基于多重约束的森林防火观测塔选址系统申报书

PAGE21PAGE10作品全称基于多重约束的森林防火观测塔选址系统作品分类（B）A．机械与控制（包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等）B．信息技术（包括计算机、电信、通讯、电子等）C．数理（包括数学、物理、地球与空间科学等）D．生命科学（包括生物、农学、药学、医学、健康、卫生、食品等）E．能源化工（包括能源、材料、石油、化学、化工、生态、环保等）作品设计、发明的目的和基本思路，创新点，技术关键和主要技术指标设计目的：森林防火是林业资源管理中的一项重要工作。森林火灾一旦发生，往往会造成难以估量的损失。为此，各国都十分重视林火监测技术。但是，防火观测塔的选址建设存在一些约束条件与技术问题，如因此，在总成本、可视范围等多重条件约束下确保观测塔建设的性价比最高，即每个观测塔的观测面积/成本最高，研究多重约束条件下对观测塔进行科学合理地建塔选址成为了一项重要的工作。目前森林防火部门建观测塔是人工选址，这样的建塔选址方案显然非常依赖于设计人员的专业知识和经验，有较多人为主观性和随意性，按选址方案建塔的实际观测效果不佳、性价比较差。这对森林防火管理者而言，依赖于传统经验和直观判断显然难以得到的最优选址方案。这个选址问题既具有实际可视域范围、林区地表全覆盖等空间约束，又具有单塔性价比最高、总成本最低等非空间约束，演变为多重约束条件下的复杂线性规划求解问题。为此本研究着重实现一个可行的模型以及系统，找出在多重约束下求出最优选址方案的解决思路，并以系统的形式实现选址的智能化，自动化。基本思路：根据森林防火观测塔选址的问题分析与系统需求，我们约定在满足多重约束的条件下：（1）所有观测塔（多种类型）的总视域覆盖整个区域。（2）每个塔受一定的视域半径限制（3）自定义的约束（如军事禁区）（4）观测塔数目尽量少，以保持生态景观。在满足以上多个约束条件下，以令总成本最少作为目标函数。为此对此一个规划与最优求解问题，我们设计了以下的总体解决思路：（1）从该区域中筛选出山顶点，以及相对高点作为候选点。（2）若初步选出的候选点还不能满足全覆盖条件，则进行候选点补加。（3）候选点的数量足够多，以保证最终选址结果能接近最优。（4）在这些候选点中，根据具体的算法流程，并满足多个约束条件下，进行筛选，最终得到最后的选址结果。创新点：针对森林防火观测塔选址问题提出完整解决方案针对林业防火观测塔的选址问题，不仅仅是简单应用GIS计算可视域，而是设计开发了以性价比为核心的选址模型，实现选址计算的系统化、自动化和智能化。本系统提出的解决方案关键是依据森林防火的行业需求采用了森林观测塔性价比优化的原则，即计算观测塔视域面积/观测塔成本这一指标比较准确地反映了每一个观测塔对整个森林区域观测塔总体选址方案的重要度；在此基础上结合森林防火实际建立多重约束的观测塔选址模型，参考线性规划求解思路设计开发基于多重约束的森林防火观测塔选址系统，实现选址计算与分析的自动化、智能化以及选址结果的三维可视化。最后的选址方案不但保证所有塔观测范围能完全覆盖整个森林区域，且满足观测塔视域半径约束，最终选址方案的总成本还最低，最终提供性价比最高观测效果更好的建塔选址方案更要地服务于森林防火工作。技术关键：（1）选址模型建立与求解本系统针对森林防火观测建塔选址问题，不是简单采用GIS分析每个观测塔的可视域，而是建立以性价比为核心的算法模型，并结合线性规划求解思路和森林防火实际，开发了实用软件工具高效自动求解。（2）基于多线程的计算求解和结果演示（3）插件式软件设计与开发作品的科学性先进性（必须说明与现有技术相比、该作品是否具有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性分析说明和参考文献资料）本系统提出的解决方案关键是依据森林防火的行业需求采用了森林观测塔性价比优化的原则，即计算观测塔视域面积/观测塔成本这一指标比较准确地反映了每一个观测塔对整个森林区域观测塔总体选址方案的重要度；由于本次研究的问题，不单单只是纯粹的传统线性规划问题，其中的约束条件包含了空间性的问题，也就是必须考虑到地理上的分布会对选址结果有明显影响，由于同一种塔在不同的地点上建，也会出现不同的可视域。因此，考虑到最重要的视域全覆盖的约束条件下，我们在从候选点选取去最终选址结果的算法求解种，设计了一种减量算法，它是一种逆向思维的方法，其基本思想是，将所有候选点的所有种类的建塔情况合并到一起，且按照性价比最优的规则排序（一个地点上一种建塔方案称为一个备选塔），然后将这些所有备选塔按照从小到大的顺序逐个提取出来，检查它的可视域中，判断该视域中是否存在只能被它所看到、不能被其他观测塔所看到的区域。如果有，那么这个备选塔就要保留；如果没有，则标明该备选塔的视域和其他的重叠了，删除这个候选点。由于这个方法每次都删除一个备选塔，所以称其为减量模型。本方法的时间复杂度是O(n)，在实际运行中大量的候选点数据，这一特性表现出了明显的效果。这是此模型的一个巨大优势。不过，数组排序结果对本模型最终得到的选址结果又较大影响，所以本方法的精度高度依赖排序所使用的规则。这个规则需要根据经验灵活处理，方能保证本方法的正确性。针对本系统问题的数学模型，本系统采用了性价比作为排序规则，即单个备选塔的视域面积/该备选塔的成本。这个算法是围绕视域全覆盖的条件而设计的，保证能够满足全覆盖的条件下，求出接近成本最低的选址方案的方法。在其中，塔德性价比作为备选点被检验的先后顺序的标准，这是起到很关键的作用，性价比越低的塔，由于成本高以及视域面积小，必然会导要满足全覆盖，就必须建更多这样的塔的问题，那样成本必然会高。而且按顺序检验的话，假若踢去了一个被选塔，可能会对后面的检验会产生影响，因此按照类似条件概率的思路来想，必须让性价比越小的放到越前，这样才能保证后面检验的不受太大的影响，因为性价比小的对整个选址方案的贡献率很低，因此剔去它们对后面的选址方案更改的影响会越小。反之，假若把性价比高的放在前面检验，若被剔去，则后面的检验可能会引起很大的变动。作品在何时、何地、何种机构举行的评审、鉴定、评比、展示等活动中获奖及鉴定结果参加比赛：ESRI中国2010大学生GIS竞赛应用开发组获得奖励：鼓励奖作品编号：C-701

作品名称：《基于多重约束三维观测塔选址系统》

作者单位：华南农业大学信息学院

作品点评：本系统的设计思路清晰、数据模型合理，架构也具有很好的开放性和可扩展性，提供向导式操作方式使操作方便简洁且连贯性强。系统采用插件式开发模式,数据的通用性强,独立设计的模型及求解算法,对选址结果的可视化展示与多角度分析。更重要的是，本作品对森林防火观测塔的选址，提出了自己建设性的思路。作品所处阶段（A）A实验室阶段B中试阶段C生产阶段D（自填）技术转让方式作品可展示的形式□实物、产品□模型□图纸■磁盘□现场演示■图片■录像□样品使用说明及该作品的技术特点和优势，提供该作品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测技术特点与优势：（1）向导模式和帮助支持给用户带了良好的操作体验本系统面向在用户进行森林观测塔选址工作时，将“复杂事情简单化”，提供了软件操作向导模式方便用户设置参数、选择模型、自定义候选点、输出结果等，使用户更方便，更清晰地知道当前操作进程及相关步骤与结果，操作方便简洁且连贯性强，使系统与用户的交互更方便。让用户顺利完成观测塔选址方案的计算。 同时，本系统对用户的帮助支持也是比较齐全的，当用户不理解或不明白选址计算的参数设置时，可以打开术语解释帮助文档，查看相关的解释，也可以通过查看简略模型流程以及详细工作流程图，查看用户已经操作到了流程的哪一个阶段和详细的哪一步，并且可以了解选址计算的整个结构。（2）全方位选址结果分析与展示本系统可从多角度对选址结果进行统计分析与可视化展示选址的观测效果，以多种统计图表、专题地图直观反映出重要的统计信息，方便用户对选址结果进行初步的评价与决策。如可对选址结果从总体上直观描述可视范围（是否全覆盖）、重叠观测范围、重叠总面积和非重叠观测范围等信息，能以饼图等形式直观展示对各类观测塔个数、成本及观测总面积统计，对每个拟建的观测塔按性价比、可视域范围大小进行统计与直观展示；可从被观测区域（栅格）的角度进行统计，每个栅格被观测的次数（可见的塔数）统计栅格数量，并以柱状图、饼图、专题地图等形式展示；能通过ArcScene三维展示林区地形与观测塔，并通过动态演示观测火点及其漫延效果。（3）插件式开发方式保证系统的功能可扩展性本系统使用了插件机制，通过定义好插件与宿主之间的通讯接口，通过接口将宿主与插件联系起来。包括选址方案计算，选址结果统计与演示，也包括基础的GIS功能，都做成了插件，这样程序界面与插件独立开，这样系统的可扩展性就大大增强了。同时用户也能够控制加载的插件，并且在日后能加载新的插件，以实现新的功能（尤其是能可以增加选址的新模型供用户多种选址方案计算的方法选择）。系统应用于展望：森林防火观测塔选址模型2010年初经广州市森林防火有关部门试验，认为模型比较贴近实际、计算结果具有较高的决策参考价值。这鼓舞了我们继续努力，采用ArcGIS平台将选址模型开发成可直接服务于森林防火部门的软件工具，并最终于今年9月初步发布选址系统的第一版。实际建塔的成本可能除了与塔的规格（高塔或低塔）有关系，还与实际地形情况、交通条件等影响因子有关，可能每个塔的成本都不同，下一步建塔参数设置要更灵活实用。选址模型可以进一步扩展，系统还可应用于森林消防通信中继站选址、3G移动通信基站选址等行业与领域。专利申报情况□提出专利申报申报号申报日期年月日□已获专利权批准批准号批准日期年月日■未提出专利申请科研管理部门签章年月日C.当前国内外同类课题研究水平概述说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写；2.填写此栏有助于评审。目前，国内已有许多论文与