾人员安全放在首位。

6. 结论与建议

森林火灾，是危害森林的大敌，一场火灾在旦夕之间就能把大片苍翠茂密的森林化为灰烬，给国家和集体造成严重损失，同时林地失去了森林的覆盖，容易造成水土流失，容易发生水旱风沙灾害，影响农业稳产高产。本文总结了火灾等级划分的标准，通过全面的分析研究提出了适合我国国情的森林火灾预警方法和模型。最后研究了我国如何做到处置重、特大森林火灾时反应及时、准备充分、决策科学、措施有力，把森林火灾造成的损失降到最低程度。为了使森林防火工作确实做到“预防为主，防治结合”，把森林火灾发生率降到最低限度，笔者提出以下五点建议：

（一） 加强组织领导。

（二） 以火源管理为中心，控制野外火源。

（三） 加大森林防火经费投入。

（四） 加强森林防火队伍培训。

（五） 加大森林防火执法力度。

参考文献：

[1] 阮志敏.森林防火GIS中辅助决策模型研究与实现.武汉大学 2005中国优秀博士论文．

[2] 黄伟维．张贵.基于GIS模型的林火蔓延研究.湖北林业科技，2004．

[3] 岳金柱．冯仲科．姜伟己.我国森林火灾应急响应分级与处置相关问题的研究探讨.森林防火，2008，9.

[4] 李清泉．徐爱俊．吴达胜．方陆明.基于GIS的森林火灾预报预测模型的研究与探讨.

[5] 范强．孙丽敏.基于3S技术的森林火险预警方法研究——以大连市为例.

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