摘 要：森林防火人员监控调度指挥系统是根据森林防火人员调度指挥工作的实际需要，设计并实现的基于北斗定位导航技术、GPS、GIS的软硬化一体平台。系统实现的功能主要有：人员实时定位、重点区域或人员监控、巡护人员与系统互通信、人员历史路径查询、人员巡山防火执勤工作量统计等。该系统构筑了森林巡护工作的信息服务网络，加强了森林巡护工作的落实，并为科学地应急指挥调度提供决策支持。
关键词：地理信息系统；北斗；GPS；森林防火
中图分类号：TP39 文献标识码：a DoI: 10.3969/j.issn.1003-6970.2012.02.009
Forest Fire Patrol Command System Based on Compass and GPS CHeN Jun1, ZHaN Lei2 ,waNG Yuan-fei1(1.Key Laboratory of Geographic Information Science of Ministry of Education, East China Normal University, Shanghai 200062, China; 2.Shanghai Institute of Technical Physics of the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China)
【Abstract】 This paper designed and implemented a fire patrol command system which is used for the daily management of fire patrol and the coordination of emergency response, according to the pratical demands in forest fire prevention work. Forest fire patrol work is integrated with the technology of Compass Navigation Satellite System, Global Positioning System and Geographic Information System. the command center system is used to display the patrolmen’s real-time position, calculate their workflow, communicate with fire patrolmen, query history patrol routes, monitor key areas, and get the accurate position of fire danger and response to it.It established a network of information on forest patrol work to help ensure the work of forest fire patrol and provide scientific support on emergency command.
【Key words】GIS; Compass; GPS; forest fire Patrol Command System
0 引 言
森林火灾因为其突发性强、破坏性大、处置救助较为困难等原因，一直以来对其防治都是一个难题，做好森林防火工作已成为林业工作的重要组成部分[1]。一方面，由于森林面积大、范围广，所以在传统的森林巡护作业中，往往会存在巡护路线不合理、巡护不到位、责任区划分不清、错划、漏巡等现象，这些都会导致火情不能被及时发现。另一方面，火灾一旦发生，需要调度指挥中心的快速反应，火灾发生的精确位置获取以及如何安排扑火队员最快到达是十分重要的[2]。再者，森林火情出现时，需要及时畅通的通信联系建立起灭火指挥机制，而在森林茂密偏远地区，移动网络及其他通信信号往往无法覆盖，导致通信中断或不畅，北斗卫星导航系统特有的短报文卫星通信机制是解决通信问题的技术关键。为此我们提出了基于GPS、北斗导航定位技术的人员巡护模式，以宁波鄞州区为试验基地，建立了以北斗短报文通信与移动网络通信融合为核心，GPS/北斗双模定位系统与GIS集成的森林防火人员调度指挥位系统。
宁波市鄞州区位于浙江省东部沿海，全区土地总面积200万亩，其中林业用地面积101.8万亩，有林地面积98万亩，森林覆盖率49.12%，森林总蓄积量达199万立方米[3]。由于实验区位于浙江东部人口稠密地区，人员巡山是森林防火以的主要模式，为此我们为林区巡护人员配备了便携的GPS/北斗手持设备，通过北斗卫星与移动网络建立起林火巡护人员与指挥中心之间的联系。调度指挥中心可通过WebGIS平台实时获取并显示巡护人员的位置、火情等信息，并通过这一平台发送有关指令信息，提高了森林防火巡护工作的信息化程度。
1 系统的构成与工作流程
系统是在Internet上实现的GIS、GNSS、GPRS集成的软硬件一体化平台，由卫星定位导航系统、定位终端、监控指挥中心、通信链路四部分组成。
1.1 卫星定位导航系统
卫星定位导航系统由GPS和北斗卫星导航系统组成。GPS是美国从20世纪60年代提出方1993年全面建成的卫星
图 1 系统构成与工作流程
Fig.1 The System Structure and Working Process导航系统，目前已被广泛应用于各行各业[4]。北斗卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统，具有一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力[5]。其范围覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区，具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持。同时北斗卫星导航系统还具备短报文通信服务，从而可以使用户与中心控制系统、用户终端之间进行数据通信[6]。
将北斗定位导航系统和GPS结合在一起使用，不仅可以将两者的定位导航作用发挥的更好，增加定位精度，避免了通信盲区，而且可以使用户终端和中心系统具备通信功能，有助于森林防火工作中的定位、导航、通讯、指挥、调度的进行，为各种突发事件提供安全、可靠、便捷的通讯保障服务。
1.2 定位终端
定位终端是指配备给森林防火巡护人员的手持设备，设备同时具有定位和通信的功能。系统采用的定位终端包括GPS手机和北斗手持机两种类型的设备。
GPS手机可以捕获到GPS卫星信号，并根据接收到的卫星信号，按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。将GPS结合到手机中，弥补了GPS终端不具有通信功能的缺陷，可以通过手机向指挥中心发送定位及其他信息，以及接受指挥中心信息。
北斗手持机是在捕获到北斗卫星信号后发送定位申请，然后获得由中心控制系统计算得到的定位结果。北斗手持机同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持。
森林防火巡护人员配备定位终端后，可查看自己的当前位置，进行定位和导航，并且接收来自监控指挥中心的指令或向中心反馈巡护情况。而监控人员通过定位终端返回系统的信息，可以了解巡护人员的巡护路线和出勤情况等，一旦发生紧急情况，监控人员可以根据各巡护人员所在位置，进行统筹规划，安排人员最快赶赴现场，确保了指挥调度的有效进行。
1.3 监控指挥中心
监控指挥中心由监控平台、数据库、北斗指挥机和短信猫组成。
监控平台，是森林防火监控调度指挥中心人员与系统交互的直接平台，提供了巡护人员位置信息的可视化显示，巡护历史信息、巡护工作统计查询，与巡护人员互通信等功能。平台采用GIS作为空间定位基础服务，在地图上直观地显示巡护情况，同时系统结合林区地理空间数据，如等高线、林区植被种类等信息，为巡护、应急指挥工作提供决策支持和帮助，提高了调度指挥工作的有效性和科学性。
数据库是监控平台的数据存储中心，用于存储所有的实时和历史巡护位置、通信及指令信息、巡护区信息、设备及巡护人员基本信息等。数据库实现了系统的数据存储、管理和备份，为监控平台提供数据服务。
北斗指挥机和短信猫分别为北斗手持设备和GPS手机提供与监控平台的通信功能。
北斗指挥机作为北斗卫星导航系统特有的一种机型，它不但能够定位和通信，还可实时监视下属基本用户的定位和通信信息，利用短信的通播、群发等功能可实现对下属用户的指挥和控制，本系统就是通过北斗指挥机将下属手持机位置信息（即持有手持机的巡护人员位置信息）及通信信息等传递给指挥机的控制计算机所带的监控平台。
短信猫是一种收发短信的设备，通过数据线与电脑相连，结合短信猫程序，就可以实现监控平台计算机与GPS手机的无线数据传输功能。在本系统中，通过短信猫，GPS手机可以将持有者的位置信息以GPRS/GSM方式传输到监控平台中，并且与监控平台实现短信互发功能。
1.4 通信链路
默认情况下，GPS手机的位置信息用GPRS传输。在指定接受方的IP地址的前提下，GPRS服务器将打开设定的Winsock监听端口，监听网络上的TCP/IP数据包。在链路长时间不通的情况下，则更改为GSM通信方式。
北斗通信采用基于地面基站和通信卫星的空地结合无线通信网络。北斗服务器端所获得的是经过地面控制中心解译并特殊编码的通信码，随后，服务器端进行通信码的解析，最终存入数据库中。监控平台通过读取数据库，将新传入数据库的信息显示到系统界面。
2 系统构成
森林防火人员监控调度指挥系统主要由以下四个模块构成：通信服务模块、地图服务模块、数据服务模块和监控平台模块。
通信服务模块：实现平台与巡护人员手持设备之间的数据交互，包括GPRS接收模块、GPSRS发送模块、通信协议编码、解码模块，并且将数据存储于数据服务模块中，与监控平台进行交互。
数据服务模块：用于存储所有的巡护路径、通信及指令信 息、巡护区域划分信息、设备基本信息和分配信息，系统实时运行转台数据等。数据服务子系统实现系统的数据存储、管理和备份，为监控平台提供数据服务。
地图服务模块：地图服务子系统通过采用Google Map地图引擎以及Google Map基础地理数据（含林区等高线图、林区植被类型及道路信息），为监控平台提供可视化管理方式。
监控平台模块：监控平台系统采用B/S的架构方式，所有服务发布成Webservice，用户无需安装软件，在浏览器中输入相应的地址，即可访问平台，对森林巡护工作进行考察和指挥。
图2 系统模块划分Fig.2 System Modules
图3 监控指挥中心平台界面Fig.3 User Interface of the Monitoring Command Center
3 系统功能设计
根据森林防火的实际工作需要，系统被设计成B/S结构的WebGIS，主要实现了以下6个方面的功能：
巡护工作可视化管理。监控指挥中心系统以Google Map为地图引擎，在电子地图上显示人员实时位置、人员巡护路径、信息联系的位置及时间、火警位置等信息。通过此功能，可以避免出现漏岗、缺岗现象，同时可以查看巡护的地点是否合理、是否到位，从而进一步提高了巡护人员的责任心。
人员实时定位。对携带北斗手持机和GPS手机的森林防火员进行实施定位，其位置分别通过北斗卫星通信链路和无线移动网络GPRS方式回传。其中，北斗定位的时间频度1次/分钟，GPS手机定位时间理论精度延迟2秒，视无线网络情况而定，空间精度为10m。在指挥中心系统，也可以选定一定区域或人员进行重点监控，单独连续地观察该区域的巡逻情况或重点监控的人员巡逻情况。
巡护人员之间、巡护人员与系统的互通信。监控指挥中心系统以短信的方式向指定的北斗手持机、GPS手机、GPS手表等设备发送指令，巡护人员通过所持设备接收指挥中心消息，同时也可以用所持设备向指挥中心回馈消息或发送消息给其他巡护人员。一旦有火警或其他紧急情况，巡护人员便可立即向指挥中心发送警报，指挥中心在接收到警报后通过系统可将调度信息即刻发送到其余巡护人员。所有的通信数据都将被存入系统数据库，指挥中心可以对信息进行统计及查询。
人员巡护执勤监督管理。系统可以以历史路径查询的方式，查看一段时间内巡护人员的巡护情况，并可以对此路径进 行回放，查看巡护期间的通信情况，及通信所在位置。通过此数据，一方面可以作为人员巡护工作是否到位的依据，另一方面，可以分析巡护路线合理性，追踪某一次任务的执行情况等。
地理空间数据管理。林区内的地理空间数据，如等高线图、林相图、林界、道路信息等，可以对森林火灾出现时的指挥调度工作进行辅助决策。因此，系统在普通地图的基础上，叠加了这些信息，用户可以根据需要对指定区域内的地理空间数据进行添加、删除、修改等管理。
森林巡护工作基本数据管理。系统涵盖了森林巡护工作中的巡护人员基本信息、巡护路线信息、手持设备信息等，可以作为森林巡护工作的基础数据库。通过系统，可以实现人员基本信息添加、人员巡护区域划定，人员携带设备配备，设备管理等工作。
4 结论
本文提出了北斗／GPS与GIS集成应用的森林防火解决方案，将我国自己的全球定位系统�北斗卫星导航系统成功应用于森林防火领域，并通过实际应用验证了系统的可行性与可靠性。北斗卫星导航系统是森林防火人员调度指挥系统的技术关键，其集成应用不仅为人员和林火的定位提供了必须的技术，更为重要的是它提供了一种全新的无盲区的通信机制。在以GoogleMap为地图引擎的WebGIS实现过程中，解决了林区林相、林区界限、等高线图等数据的叠加这一技术问题，使系统为森林防火调度指挥提供了更丰富且实用的辅助信息。
参考文献
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