北京市京西林場森林防火視頻監控可視域分析及合理布局研究

王天罡 楊洋 咸 鋒 李 虹 苑秋月 陳東澤

[1.北京市京西林場管理處，北京 102300；2.北京市園林綠化規劃和資源監測中心（北京市林業碳匯與國際合作事務中心），北京 100029；3.北京森淼德信園林綠化工程有限公司，北京 102300]

據統計，2010—2021 年，我國森林火災次數將近4 萬次，森林火場總面積5.24 萬hm2，受害森林面積2.06 萬hm2；其中北京市發生火災34 次，造成受害森林面積113 hm2，森林火災嚴重制約著森林資源的可持續發展[1]。

可視域是在三維場景中可以監控的區域，通過監控設備位置、高度和狀態參數，基于地形分析，然后通過幾何運算，獲得視頻在地面上的可見區域，進而獲取可視域面積，得到盲區率和可視域比率。蘇宇軒[2]綜合運用地理信息體統（GIS）空間分析法、實地勘查選址和層次分析法（AHP）等方法，從高山遠程視頻監控點和重點防火區域視頻監控點兩個方向進行選點布局。王彥卷等[3]基于地理信息系統的可視性分析賀蘭山自然保護區通過少量的視頻監控最大化地覆蓋監控范圍。李偉等[4]利用數字高程模型數據，根據泰森多邊形對監測站點監測區域進行可視域分析，獲取其分析指標值。本文基于ArcGIS 10.8 在分析京西林場原有13 個視頻監控的可視域，為后期的加裝監控合理布局提供優化選址減少監測盲區。

1 研究區概況

北京市京西林場地處北京西部，成立于2017 年10 月，所轄林區總面積9 373.33 hm2。林區地處太行山余脈，最高海拔1 625 m，森林植被豐富，垂直分布明顯。林區屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，無霜期150～180 d，平均氣溫7～10 ℃，年平均降雨量500～600 mm。

2 數據與方法

2.1 數據來源

數字高程模型(DEM)來源地理空間數據云，林場轄區邊界來源國土“三調”，原有13 個視頻監控點位根據現場RTK采集數據獲取。

2.2 可視域數據分析

用ArcGIS 10.8 軟件，在數字高程模型（DEM）逐點獲取地面的高程值，利用空間分析工具，提取各視頻監控的觀察點地面高程，編輯屬性表輸入RTK采集的經緯度，按每個視頻監控塔高15 m，內半徑是0 m,外半徑5 000 m計算?？梢曈蚴褂玫氖菧y地線方法?？梢娦酝ㄟ^確定對一組觀察點要素可見的柵格表面位置，或識別從各柵格表面位置進行觀察時可見的觀察點（表1）。

林區視頻監控一般部署于云臺上，通過云臺運動，帶動視頻監控攝像機進行大范圍的視角移動[5]，利用單個視頻監控點的屬性，使用空間分析Analyst工具導出視頻監測可見性區域，使用掩膜Spatial Analyst工具提取林場范圍內視頻監控點可見性區域，設定柵格圖層像元大小值30 m，以及像元點數(以點位1 桃園為例可視像元點數1 2571 個)?？梢暶娣e1131.39 hm2，林場內區域可視面積764.46 hm2。依次提取出林區范圍每個監測點的可視范圍及不可視范圍，并再次根據圖層像元求出可視域面積（表2）。

表2 各視頻監控點可視域面積匯總表Tab.2 Summary of viewable area of video monitoring points

通過對13 個視頻監控點逐一分析并擬合后，得出監控可視域總面積12 386.18 hm2，林場范圍轄區區域內總可視面積7 198.47 hm2，轄區總面積是9 373.33 hm2，即京西林場防火視頻監控覆蓋率是76.79%，低于全市森林防火監控覆蓋率85.00%。主要原因是珠窩、河南臺、雁翅和二斜井四個林區無防火視頻監控，木城澗南部及齋堂山東部有視頻監控盲區（圖1）。

圖1 林場各視頻監控點位可視域范圍Fig.1 Visual range of each video monitoring point in the forest farm

2.3 合理布局研究

2019 年“二類”調查數據顯示，北京市京西林場森林覆蓋率是26.88%。通過淺山臺地、淺山荒山及困難立地造林，截止2022 年底，森林覆蓋率提升至37.4%，隨著近年人工造林力度的持續加大,中、幼齡林面積比例越來越大，存在林木自身抵御火險能力不足的特點。如果發生火災,森林資源將遭受重大損失，甚至造成毀滅性的后果。做好森林防火預警監測，提高預警監測能力，確?；鹎榛鹁脑绨l現、早預防、早處置和早撲滅，才能有效避免森林火災發生和降低火災造成的損失[6]。增加視頻監控數量，合理優化監測布局，提高林場防火視頻監控的覆蓋率。加快森林防火監控系統建設，實行自動化決策和信息化管理。

2.3.1 選址原則 視頻監控的選址要考慮節省建設成本，靠近公路沿線或周邊建設，充分考慮供電系統的同時，重點分析視頻監控通視范圍和可視域，海拔較高地形開闊處作為選址點。1）通過地形的可視化和空間分析，結合原有視頻監控，實現資源最優配置；2）監控視頻點裝在林區相對制高點，監測面積廣、視野開闊無障礙；3）視頻監測點之間的距離不小于5 km，分布均勻；4）同一區域內，選擇火險等級較高的地方，如陽坡、開闊地、距離居民較近的火災易發區。

2.3.2 地形圖選取 本研究選取的是在1 ∶50 000 的數字高程模型(DEM)作為基礎數據，采用2000 國家大地坐標系，其等高線間距是50 m，最大值是800 m，最小值是0 m。

2.3.3 山頂點提取 山頂點的提取方法是利用ArcGIS的空間分析技術，使用等值線空間分析導出DEM等高線，創建由矩形像元組成的網格，輸出面要素后在等高線基礎上生成2 500m×2 500m的格網，再將等高線圖用切分工具打散，根據每個格中屬性表中等高線的最大值，當作山頂低點的擬建位置（圖2）。

圖2 擬安裝防火視頻監控點Fig.2 Fire prevention video monitoring points are to be installed

通過ArcGIS軟件對林場區域內DEM數據提取山頂點或者山脊點共計41 個，對喬木林地圖層和山頂點圖層進行了疊加分析，刪除原有13 個視頻監控滿足可視域范圍內的山頂點，同時剔除因邊界效應的影響誤判的山頂點，按照節約型原則達到視頻監控點合理布局，同時考慮生境、地類、坡向、坡度以及海拔等因子，若遇到多個山頂點距離較近且均落在邊界附近，則取海拔較高的山頂點[3]。

2.3.4 可視域分析 ArcGIS中求每個山頂點的可視域，利用山頂點提取模型，計算山頂點可視域及覆蓋率（表3）。通過地理空間分析和可視域最大化擬作為視頻監控布設點。

表3 擬新建視頻監控點可視域面積匯總表Tab.3 Summary of viewable area of video monitoring points

剔除與13 個原有視頻監控點重合、相近的點，剩余監控點中距離相近的選擇高程值更高的點，同時剔除現實中地形過于陡峭的點，將剩下的點使用可見性工具導出可視域面層。使用柵格轉面工具將8 個擬安裝視頻監控點與13 個原有視頻監控點可視域圖層從柵格要素轉為面要素，再將兩者的面要素通過聯合工具將所有要素及其屬性都輸出為一個面要素圖層，以此提取面積無重疊的視域總面積。

擬建新8 個視頻監控，分布在四塊飛地、桃園林區、木城澗林區各1 個，齋堂山林區2 個。點①擬建視頻監控在木城澗林區，林場內可視域范圍最廣1 306.08 hm2；點⑧覆蓋二斜井全域面積11.97 hm2；點③④位于齋堂山，由于林區山高坡陡，海拔高差大，這里保存北京國有林場中面積最大的人工落葉松林，生態價值較高，作為重點區位布設2 個防火視頻監控（圖3）。

圖3 林場全域21 個監控視頻點可視域范圍Fig.3 21 monitoring video points in the whole area of the forest farm

3 結論

利用GIS可以有效分析防火監控點的可視域范圍，確定監測點可視域評價和優化方案，能夠掌握防火監控視頻監測效果和覆蓋范圍，為可視化指揮、智能化決策提供信息支撐[7]。京西林場已建視頻監控可視域12 386.18 hm2，林場范圍轄區區域內總可視面積7 198.47 hm2，防火監控覆蓋率是76.79%。結合林場相關土地類型及重點監測范圍，通過GIS技術和林場DEM模型，以原有監測點空間分布為基礎對擬新建防火監控點合理布局進行分析，最大限度增加監控覆蓋范圍，提出擬新建8 個防火視頻監控點，與原有監測點擬合后總可視域22 905.18 hm2，林場范圍轄區區域內總可視面積增加至8 508.34 hm2，監測覆蓋率可達90.81%。未監測區可以借助無人機進行覆蓋[8]。