吉林省林区瞭望台配置与林地可视性分析

2022.06.18

孙思琦张吉龙邸雪颖杨光

摘要：? 為了给吉林省瞭望台管理优化提供科学参考以及为其他省份的监测型防火资源配置提供借鉴，基于吉林省林区现有瞭望台统计数据及地理信息数据，利用ArcGIS技术和统计分析软件，对吉林省现有瞭望台的基础设施配备与林地可视性进行分析。结果表明：吉林省现有瞭望台分布不均，主要集中分布在中、东部林区，构成了比较完整的森林火情监测网络，对连年无重大森林火灾起到了重大作用;大部分瞭望台建成时间较早，几乎全部瞭望台为永久性的砖石或金属结构;仅少数瞭望台安装有中继台，逾半数瞭望台配有供电设备，其中多数使用太阳能供电，少数使用220 V交流电;全省瞭望可见率达63.61%，高于全国平均水平;不同区域林地可视性存在差异，吉林市和延边朝鲜族自治州林地可视性优于其他地区;重点森林火险区平均瞭望可见率为56.55%，非重点森林火险区瞭望可见率仅为15.01%。综上所述，吉林省林地可视域中东部密集，西北部稀疏，与瞭望台分布情况相对应;重点森林火险区林地可视性明显优于非重点森林火险区。建议加强对非重点森林火险区瞭望台监测网点建设，根据目前林地监测盲区因地制宜地增设瞭望台。

关键词：吉林省林区;瞭望台;林地可视性

中图分类号：S762??? ?文献标识码：A?? ?文章编号：1006-8023（2020）02-0073-08

Analysis of Configuration and Forest Visibility of Lookout Towers in Jilin Province

SUN Siqi1， ZHANG Jilong2， DI Xueying1， YANG Guang1，3*

（1.School of Forestry， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China; 2.Northern Aerial Forest Fire Protection Station of State Forestry Administration， Harbin 150000， China; 3.Ministry of Education Key Laboratory

of Sustainable Forest Ecosystem Management（Northeast Forestry University）， Harbin 150040， China）

Abstract： ?In order to provide scientific reference for the optimization of lookout towers in Jilin Province and guidance for monitoring forest fire prevention resources in other provinces， based on existing statistical and geographical data of lookout towers in Jilin Province， by using the ArcGIS and statistical analysis software， the configuration and forest visibility of existing lookout towers was analyzed. The results indicated that， the existing lookout towers in Jilin were unevenly distributed， mainly concentrated in the central and eastern forest region and constituted a relatively complete network of forest fire monitoring， which has played a major role to ensure that no major forest fires in successive years. Most lookout towers were built in earlier time， and almost all were permanent brick or metal structure. Only a few lookout towers installed relay stations， more than half equipped with power supply， and most of them used solar power， a few used 220V AC. Jilin Provinces visible rate reached 63.61%， higher than the national average. The forest visibilities in different geographic regions were varying， Jilin and Yanbian Korean Autonomous Prefectures forest visibility were better than other areas. The average visible rate in key forest fire risk zones was 56.55%， while the visible rate in non-key forest fire risk zone was only 15.01%. In conclusion， the forest visibility corresponded to the distribution of lookout towers， so that viewsheds in the middle and eastern areas were dense and in the northwest they were sparse. The forest visibility in the key forest fire risk zones was significantly higher than that of the non-key forest fire risk zones. To strengthen the network within non-key forest fire risk zones， increase the density of lookout towers according to the current forested land being monitored and non-visible areas.

Keywords： Forest region of Jilin Province; lookout towers; forest visibility

收稿日期： 2019-11-13

基金項目： “十三五”国家重点研发计划子课题（2017YFD0600106-2）;国家自然科学基金面上项目（31870644）;中央高校基本科研业务费专项资金（2572019CP10）

第一作者简介：孙思琦，博士研究生。研究方向：林火管理。E-mail：[email protected]

*通信作者：杨光，博士，副教授。研究方向：林火管理。E-mail：[email protected]

引文格式：孙思琦，张吉龙，邸雪颖，等. 吉林省林区瞭望台配置与林地可视性分析[J]. 森林工程，2020，36（2）：73-80.

SUN S Q， ZHANG J L， DI X Y， et al. Analysis of configuration and forest visibility of lookout towers in Jilin province[J]. Forest Engineering，2020，36（2）：73-80.

0 引言

我国是森林资源大国，同时也是遭受森林火灾危害最严重的国家之一。据统计，受全球气候变暖与人类生产活动的影响，2006—2015年，我国年均森林火灾次数为6 821次，年均受害森林面积达66 839.8 hm2，损失尤为惨重。随着国家六大林业重点工程的实施，我国森林资源数量稳步发展，第八次全国森林资源清查结果显示，全国森林面积达2.08亿hm2，森林覆盖率达21.63%[1]，森林资源安全维护任务愈加繁重。

瞭望台是森林防火系统工程中的重要基础设施[2]，属于地面防火资源之一，同时也是监测型森林防火资源[3]。瞭望台监测即利用在地面制高点上的瞭望台登高望远，以便及时发现火情并准确确定火场位置[4-5]，其与地面巡护、空中巡护和卫星监测共同组成立体林火监测的4个空间层次，是目前我国南北方林区使用较为普遍的林火监测方式。

随着我国科技的发展，高科技不断被应用于林火监测中，但瞭望台监测的高新科技应用率还不高，自动化与网络化程度也较低，仍落后于许多发达国家。除了加强人工观测的瞭望台系统，美国、加拿大、德国以及西班牙等一些国家，已利用自动监测设备设置了无人瞭望台，可随时将火情传输到指挥中心[6]。其中，德国使用的森林火灾自动预警系统（FireWatch System）能够远距离地对大面积森林进行观测，并且能自动识别与定位森林火灾，是当前欧洲较新的技术，德国全部防火瞭望台已被该系统所取代[7-8]。迄今为止，国内外学者对瞭望台的研究内容比较丰富。国外学者侧重研究影响瞭望台探测火灾准确性与及时性的因素，以及新技术在火灾探测中的应用[9-10]，如Rego等[11]结合了地形和空气透明度的间接影响，利用火灾探测功能模型（Fire Detection Function Model）评估了距离对瞭望台探测到火灾可能性的影响;Buck[12]通过点烧实验中统计的野外数据，得出了影响瞭望台观测到火灾所用时间的一些物理因素。我国学者对瞭望台的研究还不够全面和深入，多从瞭望台选址原则和方法的角度进行研究，而对现有瞭望台情况的研究相对较少。如熊惠[13]提出利用直断面图法进行瞭望台选址;杨志高等[14]将GIS技术应用到瞭望台选址中，并结合模糊数学得出候选台址的优劣排序;黄贝[15]将层次分析法与模糊数学理论结合，提出用模糊层次分析模型解决瞭望台选址问题。

吉林省是国家重点林区省份之一，森林资源丰富，珍贵树种繁多，森林防火任务十分艰巨。自1981年起，全省森林防火逐步实施“三网两化”体系建设，并取得快速发展[16]。截至2016年11月吉林省秋季防火期结束，吉林省实现连续36 a无重大森林火灾[17]，森林防火工作领先于我国其他省份。可视性指的是从一个或多个给定的视点出发所能看到的地形范围或可见程度[18-19]。可视性分析广泛应用于军事、商业、环境、天文观测、建筑设计与规划等领域[20]，例如站点选址优化[21]、地面天文观测[22]、建筑与景观设计等[23]。本文选取吉林省为研究对象，基于GIS和统计软件对吉林省林区现有瞭望台配置与林地可视性进行研究，着重运用GIS可视化技术分析吉林省森林防火瞭望台布局，并比较各县域及重点森林火险区林地瞭望可见率，旨在为吉林省瞭望台管理优化提供科学参考以及为其他省份的监测型防火资源配置提供借鉴。

1 研究资料与研究方法

1.1 研究资料

课题组收集了截止到2014年12月吉林省12个市（州、管委会）共568座瞭望台的基本情况统计数据，数据类别包括瞭望台地理坐标、建成时间、结构、塔高、中继台设置、供电情况、通讯设备和瞭望设备等;1∶ 400 000 0基础数字地形图数据，包括道路、水系、土地利用、水文站点、森林和草地等;ASTER GDEM 250 m地面分辨率的高程数据及2009—2013年森林火灾热点数据。

1.2 研究方法

采用Microsoft Excel软件对瞭望台基本情况统计数据进行处理和绘图，对所得结果进行研究与分析;采用ArcGIS软件，插入吉林省数字高程数据，通过空间分析中的按掩膜提取，用吉林省行政区划的真实形状替代矩形。在DEM图层上叠加现有瞭望台坐标点层，进行可视域分析，生成输出视域栅格数据。输出栅格属性表的VALUE项记录着从每个栅格表面可看到的视点数目。为了更加直观，可用不同颜色指示可视区域、盲区以及监测点，即瞭望台。使用缓冲区向导建立缓冲区，在[如何创建缓冲区]区域选择[以指定的距离]，指定缓冲距离为10 km，即瞭望半径为10 km，并选择融合缓冲区之间的障碍，即融合以消除缓冲区重合部分。将可视域进行重分类，把VALUE值为0指定为No Data，旨在去掉盲区，方便与缓冲区进行叠置分析。同时，为便于计算瞭望面积，利用转换工具中的栅格转面将栅格数据转换为矢量数据。选择分析工具中的叠加分析，添加缓冲区与可视域并执行交集命令，输出结果即为省域内全部可视范围。再将此图层与有林地进行叠加，便得到可视林地效果图[24]。将行政区划作为分割要素将图层分割，即可得到吉林省各市县（区）可视范围图。使重点森林火险区包含区域的可视林地范围在同一个图层上显示，得到重点森林火险区可视林地效果图。瞭望可见率计算公式：瞭望可见率=有效瞭望面积/瞭望范围面积×100%[13]，针对本文研究即瞭望可见率=可视林地面积/有林地面积×100%。林地面积皆可通过属性表中的计算几何方式计算。根据计算结果，考虑历年火情发生情况、森林资源分布情况及地形因素，提出关于瞭望台的改进建议。

2 结果与分析

2.1 吉林省现有防火瞭望台配置情况

2.1.1 台址分布

根据防火瞭望台选址原则，为了尽可能扩大观测面积，最大限度地减少盲区，瞭望台的最大观测半径一般不超过20 km，并且应尽可能地以较少的瞭望台保证较高的瞭望可见率[25-26]。截止至2014年12月，吉林省瞭望台共计568座（图1），平均瞭望半径已缩短至9.18 km，基本实现了起火点瞭望观测交叉定位，建成了比较完整的森林火情监测网络。由图1可知，现有瞭望台主要集中分布在省域中、东部地势较高、森林资源丰富的地区;而省域西北部地势较低，林地分布相对较少，台址分布也较稀疏。此外，吉林省在建设森林火险监测网络时，对于重点森林火险区进行了适当的防火瞭望台加密设置[27]。例如，位于吉林省东南部的长白山是长白山脉的重要组成部分之一，地跨延边地区的安图、白山地区的抚松和长白三县。山区内植被茂盛，在垂直方向上大面积地分布不同林带，森林火灾经常发生，因此瞭望台密度在此区域相应加大。中俄、中朝边境地区，包括珲春、和龙和长白朝鲜族自治州等地，防火瞭望台分布同样相对较多。

2.1.2 建成时间

如圖2所示，吉林省现有大部分瞭望台建成时间较早，1993年以前修建的瞭望台占现有瞭望台总数的55.11%，1994—2014年修建的瞭望台合计占总数的44.89%。其中，1999年为我国建国五十周年，同时也是澳门回归祖国的大庆之年，全国森林防火办公室主任会议指出以“大水之后无大火，大庆之年无大灾”为奋斗目标，做好森林防火工作.当年吉林省各县市共修建瞭望台50座，为历史最多，其中延边地区占22座。2004—2013年，部分瞭望台为防火期修建。2014年仅延边地区新增1座防火瞭望台。

2.1.3 结构

由于地貌及地形差异，吉林省在设置时因地制宜地搭建了不同结构的瞭望台，主要分为木质瞭望台、金属瞭望台、砖石瞭望台3种。金属瞭望台材质又分为钢架、铁架和钢铁等。如图3所示，吉林省80.11%的瞭望台均为坚固耐用的钢质结构，砖混结构、铁质结构和砖石结构分别占总数的8.98%、8.45%、0.53%。木质瞭望台仅1座，位于延边朝鲜族自治州的光明林场，修建于1980年。木质瞭望台结构较简单，造价较低，但一般使用寿命较短（十年左右）[28]。根据统计数据，吉林省首次修建的瞭望台共有39座，因风雨侵蚀而台架老化，后经改建的瞭望台结构全部为永久性的金属或砖石结构。

2.1.4 中继台设置与供电情况

中继台可以增大无线电对讲机的通讯距离，使信号的覆盖范围得以扩展，不但便于日常监测火情时进行相互通讯，而且在遇到火灾时，用其进行应急指挥通讯是不可或缺的。吉林省现有瞭望台安装中继台的有93座，仅占总数的16.37%，距普及还有一大段距离。

如图4所示，吉林省林区多数瞭望台配有供电设备，占瞭望台总数的57%。其中，约三分之一的瞭望台使用220 V交流电，其弊端是一旦停电，不能保证中继台的正常工作，也就无法实时监测火情，及时进行指挥与通讯;约三分之二的瞭望台使用太阳能供电，可长时间为中继台供电，保证无线通信。另有43%的瞭望台缺少供电，无法保证全天候的林火监测，林区防火工作在一定程度上存在安全隐患。

2.2 吉林省林地可视性分析

2.2.1 全省林地可视性分析

本研究中，指定瞭望半径为10 km，使用ArcGIS中缓冲区向导建立缓冲区，并将相邻重合部分融合，载入吉林省2009—2013年共257次森林火灾的有效火点数据，在数字化行政区划图上标注林火发生位置。由于天气、地形和分辨率等因素的影响，通过卫星监测得到的热点数量比实际森林火灾次数要少[29]。如图5所示，全省范围内火点基本被缓冲区覆盖，少数未被监测到的火点多分布在西北部地区，中东部地区瞭望台分布区较密集，缓冲区范围成系统网状，发生在该区域的森林火灾更容易被观测到。

Arc GIS平台中的Spatial Analyst模块提供了分析和处理栅格数据的工具[20]，可视域分析属于其表面分析的范畴。对吉林省范围内所有瞭望台监测点使用视域工具进行可视域分析，结果如图6所示。由图6可知，吉林省不同区域可视域密度存在差异，其中中东部大部地区可视域分布较密集，西北部地区可视域范围相对稀少，该结果与现有瞭望台空间分布情况相对应。为了定量分析林地可视性，将有林地与可视域作进一步叠加，得到瞭望台可观测到的林地范围。在属性表中计算出有林地面积与可视林地面积分别为82 596.14、52 537.35 km2。则根据公式：瞭望可见率=可视林地面积/以有林地面积×100%，得到全省瞭望可见率为63.61%，明显高于全国平均水平（45.3%）[30]。

2.2.2 各市（州）林地可视性分析

吉林省现辖省会长春和7个地级市、1个自治州、2个直管市、19个县级市、16个县和3个自治县。为了便于有针对性地对全省范围内各市（州）林地可视性进行分析，本文根据以上行政区划，将整个研究区域划分成11个区块，即8个地级市、1个自治州以及2个直管市（表1）。

依照上文提到的方法，分别计算各地区的瞭望可见率，量化各林地可视覆盖程度并进行比较，结果见表1。每个区域的瞭望台组网后，瞭望可见率至少要达到60%～70%，表示林区大部分范围任何一处发生火情，都有2座以上的瞭望台能够及时观测到，并迅速确定其位置。由表1可知，共有2个地区达到以上标准，分别为吉林市（80.78%）和延边朝鲜族自治州（86.94%），两地区瞭望可见率平均值达83.86%。由此可见，吉林市和延边朝鲜族自治州瞭望台监测效果较好，在林区防火工作方面表现突出，林区能够大范围地形成火灾预报有效区域，当林区发现火情，能够准确并及时地进行预报。其他9个地区林地瞭望可见率大小依次为：白山市（53.23%）、通化市（37.52%）、辽源市（35.23%）、梅河口市（24.87%）、长春市（20.90%）、四平市（10.61%）、白城市（7.37%）、松原市（6.55%）、公主岭市（2.24%）。公主岭市仅极小部分林地能够得到监测，森林防火工作存在很大漏洞。

2.2.3 重点森林火险区与非重点森林火险区林地可视性分析

吉林全省共12个国家级重点森林火险区，覆盖44个行政区域。如图7所示，重点森林火险区可视覆盖程度明显高于非重点森林火险区，非重点火险区仅有极小部分林地可被监测到。根据各重点火险区与非重点森林火险区有林地及可视林地面积分别计算其瞭望可见率（图8）。吉林省12个重点森林火险区平均瞭望可见率为56.55%，高于全国重点火险区瞭望可见率平均值（43.6%）[30]，其中瞭望可见率最高的为敦化林区（98.85%），其次为吉林市老爷岭林区（91.97%），第三为汪清白河林区（81.68%）;非重点森林火险区瞭望可见率仅为15.01%。由此可见，重点森林火险区的瞭望台设置合理性明显优于非重点森林火险区。结合图1可知，非重点森林火险区瞭望台零星分布，数量严重不足，大面积林地无法得到监测，说明林火管理部门对非重点森林火险区的林火监测工作重视程度不够。

3 结论与讨论

通过对吉林省林区瞭望台配置与林地可视性的研究，分析得出：多年来，吉林省坚决贯彻“预防为主、积极消灭”的森林防火方针，在森林火情监测方面组建了全省性和重点地区的两级森林火险监测预警网络，作为主要的林火监测方式，瞭望台监测起着举足轻重的作用。受林地分布不均影响，吉林省现有瞭望台分布中东部密集，西北部稀疏，重点森林火险区与边境地区进行了加密设置，历史火点基本均可被观测到。全省瞭望台平均瞭望半径小于最大观测半径要求，瞭望可见率明显高于全国平均水平。逾半数瞭望台于1993年前建成，大多数为砖石或金属结构，长期受风雨侵蚀易导致台架老化。中继台配备严重不足，多数瞭望台在火情监测时通讯范围受限，应急指挥通讯无保障。少数瞭望台无供电，无法进行全天候的林火监测;有供电的瞭望台中少数使用220 V交流电，紧急停电会影响中继台工作。全省林地可视性与瞭望台分布情况相对应，中东部可视域密集，西北部可视域稀疏。不同地区林地可视性存在差异，全省2个市（州）瞭望可见率达60%以上，可视性最高的地区瞭望可见率可达86.94%，同时有的地区林地可视性仅为2.24%。吉林省重点森林火险区林地可视性明显优于非重点森林火险区，12个重点森林火险区平均瞭望可见率高于全国水平。

防火瞭望台为森林防火主要的基础设施，为了提高吉林省瞭望台监测的有效性，从而提高森林火灾控制和反应能力，对吉林省瞭望台配置与建设提出如下建议。

（1）加强对非重点森林火险区瞭望台监测网点建设，根据目前林地监测盲区因地制宜地增设瞭望台。

（2）保证瞭望台建设投资，完善与更新瞭望台设备，定期检查瞭望台有无破坏。

（3）适当拆除布局密集、可视域重叠地区的瞭望台，避免浪费。

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