林業(yè)有害生物預(yù)警系統(tǒng)研究

陶 瓏，施曉雨

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 概述

我國第七次全國森林資源清查（2004—2008年）結(jié)果顯示，全國森林面積19545.22萬hm2，森林覆蓋率20.36%[1]，比1949年的8.6%凈增11.76個百分點(diǎn)。但總體上看，我國森林資源仍存在總量不足、質(zhì)量不高、分布不均衡的問題。我國的森林覆蓋率只有世界平均水平30.3%的2/3，人均占有森林面積不到世界人均占有量0.62 hm2的1/4，人均占有森林蓄積量僅相當(dāng)于世界人均占有蓄積量68.54m3的 1/7。

而近年來，全國各地林業(yè)有害生物時有發(fā)生，危害極為嚴(yán)重，對我國森林資源、自然景觀構(gòu)成巨大威脅[2]。特別是我國人工林保存面積6168.84萬hm2，列世界第一位。由于所營造的人工林多為樹種單一、結(jié)構(gòu)單一的純林，生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱。因此，有害生物一旦入侵，在較短的時間內(nèi)就可造成大面積的暴發(fā)流行，從而導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

當(dāng)前我國的林業(yè)有害生物的防治工作雖然得到國家的大力支持，但由于并沒有建立健全完善的林業(yè)有害生物監(jiān)督和預(yù)警機(jī)制[3]，因此不能夠?yàn)榱謽I(yè)有害生物的防治工作開展有效的預(yù)警以及指導(dǎo)工作，這導(dǎo)致我國的林業(yè)有害生物的防治工作處于一種十分被動的局面，只有在發(fā)生災(zāi)害之后才能夠被動防治。

2 林業(yè)有害生物預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 設(shè)計(jì)思路

首先利用無人機(jī)使用GPS和相機(jī)進(jìn)行拍照，并保存各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)，通過智能分析客戶端對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，把圖片和經(jīng)緯度、高度、海拔等進(jìn)行一一對應(yīng)，得到一條信息完整的數(shù)據(jù)。把數(shù)據(jù)通過HTTP的方式實(shí)時同步到林業(yè)有害生物預(yù)警平臺中。平臺實(shí)現(xiàn)一個HTTP接收數(shù)據(jù)的接口，當(dāng)收到智能分析客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，自動進(jìn)行分類和記錄數(shù)據(jù)流，包括相片、經(jīng)緯度、海拔、分類等信息，把數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫中。在林業(yè)有害生物預(yù)警平臺中設(shè)置專家登陸信息，專家登陸系統(tǒng)后，能實(shí)時查看到上傳上來的航拍信息，對照片進(jìn)行放大并做出判斷。在一個批次的照片全部判斷完成后，系統(tǒng)自動對這個批次照片中有蟲災(zāi)的照片的經(jīng)緯度進(jìn)行計(jì)算，得到一個多邊形圖，這個多邊形圖所勾繪出來的就是有蟲災(zāi)的區(qū)域。最后，管理員進(jìn)行信息發(fā)布，把專家判斷出來的信息發(fā)布給相關(guān)部門參考，如圖1所示。

圖1 林業(yè)有害生物預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

2.2 無人機(jī)數(shù)據(jù)采集

利用無人機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)與地理數(shù)據(jù)的同時采集處理。無人機(jī)采用自動飛行控制系統(tǒng)，可以按照預(yù)定設(shè)計(jì)的飛行航線、高度飛行，能實(shí)現(xiàn)圖像和高清視頻采集，飛行完畢后，能實(shí)現(xiàn)降落傘降落回收。無人機(jī)圖像回收后，進(jìn)行拼接處理，處理后的圖像不僅是高空間分辨率彩色圖像（空間分辨率可達(dá)5cm左右），而且還含有地理坐標(biāo)。其處理數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

圖2 無人機(jī)圖像處理流程示意

2.3 數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

采用頻率為1.2G Hz的平板接收天線可以收到20 km遠(yuǎn)的信號。視頻信息圖像傳輸給地面站后，可通過3G通信模塊發(fā)送至后臺遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析處理，如圖3所示。

圖3 林業(yè)有害生物數(shù)據(jù)實(shí)時無線傳輸系統(tǒng)框架

2.4 開發(fā)平臺

系統(tǒng)以DASM為平臺，采用.Net開發(fā)技術(shù)進(jìn)行二次開發(fā)。美國DASM是由美國農(nóng)業(yè)部下屬的林務(wù)局遙感應(yīng)用研究中心、森林健康與企業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)與軟件開發(fā)銷售商共同開發(fā)的一個產(chǎn)品，此產(chǎn)品專門用于滿足林業(yè)病蟲害、森林火災(zāi)等航空調(diào)查的需要[4]。.Net是微軟在1999年推出的軟件技術(shù)，經(jīng)過10多年的發(fā)展已經(jīng)成功為眾多大中型企業(yè)提供了技術(shù)平臺的解決方案，被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為是最為穩(wěn)定的技術(shù)平臺之一?；?Net平臺的語言是真正面向?qū)ο蠛兔嫦蚪M件的?；?Net平臺的組件相互之間的兼容性良好，這有利于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充。.Net平臺的核心是CLR（一般語言運(yùn)行時），任何基于.Net平臺的應(yīng)用系統(tǒng)都需要經(jīng)過CLR才能運(yùn)行，這將保證了系統(tǒng)的安全。

2.5 體系結(jié)構(gòu)

采用 BWD（BROWSER/WEB SERVER/DBMS）三層體系結(jié)構(gòu)，普通客戶端無須安裝任何程序，后臺數(shù)據(jù)庫采用標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，便于信息共享和信息關(guān)聯(lián)，瀏覽器/服務(wù)器/數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

3 系統(tǒng)功能

圖4 林業(yè)有害生物預(yù)警平臺體系結(jié)構(gòu)

（1）采用無人機(jī)采集數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確。利用無人機(jī)采集數(shù)據(jù)對小尺度、小范圍內(nèi)林業(yè)有害生物調(diào)查具有較好適用性，能大幅提高調(diào)查的準(zhǔn)確性，時效性；同時，由于無人機(jī)采用云下攝影的方式完成，克服了南方多陰云天氣影響，因此，該方法在南方森林調(diào)查中更具有實(shí)用價值和現(xiàn)實(shí)意義。另外，無人機(jī)可以多次重復(fù)使用，系統(tǒng)維護(hù)和使用成本大幅降低，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。

（2）利用無線傳輸，加快工作效率。無人機(jī)采集的數(shù)據(jù)直接可以發(fā)送到林業(yè)有害生物預(yù)警平臺，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸。這也是相對于衛(wèi)星遙感的優(yōu)勢，衛(wèi)星遙感圖像到用戶手中一般都有滯后性。

（3）集成全國林業(yè)有害生物防治專家。目前系統(tǒng)中已有部分林業(yè)有害生物防治專家，未來可以集成全國著名專家，根據(jù)林業(yè)有害生物的發(fā)生區(qū)域和特點(diǎn)，有針對性地將圖像發(fā)給特定專家，以發(fā)揮專家的獨(dú)特優(yōu)勢。

（4）利用無線互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以將分析結(jié)果分發(fā)給任一有需求的用戶。

4 展望

林業(yè)有害生物預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建將為大面積、快速的林業(yè)有害生物動態(tài)監(jiān)測、預(yù)測和決策管理提供了可能；可實(shí)時為管理者或用戶提供直觀、有效、準(zhǔn)確的林業(yè)有害生物預(yù)報(bào)信息，為林業(yè)有害生物的預(yù)測和防治提供了科學(xué)、合理的輔助決策支持，使得林業(yè)有害生物的監(jiān)測和預(yù)警工作達(dá)到信息采集快速化、預(yù)警科學(xué)化、信息服務(wù)社會化。

從該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不難預(yù)見，其在森林消防、野生動物保護(hù)及各類突發(fā)性災(zāi)害應(yīng)對等方面具有良好的應(yīng)用前景。所以，這個系統(tǒng)的研制對我國林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，對維護(hù)我國的生態(tài)安全等具有十分重要的意義。

[1]國家林業(yè)局森林資源管理司.第七次全國森林資源清查及森林資源狀況[J].林業(yè)資源管理，2010（1）：1-8.

[2]黃麟，張曉麗，石韌.森林病蟲害遙感監(jiān)測技術(shù)研究的現(xiàn)狀與問題[J].遙感信息，2006(2):71-74.

[3]董振輝，趙鐵良，閻峻.森林病蟲害監(jiān)測預(yù)報(bào)軟件的開發(fā)及應(yīng)用[J].中國森林病蟲，2002，21(2)：6-9.

[4]李衛(wèi)正，李海濤，方彥等.美國 DASM系統(tǒng)及其在林業(yè)中的應(yīng)用[J].林業(yè)科技開發(fā)，2011（6）：97-101.