全 文 ：林业科学研究　2008, 21 (增刊 ) : 20～26
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008)增刊 20020207
动态数据驱动的北京市森林火险天气
预报与发布系统研建
杨广斌 1, 2 , 唐小明 1 , 黄水生 1 , 罗　鹏 1 , 王亚欣 1
(1. 中国林业科学研究院资源信息所 ,北京　100091; 2. 贵州师范大学地理与生物科学学院 ,贵州 贵阳　550001)
摘要 :基于动态数据驱动应用系统 (DDDAS)技术范式 ,对北京市森林火险预报与发布系统进行了研究。利用野外
自动气象站获取的实时、动态数据以及气象部门提供的预报数据 ,实现了森林火险等级预报的自动化业务运行 ,并
通过网络和手机短信方式对预报结果进行发布 ;系统在运行过程中能够根据预报结果自适应地对预报模型进行修
正 ,使预报结果精度得到提高。
关键词 :动态数据驱动 ;自适应修正 ;森林火险天气预报 ;火险等级发布
中图分类号 : S762. 2 文献标识码 : A
收稿日期 : 2007212220
基金项目 : 国家“863计划”项目 (2006AA12Z213) ;“十一五”国家科技支撑计划项目 (2006BAD23B04)
作者简介 : 杨广斌 (1973—) ,男 ,山东聊城人 ,中国林业科学研究院资源信息所 ,博士研究生 ;贵州师范大学地理与生物科学院 ,讲师 ;主
要从事地理信息系统开发与应用研究.
Study on Forest F ire Danger Foreca st and Relea se System Ba sed on
D ynam ic Da ta D r iven Applica tion System in Be ijing
YANG Guang2bin1, 2 , TANG X iao2m ing1 , HUANG Shui2sheng1 , LUO Peng1 , WANG Ya2xin1
(1. Researeh Institute of Forest Resource Information Techniques, CAF, Beijing　100091, China;
2. School of Geography and B iology Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang　550001, Guizhou, China)
Abstract: The forest fire danger forecast and release system based on dynam ic data driven app lication system in
Beijing was discussed in this paper. This system can works automatically by importing Real2time weather data from
automatic weather stations in fields and weather forecasting data from meteorological departments. The results of
forest fire danger forecast can be released by network and short message of mobile phone. The error of forest fire
danger forecast can be decreased by adjusting forecast model adap tively.
Key words: dynam ic data driven app lication system; self2adap tive simulation; forest fire danger forecast; forest fire
danger rate release
　　森林火险等级是表示林火发生或潜在发生、蔓
延和产生破坏作用的一个定量指标 [ 1 ]。森林火险预
报对于加强森林防火工作 ,减少森林火灾发生 ,保护
森林资源具有重要意义。
林火预测预报研究从 20世纪 20年代迄今 ,已有
80余年的历史。1928年加拿大的 W right利用空气中
的相对湿度来进行火险预报 , 1972年提出了“加拿大
森林火灾天气指标系统 ”,并于 1987年形成了“加拿
大森林火险等级系统 (CFFDRS) ”[ 2 - 5 ]。美国于 1978
年形成了“国家森林火险预报系统”,并在经历了 l0 a
的实际应用后 ,于 1988年进行了修订 ,该系统成为全
美日常森林防火指挥的一项重要依据 [ 2, 6 ]。
增刊 杨广斌等 :动态数据驱动的北京市森林火险天气预报与发布系统研建
我国 1955年开始对林火预报进行研究 , 1978年
后进入了较快发展阶段 ,目前已由火险天气预报向
林火发生预报和林火行为预报发展。吕晋文等 [ 7 ]分
析了广东省森林火险与多种要素的关系 ,并用统计
方法建立了广东省森林火险天气预报系统。冯家沛
等 [ 8 ]通过对连云港市 1987—1993年大小和程度不
同的 111次森林火灾查找原因并进行天气分析 ,在
原全国森林火险天气等级方法中增加了实效雨量、
积雪深度等因素 ,推导出比较符合实际的森林火险
天气等级预报方法。
近年来 ,随着计算机软件与数据库、网络与数据
通信、GIS、遥感等信息技术的高速发展和应用普及 ,
信息技术在森林防火中的应用越来越普遍。易浩若
等 [ 9 ]以黑龙江省帽儿山、带岭林业局、松岭林业局、
内蒙古根河林业局、乌尔旗汗林业局和广西热林中
心为实验区 ,开展了在信息技术平台上建立全国森
林火险预报系统的研究 ,构建了一个业务化运行系
统。高显俊等 [ 10 ]基于网络技术和通讯技术研究了
县级森林火险等级报送系统 ,提高了县级森林火险
预报系统中火险因子数据报送的及时性、准确性和
工作效率。
1　系统研究目的
森林火险预报的首要条件是快速、及时。因此 ,
在预报方法的选用、数据类别及其采集方法的确定、
系统的设计等各方面都要及时 ,必需快速得出结果 ,
定时或实时发布结果 ,让各级森林防火部门和社会
公众及时收到预报结果 [ 9 ]。
目前从国家到地方已建立了很多业务化运行的
森林火险等级预报系统 [ 7 - 14 ] ,但普遍存在以下两方
面的问题 :一是预报所采用的气象数据都是通过人
工输入或系统自动读取 ,气象数据实时性比较差 ,信
息的获取受气象部门的制约 ;二是气象站点在林区
分布比较少 ,获取的气象数据不能真实反映林区的
状况 ,不利于小区域森林火险等级预报。
鉴于以上原因 ,为了达到实时、准确的预报效
果 ,作者根据北京市在重点林区建立的 15个野外自
动气象观测站 , 基于动态数据驱动应用系统
(DDDAS)技术范式 [ 16 ] ,研究并建立了北京市森林
火险预报与发布系统。
2　系统总体架构
2. 1　系统工作流程
北京市森林火险预报与发布系统是以野外自动
气象站自动获取的气象数据作为动态数据源 ,包括
气温、降水、风向、风力、大气湿度、地表湿度等信息 ,
通过手机短信的方式实时或定时地输入到市防火指
挥中心服务器 ,根据火险等级预报模型计算出各个
气象台站的火险气象等级和未来预报火险气象等
级 ,然后利用 GIS空间数据内插、趋势面分析以及叠
加分析等方法生成全市火险等级分布图 ,最后将火
险等级预报信息以网络、通信等方式发布给北京市
各森林防火业务和管理部门以及公众 ,系统总体工
作流程如图 1所示。
图 1　北京市火险等级预报与发布系统总体工作流程图
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2. 2　系统网络结构体系
北京市森林火险预报与发布系统采用 C /S和
B /S混合结构 ,在市园林绿化局局域网上采用 C /S
网络结构 , 以 O racle 作为空间数据管理平台 ,
A rcSDE作为空间数据引擎 , A rcEngine 和 A rcGIS
Server作为开发平台 ,系统具有管理和维护全市 15
个气象台站信息数据的功能 ,用户对象主要是森林
防火指挥中心、与防火业务有关的森林公安局直属
各科室和市园林绿化局防火指挥领导部门。
B /S系统结构有两种形式 ,一是内网用户 ,主要
是各区县防火指挥中心、区县政府部门、市园林绿化
局、市森林防火应急指挥部、市委、市政府、市应急
委、市宣传部和国家林业局防火办公室。另一种是
外网用户 ,用户是一般公众 ,对于授权的林火部门人
员 ,通过登录可实现比普通公众更多的查询和操作
功能。系统网络结构体系如图 2所示。
图 2　北京市火险等级预报与发布系统网络结构图
3　火险天气等级计算与预报
3. 1　火险等级计算模型
森林火灾的形成因素是非常复杂的 [ 11 ] ,万正奎
等 [ 15 ]通过对大兴安岭近 3 000起林火资料和 12万
多个气象数据进行分析和统计实验 ,筛选出了 12个
主要气象因子。探讨了这些因子影响林火发生发展
的 3种基本临界值 ,并根据各因子影响林火过程的
多层次特点 ,建立了一套很好反映林火发生发展规
律的天气指标系统和能够有效识别林火危险程度的
四级综合识别模型 [ 15 ]。其中 ,单个气象因子对火险
天气的贡献度表达式为 :
当火险指数随因子数值增大而增大的单因子识
别模型为 :
u =
1 /1 + [ a ( c - x) ]b 当 x < c时 ;
1　　　　　　　 当 xΕ c时
当火险指数随因子数值增大而减小的单因子识
别模型为 :
u =
1 /1 + [ a ( x - c) ]b 当 x > c时 ;
1　　　　　　　 当 xΦ c时
u为单因子对火险天气的贡献度 , 域值为 ( 0,
1) ; x为因子的实际观测值或预报值 ; a, b, c为待定
的经验系数。当 x表示不同的气象因子时 , u对火
险天气的贡献度也不同。
火险等级计算采用的 12 个主要气象因子分
别为 :
x0:当天 02 时至 14 时期间的 12 h 降水量
(mm) ;
x1:当天 14时气温 (℃) ;
x2:当天早晨的最低气温 (℃) ;
x3:当天 14时的空气露点温度 (℃) ;
x4:当天 14时离地面 10～12 m高度处的平均
风速 (m·s- 1 ) ;
x5:当天 08时以前的 24 h降水量 (mm) ;
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增刊 杨广斌等 :动态数据驱动的北京市森林火险天气预报与发布系统研建
x6:当天 08时以前的 72 h降水量 (mm) ;
x7:前 3天 14时气温平均值 (℃) ;
x8:前 3天 14时空气露点温度的平均值 (℃) ;
x9:前 3天 14时气温合计值 (℃) ;
x10:当天 08时以前的日降水量 ≤5 mm的连续
日数 ( d) ;
x11:当天 08时以前的日降水量 ≤0. 5 mm的连
续日数 ( d) ;
一级识别模型是根据筛选出来的 12个气象因
子 ,经普查得到各因子的 3种基本临界值 ,运用上述
公式 ,建立 12个单因子识别森林火险的数学模型。
用这些模型先对每个气象因子影响林火危险程度的
情况 ,单独进行识别与评价。通过一级识别使本来
不等价和不具有可比性的有序因子集均标准化为具
有相同域值 ( 0, 1)或 (0, 100% )闭区间上的等价有
序实数集 ,使其具有可比性 [ 15 ]。
二级识别模型就是在一级识别模型的基础上 ,
分别用算术平均方法求出 08时以前的前期火险天
气指数和 08时以后的当天火险天气指数。
三级识别模型则是在二级识别模型的基础上 ,
考虑到前期火险状况与当天火险状况之间的因果关
系 ,分别采用了加权平均、算术平均和直接取值 3种
归纳方式计算出前期和当天所有气象因子共同影响
决定的火险天气综合指数。
四级识别模型是在三级识别模型的基础上考虑
了积雪、物候期和特殊气象因子临界值的影响 ,最后
计算出五级火险等级的取值范围 [ 15 ]。
火险天气指数计算流程如图 3所示。
图 3　火险天气指数计算流程图
3. 2　火险天气等级预报
3. 2. 1　火险天气等级预报流程 　各气象观测点只
能获取当前实时监测的气象数据 ,不能对未来天气
状况做出预测 ,因此需要从北京市气象局获取次日
天气预报数据。目前北京市气象局以文档形式提供
给北京市森林防火指挥中心的气象预报数据比较粗
略 ,仅以西南地区、西北地区、北部地区、平原地区的
分片形式预报。为了获取每个气象站点的预报数
据 ,作者根据每个站点所在区域的次日预报数据对
该站点的实际预报数据通过修正系数进行修正 ,从
而得到该站点的次日预报数据。
因为天气变化复杂多样 ,仅仅通过各站点的预
报数据预测次日火险等级还不能够真实反映实际情
况 ,因此还需要根据历史天气分析对预报结果进行
修正。
天气分析是指一些典型的天气形势对大范围火
险趋势的影响。是对历史天气资料分析后提出的天
气模型 ,把它与当天的天气类型进行比较 ,对未来天
气形势的预测 [ 15 ]。有两类天气模型 :
①高转低 — >持续低火险天气模型
②低转高 — >持续高火险天气模型
上述两类天气模型中 ,在高转低 — >持续低中 ,
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
全区火险预报不允许超过 3级 ;在低转高— >持续
高中 ,全区火险预报不允许低于 3级。
火险天气预报流程如图 4所示。
图 4　火险天气预报流程图
3. 2. 2　预报模型自适应修正 　火险等级预报结果与
实际火险等级之间往往存在着一定的预报误差 ,误差
的来源主要是由模型的经验参数和修正参数产生的 ,
为了减小预报误差 ,提高模型的预报精度 ,在系统中加
入了模型自适应修正机制。因为未来预报结果总会由
实际计算结果得到验证 ,例如 2007年 8月 10日预报 11
日的火险等级为 2级 ,而次日的实际计算火险等级是 3
级 ,这样预报值和实际值就存在着一定的误差 ,可以通
过进一步的修改模型和调整参数来进一步减少未来预
报的误差 ,随着自适应修正次数的增加 ,预报模型会逐
步完善和提高 ,最终使预报结果与实际值之间达到较
好的一致。自适应修正过程如图 5所示。
图 5　火险天气等级预报模型自适应修正过程
4　火险天气等级发布
4. 1　网络发布
4. 1. 1　W eb Services发布 　本系统采用 W eb Serv2
ices进行火险等级及气象台站信息发布 ,防火中心
管理人员每次从气象台站自动或手动获取气象数据
后 ,系统就会自动将气象数据和生成的火险等级数
据及相关信息记录到数据库中 ,通过 W eb Services
方式实时访问数据库中的气象数据 ,并将数据以
W eb页面方式发布给各区县防火业务用户和公众。
各区县森林防火指挥中心大屏幕会实时更新最新的
火险等级及天气预报信息 ,用户通过网络每次访问
防火业务 W eb页面时 ,都会看到最新的各个气象台
站的气象数据和气象火险等级。系统后台服务控制
界面如图 6所示。
4. 1. 2　火险等级分布图发布 　根据全市 15个气象
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图 6　系统后台服务控制界面
站点的火险等级预报数据 ,利用 GIS的空间内插方
法可以生成全市火险等级分布图。通过叠加各级行
政界线 ,可以统计分析出各级行政区划火险等级分
布情况 ,把生成的火险等级分布图通过 W ebGIS的
方式在网络上进行发布 ,用户可以通过查询工具查
询任何一点的火险等级信息 ,同时可以查看各级行
政范围内的火险等级统计数据以及相应火险等级的
防火预案。由于火险等级分布图也是采用 W eb
Services方式进行发布的 ,用户查看到的火险等级分
布信息都是系统更新的最新数据。
4. 2　手机短消息发布
对于防火业务管理人员 ,他们需要及时随地了
解当前火险等级状况 ,以便加强防火安全管理。为
了便于他们获取信息 ,系统开发了通过手机短信方
式向用户发布火险等级信息的功能。系统短信发布
操作界面如图 7所示。
图 7　系统短信发布功能界面
通过手机短信服务功能 ,系统实时监听火险等
级数据库中数据更新情况 ,一旦发现有新的火险等
级预报数据生成 ,就会自动启动短信发送功能 ,按预
定好的发送内容和接收用户将信息发送出去 ,系统
自动反馈信息发送情况记录。
5　结论与讨论
与其他森林火险等级预报系统相比 ,北京市森
林火险等级预报系统主要体现了以下两方面特点 :
(1)利用气象数据具有实时性、动态性等优点。
该系统直接获取野外自动气象站测量得到的气象数
据 ,实时计算全市当前火险等级 ,这不仅有助于防火
业务工作的开展 ,而且一旦发生森林火灾 ,还可以及
时向火灾扑救现场提供气象和火险等级数据 ,有助
于指导火灾扑救。动态性是指野外气象站能够自
动、不断地向系统输入气象数据 ,在这些数据的驱动
下 ,从气象数据获取到预报结果发布 ,整个业务流程
系统都可以自动完成 ,不需要人为干预。
(2)系统预报模型具有自适应修正特点。系统
的预报结果被以后的测量结果进行验证 ,验证的结
果可以及时反馈给系统 ,使系统根据预报的误差大
小对预报模型参数进行自我调整 ,自我修正以后的
模型会使下一次的预报误差减小 ,从而使系统预报
的误差越来越小 ,在一定程度上体现了系统的智
能性。
总之 ,北京市森林火险等级预报系统虽然在设
计和建设上具有一定的先进性 ,但是由于系统预报
精度不仅与野外气象站分布数量有关 ,而且还与除
气象因素以外的下垫面植被等因素有关 ,因此火险
等级预报模型还有待于进一步完善 ,系统的预报精
度也有待于经过实际林火发生数据得到验证。
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