北斗林業(yè)示范應用框架與技術

● 文| 中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所 劉鵬舉

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北斗林業(yè)示范應用框架與技術

● 文| 中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所 劉鵬舉

林業(yè)作為生態(tài)建設的主體，肩負著建設和保護森林生態(tài)系統(tǒng)、保護和恢復濕地生態(tài)系統(tǒng)、治理和改善荒漠生態(tài)系統(tǒng)以及維護生物多樣性的重要職能。截至2014年，全國荒漠化土地面積261.16萬平方千米，占國土面積27.20%；沙化土地面積172.12萬平方千米，占國土面積17.93%；有明顯沙漠化趨勢的土地面積30.03萬平方千米，占國土面積3.12%。截至2015年，林業(yè)系統(tǒng)保護區(qū)總數(shù)達2174處，總面積1.25億公頃，占全國國土面積的12.99%。

我國林業(yè)管理對象多、分布范圍廣、地域分布特征明顯，林業(yè)管理存在盲區(qū)多、效率低、應急反應能力弱等問題。衛(wèi)星導航技術主要用于林業(yè)資源調查、野外巡護、林火撲救指揮等方面，對于提高林業(yè)管理水平、保護生態(tài)安全、提供豐富生態(tài)產品發(fā)揮了非常重要的作用，用戶量已達10萬以上，并在迅猛發(fā)展。

一、林業(yè)衛(wèi)星導航應用需求

林業(yè)部門涉及林業(yè)資源監(jiān)管、綜合營造林管理、災害監(jiān)控與應急、公眾服務四大職能，涵蓋13類業(yè)務。北斗衛(wèi)星導航定位技術具有導航通信一體化的特點，可以為林業(yè)四大類業(yè)務的機械化、信息化、科學化提供支撐。其中林業(yè)資源監(jiān)管、森林防火監(jiān)控與應急指揮、野生動植物保護3個業(yè)務應用衛(wèi)星導航技術，具有基礎性、應用迫切性和帶動性的特點，選擇這三個業(yè)務進行北斗示范應用，有利于北斗在林業(yè)的全面推廣。

林業(yè)資源監(jiān)管是林業(yè)工作的基礎，包括森林資源監(jiān)管、荒漠化與沙化土地資源監(jiān)管、濕地資源監(jiān)管和生物多樣性資源監(jiān)管。森林資源監(jiān)測是森林資源管理的重要基礎，其目的是為加強森林資源管理和監(jiān)督工作，是開展森林資源監(jiān)管、綜合營造林管理、林業(yè)災害監(jiān)控和應急管理以及社會公共服務等各項管理和生產活動的基礎性工作。該業(yè)務對衛(wèi)星導航的需求主要為野外調查與勘界測量，這與營造林管理、林業(yè)生態(tài)工程管理及集體林地林權服務等業(yè)務對衛(wèi)星導航應用需求很相似，具有很強的代表性。在森林資源管理保護中應用手機型衛(wèi)星導航終端，可以有效提高林場對護林人員的監(jiān)管、了解日常護林防火巡護情況，避免由于通信不暢導致重要信息無法及時上報等情況的發(fā)生。監(jiān)控中心通過定位考勤系統(tǒng)，對所有護林員的出勤情況、巡護路線、方位、地理坐標等信息便了如指掌。利用北斗系統(tǒng),結合護林員的巡護報告，運用計算機管理系統(tǒng)，詳細準確地記錄護林員巡護位置和巡護區(qū)域所發(fā)生的事件，使責任區(qū)得到動態(tài)管理，森林資源安全得到有效保障，林政案件逐年大幅度下降，森林火災受害率和森林病蟲害成災率均明顯下降。生態(tài)環(huán)境明顯改善，林分質量明顯提高，野生動物種類明顯增多，充分顯現(xiàn)森林的社會、經濟、生態(tài)三大效益，使護林員真正成為“森林衛(wèi)士”，真正成為“七個員”：清除火災隱患的防火員、森林病蟲害的預報員、林政資源管理的信息員、維護林地安全的治安員、野生動物保護的宣傳員、科技入戶的技術員、林權糾紛的調解員。

森林防火監(jiān)控與應急指揮是主要的森林資源保護措施，在國家生態(tài)保護和防災減災中具有重要的地位，該業(yè)務對衛(wèi)星導航的應用需求主要為野外巡護與應急指揮，具有應用范圍廣、數(shù)量大、場景多等特點，衛(wèi)星導航應用十分迫切，且該業(yè)務對衛(wèi)星導航的應用需求與其他林業(yè)災害監(jiān)控和應急管理業(yè)務以及森林旅游業(yè)務相似。在森林防火監(jiān)控和應急指揮系統(tǒng)中應用具有北斗短報文通信功能的北斗3S+C型與應急指揮型終端，具有衛(wèi)星通信無地域限制、遠程通信、經濟實用等特點，能夠解決森林防火監(jiān)控和應急指揮中通信盲區(qū)多、火點定位難、上報不及時等難題，保障森林消防隊伍滅火作戰(zhàn)時能夠及時采集和傳輸火場信息，實現(xiàn)各級指揮員與火場一線人員語音、數(shù)據通信，并隨時跟蹤掌握撲火隊伍定位信息，確保指揮通信不間斷，達到“火場通”、“動中通”的目的。

野生動植物保護對衛(wèi)星導航的應用需求主要為野生動物跟蹤監(jiān)控、野外調查、巡護，具有獨特的衛(wèi)星導航應用模式；同時由于監(jiān)測跟蹤的物種多樣、形態(tài)各異，將會成為另一個林業(yè)應用衛(wèi)星導航的重要方面，具有衛(wèi)星導航應用的廣闊前景。在野生動植物保護方面，通過建立自然保護區(qū)，實現(xiàn)了對珍貴的、稀有的動物資源，以及代表不同自然地帶的自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的保護。要想保護這些珍稀動物，不僅要進行環(huán)境保護，還要了解動物的活動范圍，跟蹤它們的行跡。應用衛(wèi)星導航跟蹤設備，可以及時了解野生動物活動的情況，避免人和野生動物的沖突，對于保護稀有動物族群非常重要。

我國林業(yè)分布范圍廣、自然環(huán)境多樣，空間跨度巨大，在峽谷地帶、林冠層厚度較大或郁閉度0.8以上的林區(qū)，衛(wèi)星導航定位信號較易受到影響，需要環(huán)境適應能力強的高精度終端產品。同時，林業(yè)資源多分布于人跡罕至的通信盲區(qū)，當遇到森林火災等緊急情況，由于缺乏有效通信手段會延誤救火時機，同時影響指揮撲救效率與效果；在巡護員遇到危險時，缺乏應急救助信息的快速傳輸，缺乏和家人通信的有效通信手段。另外在通過傳感器監(jiān)測森林狀況時，也需要有效的信息傳輸以定期獲得監(jiān)測數(shù)據，實現(xiàn)災害的預測預報。

由于林業(yè)特殊的應用環(huán)境和工作狀態(tài)，對北斗終端的精度、集成度、成本、功耗、三防等性能有獨特的要求，目前仍缺乏適合林業(yè)應用的專用終端。為加強北斗導航與林業(yè)業(yè)務融合，需要梳理各業(yè)務與北斗導航應用的關系及要求，解決業(yè)務流程中遇到的實際問題，針對應用需求，結合現(xiàn)有技術、產品基礎，研制適合林業(yè)業(yè)務應用的北斗林業(yè)專用終端，為北斗導航在林業(yè)規(guī)模化應用奠定裝備基礎。

作為我國自主研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)具有導航通信一體化的應用優(yōu)勢，能夠滿足我國林業(yè)應用范圍廣、數(shù)量大、精度需求多樣、終端應用環(huán)境復雜的要求，具有廣闊的應用推廣前景。因此，北斗林業(yè)應用示范工作需要以林業(yè)信息化規(guī)劃與《國家衛(wèi)星導航產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》為指導，設計和開發(fā)符合林業(yè)需求的北斗終端，開展林業(yè)資源監(jiān)管、森林防火監(jiān)控與應急指揮、野生動植物保護與管理等典型應用，建設林業(yè)北斗應用綜合服務平臺，在示范區(qū)開展應用示范，探索北斗系統(tǒng)林業(yè)應用的新模式，帶動北斗系統(tǒng)在林業(yè)的全面推廣應用。

二、林業(yè)北斗應用示范框架

林業(yè)北斗示范建設充分借鑒“北斗+”和“互聯(lián)網+”思維，將北斗示范應用工程建設和林業(yè)行業(yè)現(xiàn)有的信息化建設的設施、數(shù)據、平臺、應用系統(tǒng)相結合，遵循“資源整合、共享共建，技術推動，便于推廣”的建設思路，集成衛(wèi)星導航、云計算、移動互聯(lián)網、大數(shù)據、物聯(lián)網等先進技術，廣泛利用各種資源，依照行政推動與市場運作相結合的機制，發(fā)揮各方優(yōu)勢，采用典型示范引路、以點帶面、整體推進的建設策略，實現(xiàn)北斗在林業(yè)的規(guī)?；瘧?，提高林業(yè)資源監(jiān)管能力和信息化水平。

林業(yè)生態(tài)建設與保護北斗示范應用系統(tǒng)的總體架構與全國林業(yè)信息化建設綱要相一致，采用“四橫兩縱”式的體系結構。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1　林業(yè)生態(tài)建設與保護北斗示范應用系統(tǒng)總體架構圖

北斗林業(yè)綜合應用服務平臺為北斗系統(tǒng)在林業(yè)應用中提供基礎地理數(shù)據與空間信息服務、數(shù)據采集與匯集、數(shù)據存儲與展示、綜合通信服務、綜合信息服務、數(shù)據共享與交換、應用服務管理等服務。

通過對已建國家和示范省相關林業(yè)資源信息服務和將研建的北斗林業(yè)各類服務進行有機整合，使北斗系統(tǒng)與各類林業(yè)應用無縫集成，形成北斗林業(yè)應用綜合管理服務平臺，為北斗林業(yè)業(yè)務應用系統(tǒng)的建設提供所需的資源共享、信息交換、業(yè)務訪問、業(yè)務集成、流程控制、安全管理、應急保障和系統(tǒng)管理等各種基礎性和公用性的支撐服務，同時也是應用系統(tǒng)開發(fā)、部署和運行的技術環(huán)境。

綜合應用服務平臺是北斗林業(yè)示范應用建設的重點，在構建一體化云端服務平臺的基礎上實現(xiàn)四類通信的融合；以北斗林業(yè)應用智能終端為平臺構建面向森林資源監(jiān)管、森林防火與應急、野生動植物保護的多功能智能終端；通過政務外網實現(xiàn)國家與示范省的聯(lián)動管理，向政府、企業(yè)以及個人提供林業(yè)信息(生態(tài))服務。示范業(yè)務系統(tǒng)的建設以公共服務平臺所提供的各類服務為基礎，根據業(yè)務管理需求，采用B/S架構進行開發(fā)和建設。

綜合應用服務平臺以云平臺系統(tǒng)為基礎構架，平臺自底向上分為四層：采集感知層、基礎設施層、平臺支撐層和應用開發(fā)層，如圖2所示。

三、林業(yè)北斗導航示范建設主要技術與策略

林業(yè)北斗示范建設主要技術包括應用模式、綜合服務平臺建設、終端建設三個方面內容。

圖2　北斗林業(yè)綜合應用服務平臺系統(tǒng)架構

1．林業(yè)北斗應用模式

林業(yè)北斗應用示范主要包括林地年度更新系統(tǒng)、生態(tài)公益林巡護管理系統(tǒng)、林火巡護管理系統(tǒng)、林火應急指揮系統(tǒng)、保護區(qū)巡護管理系統(tǒng)共五個業(yè)務。該業(yè)務按照應用模式可分為三類，分別是調查勘測類、巡護監(jiān)管類、應急指揮類。

（1）調查勘測類應用

調查勘測類應用包括森林資源、濕地資源、沙化與荒漠化土地資源、生物多樣性保護等業(yè)務定期開展的全國性調查以及專項調查；各類林業(yè)作業(yè)設計調查及林權勘界調查。該類業(yè)務對終端定位精度要求高、實時性要求不高、平臺依賴度低、前端功能要求高，需求迫切。要滿足該類需求涉及北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、北斗林業(yè)終端、地基增強系統(tǒng)、林業(yè)業(yè)務網以及移動通信網絡等。利用北斗地基增強系統(tǒng)及差分技術，提高北斗林業(yè)專用終端的定位精度。業(yè)務系統(tǒng)一般采用CS/BS混合架構，需要強大的終端APP調查因子輸入與數(shù)據采集功能，平臺應用需要數(shù)據匯總、數(shù)據檢查分析、報表統(tǒng)計、專題圖制作等功能支持。該類業(yè)務開展需充分利用多種精度增強技術與服務，建立數(shù)據采集與交換接口規(guī)范，規(guī)范APP數(shù)據采集與各級平臺數(shù)據傳輸、交換、分析共享服務。

（2）巡護監(jiān)管類應用

巡護監(jiān)管類應用包括生態(tài)公益林巡護、野生動植物保護巡護、森林防火巡護等各類業(yè)務。該類業(yè)務對終端定位精度要求不高、實時性要求較高、平臺依賴度高，系統(tǒng)安全要求不高，應用數(shù)量大。該類應用一般采用基于Web服務架構，終端APP應用功能簡捷，需要提供簡單數(shù)據采集、報警等功能，平臺提供終端監(jiān)控與接警分發(fā)等功能，適合集中統(tǒng)一數(shù)據管理與分析。該類業(yè)務開展需構建基礎地理數(shù)據共享與大數(shù)據管理服務，統(tǒng)一規(guī)范APP采集傳輸接口。

（3）應急指揮類應用

應急指揮類包括森林防火應急指揮、林業(yè)有害生物防治管理、野生動物疫源疫病監(jiān)控、沙塵暴災害應急和監(jiān)測管理等業(yè)務。該類業(yè)務對終端定位精度要求不高、實時性要求高、平臺依賴度高，系統(tǒng)安全要求高，需求迫切。業(yè)務系統(tǒng)一般采用基于專用網絡Web服務架構，客戶終端（APP）應用簡捷，主要支持簡單數(shù)據采集與實時通訊功能；平臺需要強大網絡通信集成能力、平臺數(shù)據管理與分析功能。該類業(yè)務開展需以現(xiàn)有應急平臺系統(tǒng)為基礎，集成服務平臺基礎數(shù)據共享與終端應用，規(guī)范APP數(shù)據采集與命令傳輸接口規(guī)范。

2．綜合服務平臺

林業(yè)北斗導航綜合服務平臺以云平臺框架為基礎，實現(xiàn)基礎地理數(shù)據、林業(yè)專題數(shù)據、終端采集數(shù)據的統(tǒng)一管理與共享。服務平臺具有來源數(shù)據多樣、數(shù)據量大、用戶量大、通信多樣、安全需求多樣的特點，需求迫切。通過采用集中管理的云服務架構，集成已有數(shù)據資源與網絡服務，采用統(tǒng)一門戶與分級管理，規(guī)范數(shù)據共享交換接口與規(guī)范，構建開放的公共資源共享與管理服務、高精度導航服務、綜合通信服務，在此基礎上實現(xiàn)林業(yè)的位置信息服務，同時為各業(yè)務應用系統(tǒng)提供高效的數(shù)據共享與分析服務。綜合服務平臺采用國家、省兩級架構，實現(xiàn)數(shù)據的交換與共享。

3．終端建設

（1）總體原則

林業(yè)北斗終端涉及林業(yè)應用的多種場景，具有需求多樣，對精度、通信、耗能、便攜性、環(huán)境適應性要求明確的特點。終端建設采用硬件型譜統(tǒng)一制定、數(shù)據采集與傳輸接口統(tǒng)一規(guī)范、產品統(tǒng)一測試、統(tǒng)一招標與自主采購相結合的原則。

（2）設計方案

林業(yè)北斗終端設計為林業(yè)應急指揮型、林業(yè)手持型、林業(yè)車載型、林業(yè)勘界測量型、林業(yè)微型共5類型譜（見表1）。

表1　林業(yè)終端型譜功能表

四、總結與展望

建設生態(tài)文明是時代賦予林業(yè)的新的歷史使命,迫切要求林業(yè)發(fā)揮更大的作用。加快林業(yè)信息化,帶動林業(yè)現(xiàn)代化,離不開以北斗衛(wèi)星導航技術為支柱的高新技術的支持。

北斗在林業(yè)的應用推廣需要通過標準制定、綜合平臺搭建、終端研發(fā)解決應用標準、技術、平臺等限制性因素；通過制定的資金、項目配套政策鼓勵推動終端采購，從而實現(xiàn)北斗導航終端的規(guī)?；瘧茫档徒K端價格，實現(xiàn)北斗衛(wèi)星導航技術在林業(yè)的大規(guī)模應用。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在林業(yè)的應用，首先，需要與移動通信、網絡技術、GIS等信息技術的融合才能提供更好的服務。其次，信息技術只有融入到林業(yè)業(yè)務的各個環(huán)節(jié)，才能真正提高林業(yè)資源監(jiān)管與公共服務能力，使林業(yè)發(fā)展離不開衛(wèi)星導航。最后，通過建立北斗導航國家—省—市多級林業(yè)綜合應用服務平臺，提供北斗的業(yè)務服務和增值服務。集成多種共享資源，如基礎地理數(shù)據、遙感、林業(yè)專題、網絡、通信、云計算；開發(fā)業(yè)務服務系統(tǒng)與終端APP，以綜合應用平臺為支撐，根據業(yè)務需求，建設國家、省、市、縣連通的多級業(yè)務系統(tǒng)是解決與業(yè)務融合的關鍵。

隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的日漸完善,北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在林業(yè)生態(tài)保護與建設中還可以發(fā)揮很多作用，只要使用者發(fā)揮想象力，研發(fā)人員發(fā)揮創(chuàng)造力，插上想象的翅膀，北斗系統(tǒng)獨特的技術優(yōu)勢在林業(yè)行業(yè)一定會有更大的作為，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用可以飛得更高。