基于“北斗二號”的武陵山片區(qū)林業(yè)監(jiān)控管理研究

陳生海，丁建群

（懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南懷化418008）

基于“北斗二號”的武陵山片區(qū)林業(yè)監(jiān)控管理研究

陳生海，丁建群

（懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南懷化418008）

北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)，可為全球用戶提供全天候、全天時的衛(wèi)星導(dǎo)航信息和通信服務(wù).隨著北斗系統(tǒng)民用應(yīng)用的日益廣泛和深入，現(xiàn)有的運營模式已逐漸不能滿足用戶需求.本文通過對森林防火的需求分析，研發(fā)了基于北斗二號導(dǎo)航定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時監(jiān)測林區(qū)和預(yù)防森林災(zāi)害的發(fā)生及科學(xué)撲救的功能.

北斗二號；地理信息系統(tǒng)；林業(yè)監(jiān)控管理；森林防火

1 引言

武陵山片區(qū)林業(yè)資源十分豐富，森林覆蓋率高，且物種多樣性豐富，同時也為林業(yè)的監(jiān)控管理帶來了很大的挑戰(zhàn)和困難.森林是自然界功能最完善的資源庫、基因庫、蓄水庫和能源庫，對維持陸地生態(tài)環(huán)境，維持生態(tài)平衡起著重要的作用[1].因此，對森林資源的調(diào)查和監(jiān)測以及森林災(zāi)害的監(jiān)測和防治應(yīng)該得到高度的重視[2].建設(shè)林業(yè)資源監(jiān)測調(diào)查系統(tǒng)是基于我國森林與自然環(huán)境監(jiān)測工作的需要，能有效的提高林業(yè)資源管理水平，實現(xiàn)林業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展，建立林業(yè)資源監(jiān)測體系是改變以往傳統(tǒng)的資源及管理方法，減少繁重體力勞動的需要，是保證林業(yè)經(jīng)營單位實現(xiàn)各項生產(chǎn)經(jīng)營目標的需要[3].

基于“北斗二號”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng)是“北斗”系統(tǒng)基于武陵山片區(qū)林業(yè)實時監(jiān)控管理等方面的業(yè)務(wù)需求，在森林防火、禁止亂砍亂伐、害蟲監(jiān)測、森林沙漠化監(jiān)測等方面能夠發(fā)揮監(jiān)控管理和指導(dǎo)作用，為相關(guān)林業(yè)部門提供各種監(jiān)測管理服務(wù)；為各級林業(yè)監(jiān)管部門進行實時調(diào)度和重大決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)信息支持，一旦發(fā)生火災(zāi)、蟲災(zāi)、亂砍亂伐等突發(fā)事件時，能迅速預(yù)警、定位災(zāi)害中心，實施緊急減災(zāi)措施[4].

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

該監(jiān)控管理系統(tǒng)是建立在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息處理中心和林業(yè)部門森林防火辦公室林火監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，使用了基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地理信息軟件和數(shù)據(jù)庫軟件，通過北斗衛(wèi)星通信鏈路方式，向各監(jiān)測站和監(jiān)測終端等發(fā)布各種命令，包括上傳數(shù)據(jù)指令、重置參數(shù)指令、短消息、指揮調(diào)度指令等等，來對各監(jiān)測終端進行監(jiān)控管理，而且也可以通過北斗收發(fā)機按一定時間間隔（數(shù)據(jù)的采集頻率是設(shè)置好的，監(jiān)測過程中可以做相應(yīng)修改）將監(jiān)測終端采集到的各種溫度、濕度、煙霧濃度、光亮度等數(shù)據(jù)和位置狀態(tài)信息傳送到監(jiān)控指揮中心，與計算機上的衛(wèi)星遙感圖像和電子地圖匹配，在電子地圖上顯示坐標點的位置，清楚、直觀地顯示各種狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)信息.基于“北斗二號”的林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng)的示意圖如圖1.

根據(jù)圖1可知林業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與通信系統(tǒng)、綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)和一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成了整個林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng).通過四大子系統(tǒng)有機的組合級聯(lián)保證了整個管理平臺的正常運行.林業(yè)監(jiān)測管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2.

整個監(jiān)控管理系統(tǒng)的運行如下：監(jiān)控指揮中心通過VPN傳輸通道和北斗衛(wèi)星地面主控站進行連接從而獲得由衛(wèi)星地面主控站推送的北斗衛(wèi)星相關(guān)通訊信號，通過北斗衛(wèi)星用戶機群的疊加實現(xiàn)地面運營中心的北斗衛(wèi)星信號的上行通信，同時通過和公用移動通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的級聯(lián)提供衛(wèi)星通信和移動通信的互聯(lián)互通.此外，所有監(jiān)控管理系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)的北斗應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，包括相關(guān)車輛和人員調(diào)度管理等，也都將通過網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控管理平臺進行相連，從而獲得監(jiān)控管理系統(tǒng)所需要的各種有效信息和數(shù)據(jù).

3 子系統(tǒng)的組成及配置

3.1 林業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3.林區(qū)的實時監(jiān)測網(wǎng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、手持采集終端、車載型采集終端以及機載型數(shù)據(jù)采集終端組成.

對于林業(yè)監(jiān)測報警系統(tǒng)來說，當有火情發(fā)生時，最重要的是能有效地傳遞火災(zāi)預(yù)警信息.因此，無線采集傳感器應(yīng)采取多點布配形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò).通過布放在林區(qū)中的大量傳感器來全方位的監(jiān)測林區(qū)中的各種信號，包括溫度、濕度、煙感、光照強度等，將數(shù)據(jù)采集端采集到的溫度、濕度、煙感、光照強度等數(shù)據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)化，再通過RS-485串行通信接口傳給相應(yīng)的處理器，這也是整個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵所在.串口通信模塊將采集的數(shù)據(jù)按北斗衛(wèi)星傳輸格式要求進行編碼轉(zhuǎn)換，經(jīng)另一個RS-232接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給北斗收發(fā)模塊，北斗收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星傳給衛(wèi)星地面總站，衛(wèi)星地面總站將最終數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳輸至監(jiān)控中心主機，通過光纖網(wǎng)絡(luò)傳送至信息中心，同時實現(xiàn)精確定位功能.

圖1 基于“北斗二號”的林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng)示意圖

圖2 林業(yè)監(jiān)測管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖

圖3 林業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸與通信系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)功能

1）數(shù)據(jù)實時傳送與分發(fā)

采集終端采集到數(shù)據(jù)后傳輸給北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送給地面主控站.地面主控站進行分析處理后再將數(shù)據(jù)通過北斗衛(wèi)星發(fā)送到相應(yīng)林業(yè)監(jiān)控室的指揮機；同時將所有數(shù)據(jù)通過地面鏈路發(fā)送至監(jiān)控中心.

2）遠程參數(shù)配置

地面主控站通過逆向流程將監(jiān)控中心發(fā)出的遠程終端配置指令通過衛(wèi)星發(fā)送到相應(yīng)北斗接收機，由北斗接收機傳送給數(shù)據(jù)采集終端，進行系統(tǒng)識別碼、時間參數(shù)、采集頻率等參數(shù)的修改.

3）傳送指揮調(diào)度指令

當有緊急事件或是林業(yè)災(zāi)害發(fā)生時，監(jiān)控中心結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)信息以及數(shù)據(jù)庫中的預(yù)測模型等采取緊急措施，及時下達救援指令.通過地面總站——北斗衛(wèi)星——救援隊，或是通過移動網(wǎng)絡(luò)等指揮救援工作.

3.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

如圖4所示，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由北斗信號接收模塊、北斗信號發(fā)射模塊、移動通訊模塊、增值服務(wù)模塊和通信、應(yīng)用服務(wù)及管理模塊等五大模塊組成.

3.3 數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)

數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)由數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)應(yīng)用工作站、網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)器、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、數(shù)據(jù)交換機等組成.

數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5，該系統(tǒng)功能：1）進行數(shù)據(jù)存儲

林業(yè)數(shù)據(jù)庫分為基礎(chǔ)空間地理數(shù)據(jù)庫、專用數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用模型數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)庫.將接收到的數(shù)據(jù)按照一定的格式進行入庫存儲.

2）監(jiān)測設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控

對終端采集設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控通過基于地理信息系統(tǒng)的接口界面實現(xiàn).當超過設(shè)置的最大時間門限，仍沒有數(shù)據(jù)傳送時，則發(fā)送狀態(tài)查詢指令，監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)是否正常.出現(xiàn)異常時，進行實時定位、維護.

3）遠程參數(shù)配置

當發(fā)現(xiàn)傳送來的數(shù)據(jù)無法滿足要求而需要更改采集頻率時，即對采集終端發(fā)送重設(shè)采集頻率指令，實現(xiàn)遠程的參數(shù)配置；當發(fā)現(xiàn)采集終端的時間超過偏差最大上限時，即發(fā)送授時指令，對遠端設(shè)備的時間進行重置，實現(xiàn)遠程參數(shù)的配置.

4）建立林業(yè)數(shù)據(jù)庫

負責對實時林業(yè)數(shù)據(jù)進行報文識別、報文格式檢查、要素譯碼和質(zhì)量控制等相關(guān)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理工作.按照所屬不同的數(shù)據(jù)種類分類進行林業(yè)數(shù)據(jù)組織和管理，建立林業(yè)數(shù)據(jù)庫.

5）數(shù)據(jù)查詢和實時數(shù)據(jù)顯示

對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行歷史數(shù)據(jù)查詢和實時數(shù)據(jù)顯示，生成指導(dǎo)性的量化數(shù)值，是林業(yè)數(shù)據(jù)與預(yù)報保障人員的接口，為監(jiān)測人員提供多種直觀形象的可視化數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提高林業(yè)數(shù)據(jù)的利用效率.

6）數(shù)據(jù)變化分析

圖4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成圖

圖5 數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

災(zāi)害背景診斷分析，了解全省或區(qū)域性的預(yù)報對象的時空分布、變化規(guī)律、數(shù)據(jù)異常及突變，為災(zāi)害預(yù)測提供背景知識.

7）救援

指揮救援中心在獲得了災(zāi)害信息和精確的災(zāi)害地點后，將火情具體情況和撲火隊伍動態(tài)顯示，并根據(jù)火災(zāi)地區(qū)的地形、生態(tài)、天氣等情況應(yīng)用科學(xué)的分析模型對火災(zāi)蔓延情況做出事實預(yù)測，以更好的實現(xiàn)遠程指揮救援.

4 系統(tǒng)工作模式

對森林防火監(jiān)測來說，對林火事件的反應(yīng)速度是第一位的，這樣才可把火災(zāi)的損失降到最低．在平常的工作中，應(yīng)該本著預(yù)防監(jiān)測為主的原則，這主要根據(jù)氣象條件和防火區(qū)劃來確定火險天氣.相關(guān)的林業(yè)部門通過由系統(tǒng)監(jiān)控指揮中心轉(zhuǎn)發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的各種溫度、濕度等信息，結(jié)合防火區(qū)劃圖，可以給火險預(yù)報模型提供輸入?yún)?shù).最終計算出的火險天氣等級，然后一級一級地傳遞給相關(guān)的負責人員，這樣各級部門根據(jù)火險天氣等級可以提前做好準備工作.

當發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后，后臺監(jiān)控指揮中心立即根據(jù)目前掌握的火災(zāi)情況，制定應(yīng)急方案.并向防火隊員下達滅火通知，防火隊員配備北斗系統(tǒng)衛(wèi)星移動終端根據(jù)實時接收到得指令進行滅火任務(wù)，并根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)需求向監(jiān)控中心實時發(fā)送所需的信息數(shù)據(jù).指揮人員通過接受到的數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的模型，做出科學(xué)合理的分析和指揮，在最短的時間里撲滅大火，并預(yù)防在滅火過程中的突發(fā)事件和無法預(yù)測的危險.

監(jiān)測指揮中心的軟硬件主要包括大屏幕顯示器、GIS數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測終端、現(xiàn)場實時信息數(shù)據(jù)庫等.系統(tǒng)面向各個部門的服務(wù)項目包括：監(jiān)測預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度、決策分析、移動信息處理等.當災(zāi)害發(fā)生時，為了使現(xiàn)場救援指揮工作的順利進行，通常搭建現(xiàn)場應(yīng)急指揮中心實現(xiàn)與后方監(jiān)控中心的聯(lián)動，依托救援指揮系統(tǒng)的硬件設(shè)備：裝備車、應(yīng)急指揮車、北斗衛(wèi)星通信車、救援直升機等，構(gòu)建海陸空“三位一體”的立體指揮調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)與決策層的聯(lián)動指揮.

5 結(jié)語

針對武陵山片區(qū)林區(qū)面積大，移動通信覆蓋不全的問題，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)為此提供了良好的解決方案.利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位和通信功能，將其應(yīng)用于森林防火中，它不僅可以解決甚高頻或超短波通信中的通信有效距離受限制的問題，還可以為防火隊員提供高精度的位置信息，實現(xiàn)定位導(dǎo)航，有效解決了林區(qū)人員定位、前線隊伍與后方指揮部們的盲區(qū)通信問題，極大地提高了森林防火指揮調(diào)度能力.該系統(tǒng)可在森林火災(zāi)發(fā)生時，利用該系統(tǒng)提供的輔助決策功能，制定合理的撲火方案，實現(xiàn)撲火力量的最優(yōu)配置，縮短撲火出動時間，提高撲火效率，盡可能最大限度的降低森林火災(zāi)造成的損失.

[1]何誠，劉柯珍，李艷云，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用[J].森林防火，2016（2）：31-33.

[2]曹軒.北斗定位在林業(yè)行業(yè)應(yīng)用技術(shù)探究[J].電子測試，2014（12）：93-94.

[3]李濤，姚樹林，謝國鈞.北斗導(dǎo)航森林防火監(jiān)控平臺系統(tǒng)[J].綠色科技，2015（11）：234-237.

[4]陳俊，張雷，王遠飛.基于北斗和GPS的森林防火人員調(diào)度指揮系統(tǒng)[J].軟件，2012，33（2）：27-30.

[5]胥小武，田豐.基于CC2430的TinyOS系統(tǒng)移植開發(fā)[J].沈陽航空航天大學(xué)學(xué)報，2009，26（5）：83-86.

Study on Forest Monitoring andManagement System in Wuling Mountain Area Based on Compass II Satellite Navigation System

CHEN Sheng-hai，DING Jian-qun
（College of electrical and information engineering，Huaihua University，Huaihua，Hunan 418008）

Compass II satellite navigation system is the construction of autonomous global satellite navigation and communication system that can provide global all-weather，all-time satellite navigation information and communication services.With the civil applications of the compass system increasing breadth and depth，the existing business model gradually can not meet customers’needs.Based on the analysis of the demand of forest fire prevention，this paper developed a forestry monitoring and management system based on Compass II navigation and positioning system，geographic information system and wireless sensor network to realize the function of real-time monitoring of forest area and prevention of forest disaster and scientific fighting.

Compass II；geographic information systems；forestry monitoring and management；forest fire prevention

TN99

A

1671－9743（2017）05－0046－04

2016-12-19

懷化學(xué)院科研項目（HHUY2017-05；ZNKZ2017-3）.

陳生海，1989年生，男，湖南懷化人，助教，碩士，研究方向：移動通信技術(shù).