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森林火灾损失评估系统的研究与实现

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第34卷第6期 2006年11月 东北林业大学学报 Vo1.34 No.6 NOV.20o6 JOURNAL OF NORTHEAST FORES rRY UNIVERSITY 森林火灾损失评估系统的研究与实现 王霓虹 吕 瑞 (东北林业大学,哈尔滨,150040) 傅学杰 (黑龙江省大学) 摘要在借鉴国内外多种分类方法和算法的基础上,对森林火灾直接损失给出了相应的评估方法和评估公 式,并且对森林火灾间接损失及森林火灾生态效益损失的有关因素进行了评估与说明。并以马林林场为例.集成 Struts框架与Hibernate中间件技术开发了一套比较完整、具有了MVC三层结构的森林火灾损失评估系统。 关键词森林火灾;损失评估;Struts;Hibernate 分类号TP399 Realization of Assessment System for Forest Fire Loss/Wang Nihong,LU Rui(Information and Computer Engineering College of Northeast Forestry University,Harbin 150040,P.R.China);Fu Xu ̄ie(Heilongjiang University)//Journal of Northesta Foresty Unirversity.一2006,34(6).一31~33 Corresponding assessment md ̄od and formula for direct loss due to forest fire were given by consulting various kinds of classification me ̄ods and algorithms from domestic and abroad.Some factors related to indirect loss and ecological ben. efit loss were discussed.A set of relatively complete assessment system for forest fire loss Was developed taking Malin forest farm as an example.which integrates Struts frame with the middleware technology of Hibernate and has three layers of MVC. Key words Forest fie;Loss estirmation;Struts;Hibernate 森林火灾损失评估是森林火灾管理的主要组成部分,是 做好森林火灾善后管理的关键。大火发生后,森林防火的管 理人员要对火灾造成的损失进行评估,该项工作往往要进行 大量的野外测量和数据统计。但由于发生火场区域的不规则 性,致使统计的数据量相当大,有时大大超过二类调查的汇总 工作,这样就增加了火灾损失评估的难度,使一些单位放弃了 认真的评估工作。同时,评估的数据量大,势必会影响统计数 据的速度,即使小面积的火场,人工计算也要几天才会得出评 估结果,尤其在进行林火损失预测时,很难及时地为扑火决策 者提供依据。因此,提高林火损失评估速度、减少工作量、提 高评估的精度是急需解决的问题。笔者仅以大兴安岭塔河林 业局马林林场的二类森林资源与该林场某次典型火灾为研究 对象,利用数学理论、森林防火专业知识、图形图像处理技术、 WEB地理信息系统技术、数据库技术、网络开发技术等…,建 立了森林火灾损失评估各参数理论模型,并开发了基于B/S 应用结构的森林火灾损失评估系统,旨在为林业局及林场的 森林资源信息及森林防火工作的有效管理提供辅助决策。 林木资源损失 靠接 损失 森林火 灾损失 间接 损失 图1 森林火灾损失评估分类 1.2评估的理论 1.2.1林木死亡率的确定 一一一一一一一一 1评估的理论和模型 1.1评估的内容 目前,国内外对森林火灾造成的经济损失主要以两种方 法评估。第一种将损失分为4类:森林资源损失、直接经济损 失、间接经济损失、森林环境经济损失。第二种将损失分为直 接经济损失与间接经济损失两大类进行评估。经过研究认 为,在第一种划分中,直接经济损失、间接经济损失极易与其 他两种损失混淆,所以选择了第二种划分方法。针对有人曾 提出第二种划分方法过于简单、无法包括各种经济损失内容 的说法 j,笔者根据孔繁文提出的森林火灾效应略图 ,对 该方法进行了进一步的划分,得到的评估内容见图1。 第一作者简介:王霓虹,女,1952年7月生,东北林业大学信息与 计算机工程学院,教授。 收稿日期:2005年11月8日。 责任编辑:张建华。 森林火灾损失评估分为火灾发生时的预评估和火灾发生 后的实评估。 火灾发生时的林木死亡率根据火强度和林木胸径为因素 获得。火灾发生后林木死亡率以灾后现场判断的火灾程度标 定。笔者以大兴安岭马林林场近5年火灾现场记录的各不同 火灾程度的死亡林木株数为依据,设定:火灾程度为重度时, 林木死亡率为0.8,中度死亡率为0.5,轻度死亡率为0.2。 1.2.2林价的确定 森林火灾造成的损失,除了以过火面积和林木损失蓄积 量为考察依据外,还要参考以此为基础的损失金额,最终将损 失的结果落实在经济损失上。因此,林价是评估森林火灾造 成林木资源损失的重要依据。根据目前林业部门的精神及实 施林价制度的标准,在评估系统的实现中,将立木蓄积量以 150元/m 作为计算林木损失额的林价,同时提供给用户可 根据具体情况输入实际林价的接口。 1.2.3直接经济损失额 林木死亡率、林价及各类林木过火面积是影响直接损失 维普资讯 http://www.cqvip.com

32 东北林业大学学报 第34卷 地极并不完全一致,所以磁北方向与真北方向常有一定的夹 1.2.4间接经济损失额 角。这个夹角叫做磁偏角。实际应用时必须根据当地的磁偏 1.2.4.1现场扑火费用 角予以订正磁北。利用扫描仪对纸图扫描,并录入计算机,使 间接经济损失的计算是一个复杂难统一的部分,其中,森 用图像处理软件及数字化工具软件将扫描的图像进行图像纠 矢量化等一系列处理后,转化为配以高斯坐标的shape文 林火灾现场扑火费用是目前可以以定量的形式计人森林火灾 正、总损失的间接损失中唯一的一种费用,笔者认为主要包括的内 件,并建立火灾区域图属性数据库。数据库中需要录入火灾 最后使用ArcView按照火灾程 容及计算标准为:人工费用包括人员分类、工时及单位费用。 日期、火烧程度、林火编号等,人员按扑火人员在实际扑火中承担的任务进行分类。其中:骨 度染色得到矢量与栅格文件。 干人员包括森警和专业扑火队、快速扑火队;一般人员指群众扑 2.2林相图来源与处理 火队;辅助人员指指挥、调度、通讯、后勤等部门的工作人员。工 系统选用塔河数字化林相图,应用ArcView得到塔河林业 及其经济损失评估结果精确性的3个重要参数,笔者对这3 个参数的获得进行了重点研究。 则是通过地面或地图上某点指向北磁极的方向。由于磁极与 时为参加扑火人员的工时,一般以h/人为单位。单位费用为各 类人员的每人每小时费用,单位是元/h。扑火人工费见公式1。 D=C1 XM1 XS1+C2 XM2 XS2+C3 X M3 X (1) 式中:D为现场扑火费用;C,为骨干人员工时;M,为骨干人 员单位费用;s。为骨干人员人数;C 为一般人员工时;M 为 一般人员单位费用; 为一般人员人数;C3为辅助人员工时; 为辅助人员单位费用; 为辅助人员人数。 计算车辆费用时,将扑火用车分为消防、运输和指挥车3 种,类同人工费用计算即可。实际运输车还可能可分为多种, 可按实际发生计算。飞机费用、后勤费用、通讯费用及扑火机 具损耗、折旧、油料等费用的计算,都按实际发生情况计算。 1.2.4.2森林生态环境资源损失 森林生态环境资源损失是指森林火灾对森林生态系统中 非林木资源的有机体及其整个生态环境所造成的一切后果而 带来的全部损失 J。 根据周晓峰等的研究资料,森林每年吸收二氧化碳总量 S为 : S=S1 XKI+S2 XK2。 (2) 式中:s。、s 分别为针叶林和阔叶林面积;K。、 分别为单位 面积针叶林、阔叶林木固定二氧化碳测定值 J。 根据张佩昌等编著的《中国林业生态环境评价、区划与 建设》,确定每立方米木材蓄积贮碳0.27 t,则森林总贮碳量 C为 : C=总蓄积量X0.27 t。 (3) 根据李金昌在《生态价值论》中提出的森林土壤的碳贮 量占森林总贮碳量的13%为依据,则森林土壤层每年贮碳量 为 : M=森林总蓄积量X0.13 (4) 根据公式(3)、(4)可以推算出森林火灾所造成的二氧化 碳残留量、贮碳量的损失。 2数据来源与处理 2.1火灾区域图来源与处理 系统以大兴安岭塔河林业局马林林场为例,使用由火场 模拟系统(项目中另一子专题)获得的火灾区域图进行火灾 预评估。笔者曾考虑采用卫星技术取得火灾区域图进行火灾 实评估。主要是因为美国陆地卫星TiM影像以其丰富的光谱 信息、30 m的空间分辨率、较短的覆盖周期和较高的几何保 真度吸引了众多应用部门 J。但是由于卫星需要16 d才能 对地球覆盖一次,所以在某时某地发生火灾时卫星未必恰好 覆盖该区域。同时,遥感图像不能够准确地反映火烧程度。 因此,本系统选用人工现场绘制的塔河林业局马林林场某次 火灾图纸,此图是使用罗盘仪测定绘制的略图,记录了火烧程 度值。罗盘上指针所指的北,称为磁北,而林相图的北称为真 北。真北是通过地面或图面上某点指向北地极的方向,磁北 局马林林场各专题图、林班图、小班图矢量数据和属性数据库。 小班属性信息包括小班面积、林种、树种、林龄、蓄积、郁闭度等 多个字段,是森林资源管理和火灾损失评估的主要依据。 2.3局部配准 在组织空间数据时,各数据层不但投影和比例尺要进行 一体化匹配,而且还要考虑某些地物局部位置要一体化。由 于林相图和火灾图来源于不同的数据源,因此两图中同一空 间实体可能出现位置上的偏差,此时就需要进行局部位置上 的配准。在进行局部位置配准时,应以林相图各图层为准,因 为它们经过上述一系列数字化处理后已经是精度比较高的图 层。在ArcView中以林相图扫描图要素为标准,使用Vertex edit对火灾图层的相应要素进行一体化配准。 2.4过火面积的获得 将林相图、各专题图及火灾区域图通过上述处理完成了 信息提取与记录信息工作后,对数据进行数据格式转换,生成 能够进行空间叠加,取得火灾区评估数据的格式。 数据格式转化,可以实现将矢量数据转换成栅格数据、栅 格数据转换成栅格文本数据两个功能,目的是为了能够将这 种格式的火灾区域与作为底图的林相图进行叠加,以精确地 对照位于火灾区的林班、小班、面积等评估数据。该转换工作 在ArcView3.2中进行。 林相图和火灾图经过数字化和数据格式转换后,便生成 了系统需要的数据格式。调用空间数据叠加模块,叠加分类 的结果即可作为火灾统计的数据。 由于二维矩阵可以在数学上能够准确地定义、简化所包含 的内容,对每个矩阵元素可以应用相同的运算,可以处理空间 属性信息的综合、再分类、空间拓扑关系中的叠加和其他信息, 以及对二维矩阵的循环运算可与编程语言中的循环语句相对 应,所以能够实现陕速运算。因此,本系统采用二维矩阵存储 火灾栅格数据和林相小班数据。由于两个栅格数据代表同一 区域、坐标一致、划分的空间单元格大小一致,所以在各自相应 的矩阵中每个单元代表了同一位置的空间单元,只不过是代表 的属性数据不同而已。在空间叠加分类中,逐行逐列读取火灾 二维数据所记录的火灾程度值,如果火灾程度值为1或2或3, 表明在该矩阵单元所代表的空间单元有火灾发生,读取该矩阵 单元的行号与列号。在林相小班矩阵中读取对应火灾矩阵的 行号与列号的单元数据,即林班小班号,得到位于火灾区的小 班号。根据得到的林班、小班号查找属性数据库,将林班、小 班、树种、郁闭度、龄组、平均径等关键字读取出来存入火灾区 域数据库中,以火灾编号,即年份+火灾次数+季节每次火灾 的识别字段。该数据是用来进行评估的重要数据。 3系统设计与实现 3.1系统总体设计 系统具有一般的地理信息系统功能:图层显示、数据格式 维普资讯 http://www.cqvip.com

第6期 王霓虹等:森林火灾损失评估系统的研究与实现 33 转换、图层叠加。数据格式转化实现将矢量数据转换成栅格 数据、栅格数据转换成文本栅格数据两个功能,目的是为了能 够将火灾区域与林相图进行叠加。传统的火灾损失评估系统 需要事先将所需数据拷贝到服务器中才能进行评估。系统利 用网络实现了文件上传功能,用户可使用该功能将实际的林 相图和过火图矢量或栅格文件上传到服务器进行图层显示与 数据格式转化。 系统专题功能包括森林火灾损失预评估和损失实评估。 损失预评估就是利用火场蔓延模型模拟得到火灾区域图,再 根据林相图预先评估林火中的森林损失,本功能得到两个结 布式的应用,同时是对J2EE1.5技术、Web服务和相关标准 的一种实现,因此将其作为开发和部署基于Java的Web应用 程序理想的应用服务器。 系统开发结构见图2。 果:一是按主要树种统计的火灾面积、火灾区域林木蓄积、损 失蓄积和按林价计算的经济损失;二是按树木龄组统计的火 灾面积、火灾区域林木蓄积、损失蓄积和按林价计算的经济损 失。损失实评估则是以火灾后经过调查得到火场实际区域 图,再根据林相图评估林火中的森林损失,本功能得到3个结 果:一是按主要树种统计的火灾面积、火灾区域林木蓄积、损 失蓄积和按林价计算的经济损失;二是按树木龄组统计的火 灾面积、火灾区域林木蓄积、损失蓄积和按林价计算的经济损 失;三是按火灾程度统计的火灾面积、火灾区域林木蓄积、损 失蓄积和按林价计算的经济损失。 3.2系统的实现 系统前端采用Struts。Sturts是一个比较好的MVC(Mod. el—View—Controller)框架,提供了对开发MVC系统的底层 支持。它把Java Web应用分为模型(Mode1)、视图(View)和 控制器(Controller)3层。视图由一组JSP(Java Server Page) 文件构成。JSP文件由HTML代码和嵌入其中的Java代码所 组成。它具备了Java技术的简单易用、完全面向对象、具有 平台无关性且安全可靠、主要面向Intemet的所有特点。控制 器提供了应用的处理过程,由AcfionServlet和Action来实现。 模型是应用中最重要的一部分,它包括了业务数据和业务逻 辑,并与视图以及控制器之间保持。通过这种设计模型 把应用逻辑、处理过程和显示逻辑分成不同的组件,即不同的 层次来实现,提高了组件的性、交互性和重用性。 在Sturts框架中,把数据库层和持久化层并为模型层,但 笔者对模型做了细化,把它分为模型层、持久化层和数据库 层。系统在持久化层选用Hibemate中间件开发,模型层通过 Hibernate API访问持久化层,而控制层的Action通过业务代 理接口访问模型层。业务代理接口为自定义提供访问模型层 的Java类。 Hibernate是一种新的ORM(对象一关系映射Object— Relation—Mapping)映射工具,它不仅提供了从Java类到数据 表之间的映射,也提供了数据查询和恢复机制。相对于使用 JDBC和SQL手工操作数据库,使用Hibernate可以大大减少 操作数据库的工作量。Hibernate可以与多种Web服务器或 者应用服务器良好集成,如今已经支持几乎所有的流行的数 据库服务器(达16种),其中包括本系统所使用的Oraclel0g Servero 本系统采用基于JAVA即JSP的WEBGIS组件…Arc Gis Server9.0 JAVA ADF(Appllication Development Frame- work)作为地理信息系统二次开发组件,主要实现空间信息的 网上发布,并为系统升级为企业级应用程序提供扩展接口。 由于本系统是网络应用程序,所以需要使用应用服务器。 系统选用BEA公司的Weblogic Server 9应用服务器。它是市 场上领先的应用服务器,适用于企业级的、多层次的、完全分 图2系统开发结构图 3.3系统运行结果 系统运行部分结果为:火灾面积为1 6647.5 hm ,过火的林 木蓄积总量为588 602.5 m ,烧毁的林木蓄积量为296 006.75 m ,林木损失金额43 121 022.5元,遗留有105 673.4525 t二氧 化碳,碳流失79 921.822 5 t。 4结论 传统森林火灾损失评估系统仅提供直接经济损失,很少 涉及间接经济损失,尤其是森林资源损失方面,这些都是本系 统研究与实现的重点。在实现技术上,系统采用目前比较流 行并受到好评的JSP+Sturts+Hibemate开发语言模式与思 想,使系统具有平台无关性、易扩展性和网络性等特点。 但是对于间接经济损失计算模型的研究,仍处于初步与 尝试阶段,计算结果尚不十分精确,相信随着林业科学、3s (地理信息系统、全球定位系统、遥感)技术、测绘科学、计算 机技术等发展,能够建立一个功能更加完善、计算结果更加精 确的基于WEB的森林火灾损失评估系统。 参考文献 [1] 王霓虹.基于WEB与3s技术的森林防火智能决策支持系统的 研究[J].林业科学,2002,38(3):114—119. [2] 陈友荣.森林火灾损失的分类[J].福建林业科技,2004,31(2): 65—74. [3]姚树人,于建辉.森林消防管理学[M].北京:中国林业出版社, 2002:12. [4] 郑宏,张玉红.黑龙江省林火信息管理与火灾损失评估系统的 设计[J].森林防火,2003(4):18—21. [5]张国防.森林火灾直接和间接经济损失[J].森林防火,1998 (1):21—23. [6]朱万昌,梁延海,张静,等.黑龙江省大兴安岭森林功能研究 [J].中国造纸学报,2004,19(增刊):453-456. [7]储菊香.森林火灾损失评估系统FFIREGIS的研制与开发[J]. 林业资源管理,2002(5):56—58. [8]Zhou X,Zhang Y.Statistics Based Predictive Geo—spatial Data Mining:Forest Fire Hazardous Area Mapping Application[M]. Heidelberg:Springer Bedin,2003. 『9]Sloot P M A。Kenneth Tan C J,Dongarra J J.Numerical Solution of Reynolds Equations for Forest Fire Spread[J].Computationla Sci- ence,2002,21(2):823. [10] Isaev A S.Using Remote Sensing to Assess Russian Foerst Fire Carbon Emissions[J].Springer Netherlands,2002,55(2):235— 249. 

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