北大青鸟数字林业系统方案说明书
一、前言

随着信息技术、网络通讯的不断发展，我国政府信息化工作迎来了新的机遇与挑战。政务信息化就是要通过应用先进的技术，转变机关工作方式、作风，提高工作效率，转变政府职能，规范政府行为，更好的为企业、人民群众服务。党和国家领导人对政府信息化工作给于了高度的重视，指出政府信息化建设是一场深刻的革命，势在必行。
林业部门是重要的政府部门之一，主要负责辖区内的林业管理工作。目前国内有一些城市和地区已经建设了林业应用系统，同时也建立了一些网站。这些工作的开展大大的促进了林业政务信息化的建设进程，为全国的林业政务信息化建设起到了铺路的作用。目前建设比较成功的有北京、上海、和海口等城市的信息化工作开展的比较好。但纵观这些系统和网站，在系统的实用性和集成方面还是存在一些问题。比如， 3S技术在林业资源管理、森林防火等工作中没有被充分结合起来使用，使的系统的功能很大程度上没有被充分发挥出来；办公自动化系统方面，传统的方式及时简单的实现了收文和发文以及一些文档的管理。但从根本上讲，系统数据的安全性、系统工作流的设计的合理性、系统的辅助决策功能等都不够好。
什么是数字林业？简要地讲，就是用数字化手段再现真实的林业状况。它主要有三方面的涵义，一是基于3S（遥感RS、地理信息系统GIS、全球定位系统GPS）技术的林业信息数字化；二是对这些数字信息的储存、处理、传输和应用。也就是说，数字林业不仅可以将林业的各种特征用数字化的形式表述，还可对这些数字进行处理；三就是林业部门政务信息化的实现。
　　建设数字林业就是要从宏观的角度，为林业行业构造一个统一的立体的信息集成系统。该系统是一个以林业空间数据为依托、用计算机网络连接各分布式数据库、以虚拟现实技术为特征、具有三维显示和无边无缝多级分辨率浏览的开放系统。它可为林业建设提供一个更加广泛、更加形象化的信息处理环境及支撑工具，推动林业生产各个环节的信息化进程，并为林业和全社会提供信息服务。数字林业系统建成后，将彻底改变人们心中林业这个传统行业离高新技术很远的陈旧印象，为林业增添不少前卫的色彩。
　　数字林业系统可以对全国的森林资源与生态环境变化进行适时监测，及时地获取各种真实的数字化信息。通过对这些数字化信息的分析和模拟，可以增加政府决策和各种林业生产经营规划的科学性，提高森林经营水平和林业建设的科技含量，促进林业的可持续发展。尤其是利用数字林业系统对当前的林业重点工程（"退耕还林（草）"工程和天然林保护工程）进行适时监测、评估与监督，有利于保证工程质量，提高工程建设水平。

二、数字林业系统功能介绍

l 林火信息管理
林火发生是一个极其复杂的自然现象，它涉及的因素许多，有其自然属性，又有其社会属性。自然属性中有可燃物的类型及其分布状况、地形地貌分布状况、气象因子等等。作为森林防火工作者往往要面对错综复杂、各种各样的信息，并在此基础开展我们的林火预防、扑救、善后处理等工作。要全面掌握如此之多的信息非人力所为。特别林火发生又带其突发性，要在很短的时间判断林火的发展趋势，并及时采取决策，同时还要随时掌握现场的状况，就需要指挥者具有丰富的经验掌握丰富的知识。作为指挥者要做到这一步就必须采用先进的科学技术来提高他的判断能力和现场指挥能力。目前用GIS这一工具就可以达到将所有的有关信息有机管理起来并随时调整直观现象的表现出来，做到预防工做决策得力，扑救有效。
（1）数据库建立：可以通过不同的方法将森林防火有关的数据采集到计算机之中，建立相应的数据库。这些数据库有地图数据库、属性数据库和方法库（对空间和属性数据内在关系，以数学模型，才分生长数学模型，材积毛模型、火型为模型，有了这些模型就可以把握住客观事物的内在规律，掌握自然现象的本质）。
（2）数据库的动态管理：对地图数据的编辑更新。可利用资源状况、社会经济状况、生产经营状况的各种数据进行及时的更新。如造林、抚育、采伐、道路建设等各种经营活动对资源的变化都可以随时利用GIS管理起来，随时都有反映现状的信息，做到决策方案的真实可靠。
（3）数据检索和输出：利用GIS可以随时制作输出各种专题图和有关表格。

l 林火扑救指挥和实时监测
（1）与遥感卫星的结合：
遥感影象形象面积大，成象迅速、成本低廉，能随时监测林火的发生和林火的动态变化。但由于精度相对来说很低，在具体林火的扑救方面表现出不足。GIS可以将遥感图象与已有的各种专题地图进行匹配，将遥感的图象与各种专题地图叠加在一起，也可以将根据图象上火点的位置在地图上准确定位，并反映周边的资源和社会经济状况。由此可以判断造成灾害的可能性，以及造成灾害的后果 。
（2）与GPS的结合：
GPS图的制作通过GPS可以将地理位置转化成GIS的数据格式并输入到GIS中，通过GIS来产生地图，如过火区边缘、交通道路、防火隔离带都可以用GPS将其采集到GIS中。GPS可以在野外采集到的地理位置转化成点、线或多边形数据。GPS与扑火队伍和运载配备GPS和相应的通讯设施后，就可以将队伍行进的位置和路线及时传输到指挥部的GIS系统之中，GIS就可以准确地定位到地图之中。从而就可 以对行动的方向，位置，到达的目标地及时的纠正和调整。
（3）GIS了望台的结合进行林火定位：
根据了望台的观测情况和数据传输到GIS系统后就可以采用交会方法将林火的位置定位在地图上。
（4）现场报告与林火的定位：
GIS具有丰富的查询功能，对于现场报告的模糊信息可以利用GIS模糊查询的功能，对森林火灾的发生位置进行定位，也可以直接报告经纬度的数据或大地坐标数据在GIS中的地图上将林火定位，并将其他相关的数据显示给指挥者。

l 林火的预测预报
接收气象数据选用火险等级分析模型综合资源气象和地形地貌数据进行综合分析得出火险等级，数据图形显示或输出火险等级分布图发出警告信息。火险等级区划有宏观和微观的不同层次，宏观预报是根据不同区域各气象台站观测的数据和区域植被的生长特点来预测火险等级指数，如省火险等级分布，全国火险等级分布，微观火险等级预报具体可落实到山头地块。预测的结果具体详细，但需要的数据量大。

l 林火设施的布局分析
（1）了望台布局分析：
利用地形图和了望台站网的分布特点，可计算出盲区（了望台不可见的山头地块）、定位区（可以利用不同了望台定位的地块）和不可定位区（只有一个了望台可见）在需要建立或增设了望台站的地区可以利用GIS设计观察覆盖面大，盲区小的了望 台分布方案。
（2）交通道路布设：
根据目前的林道分布的现状和林火火险等级的分布图以其森林经营的要求利用GIS可 以设计出既有利于社会经济要求，又利于林火快速扑救的林区交通道路的设计方案。
（3）防火隔离带的布设：
利用GIS所表现的综合治理信息可以直观在地图上设计出经费节省效果佳的防火隔离带。

l 其它应用
（1） 火灾折算；对过火面积、蓄积损失、经济损失，以及在扑火过程中的各种经济投入能快速并准确地统计计算。
（2） 灾后处理：火烧迹地的清理，造林规划
（3） 火行为分析：根据林业特有的应用模型可判断林火蔓延趋势
（4） 计划烧除
（5） 总体规划

l 应用效果
（1） 改变以往的林业调查作业方式。由于"3S"技术能快速、实时地获取地面三维信息， 省去了以往图像繁重的校正工作及手工作图的作业方式，人工劳务介入量大大减少，作业步骤变得简 单 ，周期缩短，成本成倍降低，整个过程将以自动化作业为主。
（2） 对林火、病虫害等灾害事件监测能力大大增强。
（3） 快速编制各种 林业专题图件。以往林业制图，由于遥感数据定位困难， 人工劳务介入量大，地形图成了编制其它图件的基本图，使得林业专题图的编制费时费力，在一些无地形的地区更 是无法进行。利用"3S"技术可以不受时间、地域的影响，利用其获取的直接地学编码图像，直接输出包括地形在内的各种专业图件，编制时间大大缩短，精度也有了较高的保证。
（4） 有利于建立现代的国家森林资源监测体系。随着我国经济发展及社会环境意识的增强，传统的森林资源监测体系已不能完全适应社会经济可持续发展的需要。利用"3S"技术建立 森林资源 监测体系易于克服传统监测体系的缺陷，做到：1)动态监测森林资源的空间分布信息；2)不仅对国家及大区域的森林资源进行宏观监测还能对局部微观区域的森林资源变化进行监测；3)在监测内容上，不仅对森林资源数量进行监测，更能加强对生态环境信息的动态监测；4)在数据更新方面，利用"3S"技术的实时或准实时功能，能更好地完成监测体系的数据更新。

三、森林防火系统具体方案

以上是对GIS，GPS，RS技术在林业部门具体应用的探讨。能带来突出效果的主要还是在森林防火工作中，详细的应用方案如下：
基础地理信息系统数据库的建设：
1．数字化成图
使用专用的矢量化软件，对需要数字化的图件进行扫描跟踪，形成矢量地图。这个过程是建立地理信息系统的基础工作，也是非常重要的一个环节，数字化的工作关键是要求数据的准确性，尽可能减小误差。一般的处理方法是将图纸扫描成栅格文件以后，使用专门的图像处理软件根据图纸的坐标点对图像进行配准，软件能够对栅格图进行适当的拉伸、旋转等处理，以校正扫描过程中形成的误差。
另外一个非常重要的方面是数字化过程中图形要素的接边问题，只有严格按照要求进行图形要素的接边处理，才能为后续的应用提供支持。例如路径分析、数据查询统计等等。
地图的拼接也是数字化过程中非常重要的一个环节，很多系统在这个方面是有缺陷的，有些系统所谓的拼接只是提供图幅的索引功能，对于人为分割的图形要素并没有形成一个对象，这将会给以后的管理带来困难。所以，为了能为应用建立坚实的基础，必须精确地实现这个过程。根据我们的工程经验，拼接过程分为自动拼接与手工拼接两个过程。自动拼接一般是使用图形对象的属性信息，将某一个属性信息相同的对象合并为一个对象，在这个过程完成以后，由手工进行接边的调整。
上述过程不仅是介绍数字化成图的过程，也是系统在提交用户后必须具备的功能，因为图件在数字化完成以后，时刻会面临一个变更的问题，只有提供高效的数字化以及与之相关的拼接与接边处理功能，才能使用户方便地对图件进行变更等操作。
2．数据的组织：
地理信息数据的组织是系统的核心，只有建立高效的数据组织模式，才能建立高效的、易学易用、易于管理的应用系统。
l 分层存放
交通行政区划地图、林相图、兵力设施分布图分别进行矢量化以后，将其分别存入在不同的图层中，最终合成一张信息齐全的全林区图。
基础空间数据按主要图形特征或实体进行分层，其具体内容如下：
（1）居民地：人们生活、工作的建筑群。
（2）交通：包括各种等级公路、铁路及其附属设施。
（3）水系：名括各种河流、湖泊、水库、池塘、蓄水池等。
（4）边、境界：
（5）地貌：包括等高线、高程点等。
（6）注记：包括居民地、交通、水系、地貌的文字说明。
专题空间数据的分层，按照林区管理需要进行分层，其具体内容如下：
（1） 林班层。
（2） 小班层
（3） 动物分布（以林场为单位）层
（4） 动物（当前只养林蛙）养殖分布层
（5） 植被分布层
（6） 分类小班类型层
（7） 重点火险区层
（8） 封山育林层
（9） 湿地保护层

l 属性信息结构
不同的图层分别要定义不同的属性信息，例如对于行政区划图，它本身要分成数个图层，省界、地区界、县界、乡界、村界，他们对应的属性分别是省编号、省名称等等。对于林相图，则分别要定义林班编号、林班类等等。

l 灵活的图库管理
如果使用MapinfoProfessional作为管理平台，因为对于一个图层，在文件上会体现为很多表文件，这给一般非专业的操作人员带来了不方便。经过深入的二次开发以后，在地图管理的运行界面中，对于地图的管理，体现为图库、图、图层，用户只需要选择图库，选择图库中的图打开，选择图中的图层进行操作即可完全管理复杂而又不直观的表结构。
如果使用相应的高端产品，则图库的管理实际就是数据库管理了。

l 变更图与历史图
一个专业的地理信息应用系统，应该实现对于图形的历史信息的保存，以在必要的时候可以提供给用户对于历史数据与现实数据的比照功能。基于我们系统的灵活结构，我们在系统中为用户提供了方便的历史数据保存功能，同时也提供历史数据与现实数据进行叠加分析的功能。

l TM图迭加显示
我们在系统中可以实现矢量图与扫描栅格图像的配准功能，也就是说TM图像可以作为底图“放在”矢量图下面。因为在配准的过程中TM图像同样具有了地理信息，所以它可随矢量图同时移动、分大、缩小等，这样在需要的时候使用TM图显示植被情况，用于防火辅助决策。

l 等高线矢量化：
等高线作为单独的一层，通过数字化以后与其它图形信息 叠加在一张大 图中，等高线的属性中必须输入高程值，系统根据高程值可生成三维图。


3．基本功能分析
任意的漫游
方便的面积量算与距离量算
开放的线型与符号库
地图信息检索
专题地图
数据库系统管理
数字地形模型制作
虚拟现实
网上地图浏览
防火指挥
森林火险区划分布图
根据森林分布、地形条件（坡度、坡向）、森林地段发生火灾的难易程度和危害程度，分三级：
I级，火灾危险性大
II级，火灾危险性中
III级，火灾危险性小
可将分布图叠加到全林区总图之中。
l 林火的预测预报
1、火险等级预测预报
利用气象数据和相关的数据进行火险等级分析并形成相应的火险等级分布图。火险天气等级划分为五级。等级的生成利用现有的数学模型，地理信息系统中需要将等级分布图叠加到行政区划图、林相图中去。　
2、预防措施决策：
系统随时提供火险等级分布图，分布图与行政区划图、林相图进行叠加，因为在其中同时包含等高线层，所以可在三维图中同时显示林班（可用专题地图的方式区分不同的林种并显示图例）、行政区界与火险等级分布图，将火险范围和与之覆盖的林区林种非常直观地显示出来，为林火预防决策提供科学的依据。
l 林火监测与林火定位
及时发现林火，系统在界面中提供方便的工具进行林火的定位。在定位的功能上应为基于GPS的应用提供接口，一般的模式是这样的：
使用机载设备或车载设备，接收GPS卫星定位信息，通过短波进行远程传输，通讯控制机使用串行口与接收设备连接，通讯控制机则通过局域网、城域网或广域网等IP网络进行连接。在windows的IP网络中，一般使用socket进行通讯。通讯控制机启动后即与地图工作站建立了TCP连接，在收到数据后，进行处理后发送到地图工作站。地图工作站在收到数据后，需要进行信令的解析以还原其中的坐标然后直接在地图中进行定位。例如飞机绕火场飞行一周，在地图工作站上可直接形成一个封闭的面域，通过简单操作可获取到火场面积，与通过等高线生成的三维图以及林相图、行政区划图、居民地信息进行叠加显示就可与林火的扑救提供支持。
l 林火扑救指挥
系统可以提供“最佳路径的计算”、“火行为预测”、“计算扑火战场所需兵力及机具”、“火头横长”、“火强度”等辅助计算工具，为指挥员制订扑火方案提供参考。
l 其它功能简单描述
1. 林火信息管理：林火各种数据地图、表格、数据库管理、维护查询检索等
2. 三维林相图处理：电子沙盘、三维地图地貌渲染
3. 三维林火趋势模拟显示：模拟火场状况及发火趋势、需要相关林火预测模型的科研成果支持。
4. TM遥感数据拟合、匹配：通过TM数据进行地图拟合匹配等处理显示植被情况
5. 灾后损失评估和灾后处理：自动计算火灾面积和森林蓄积等各项损失并存档
6. 林火统计和历史林火显示：各时段林火数据、显示统计分析
7. 各林业局局端地理信息系统：下属林业局地理信息系统的二级子系统，实现真正意义上的远程实时地理信息系统。
8. 互联网防火系统：以Intranet技术实现的防火远程管理系统，包括签到、信息传递、广播、邮件、通告板、实时天气预报等等