青海省河南縣天保工程“森林三防”智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黨建喜

(國(guó)家林業(yè)局西北林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，西安 710048)

森林防火、森林資源防偷獵濫伐、森林病蟲害防治是現(xiàn)階段和今后一個(gè)時(shí)期我國(guó)森林管護(hù)面臨的最主要任務(wù)，這三方面問(wèn)題嚴(yán)重影響森林資源安全、破壞生態(tài)平衡，制約我國(guó)森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)與林業(yè)可持續(xù)發(fā)展[1-2]，對(duì)應(yīng)的“森林三防”也成為森林資源保護(hù)的首要任務(wù)，責(zé)任重于泰山[3]。提前發(fā)現(xiàn)和及時(shí)掌握這些問(wèn)題發(fā)生發(fā)展的技術(shù)和方法，是目前國(guó)內(nèi)外“森林三防”研究的熱點(diǎn)之一。

目前我國(guó)森林管護(hù)手段主要以瞭望偵察和地面巡查為主，雖起到了較好的森林偵察與管護(hù)作用，但面對(duì)突發(fā)的森林火災(zāi)、森林偷盜、森林病蟲害現(xiàn)象，很難滿足森林資源管護(hù)的需求。主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：人工瞭望無(wú)法保證全天候全時(shí)段瞭望偵察與全覆蓋無(wú)死角巡查[4]；地面巡查、人工踏查、現(xiàn)場(chǎng)判斷等人工方法很難實(shí)現(xiàn)全面而及時(shí)對(duì)災(zāi)害信息的采集，且工作量大、效率低、信息滯后、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不高[5]；巡護(hù)通訊手段落后，前方與后端信息失聯(lián)，缺少有效管理平臺(tái)，嚴(yán)重影響警力調(diào)度與決策分析[6-7]；森林防火、防盜、防病蟲害分別歸屬多個(gè)職能部門，信息直接互通不足[8]。

近些年，計(jì)算機(jī)技術(shù)和GIS技術(shù)已應(yīng)用于森林火災(zāi)的指揮和決策、少數(shù)病蟲害監(jiān)測(cè)工作上[9-11]，但大部分系統(tǒng)以單一森林防火或森林病蟲害防治系統(tǒng)為主，且使用一般關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，在空間分析方面有局限性，不利于突發(fā)情況的發(fā)現(xiàn)與處理。因此，為將信息化與“森林三防”相結(jié)合，探索基于GIS技術(shù)的森林三防智能管控系統(tǒng)，對(duì)森林資源進(jìn)行大視野、全天候全覆蓋偵察，協(xié)同聯(lián)防林區(qū)，保證信息互通，通過(guò)大數(shù)據(jù)信息整合與關(guān)聯(lián)分析，及時(shí)、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)森林火災(zāi)與病蟲害發(fā)展趨勢(shì)，提供輔助決策方案和應(yīng)對(duì)措施，高效管護(hù)森林資源，使森林資源損失降低到最低水平。我們以河南縣森林分布特點(diǎn)及人為活動(dòng)熱點(diǎn)等為依據(jù)，設(shè)計(jì)了天保工程“森林三防”智能管控系統(tǒng)。

1 區(qū)域概況

1.1 地理區(qū)位及森林資源現(xiàn)狀

青海省河南蒙古族自治縣地處青海省東南部、青藏高原東南邊緣，屬昆侖山東段的西傾山麓尾段。全縣土地總面積652.93×103 km2，海拔3 168～4 539 m，跨度較大。年均降水量606.3 mm，主要集中在5-9月，年均蒸發(fā)量1 414.6 mm，旱季較長(zhǎng)；年均氣溫-1.3～1.6 ℃，無(wú)霜期90 d左右，年均日照時(shí)數(shù)2 564.5 h，太陽(yáng)年總輻射量146.2 MJ·m-2。

河南縣林地面積362 460.2 hm2，森林覆蓋率33.78%，活立木總蓄積666 103.5 m3，森林蓄積641 563.3 m3。林地面積中有林地、疏林地、國(guó)家規(guī)定的特別灌木林地、宜林地面積分別占總面積的1.92%、0.12%、58.93%、39.03%。森林以天然林為主體，天然林面積占林地面積的99.42%；林分主要以圓柏和青海云杉為主，組成單一，面積占有林地面積的93.4%，蓄積占96.67%。

1.2 項(xiàng)目區(qū)概況

寧木特林區(qū)是河南縣重點(diǎn)林區(qū)和有林地分布中心，也是該縣森林“三防”的重點(diǎn)，林地面積81 809.6 hm2，其中有林地面積6 444.3 hm2，占全縣有林地面積92.6%，森林覆蓋率51.13%。寧木特林區(qū)緊鄰黃河及其一級(jí)支流澤曲河兩岸，山地陡峭，海拔高、落差大，是維護(hù)黃河、澤曲河中上游地區(qū)生態(tài)平衡的重要屏障；林區(qū)簡(jiǎn)易道路崎嶇難行，森林管護(hù)條件極其艱苦，且旱季較長(zhǎng)，為防火重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)，也是病蟲害發(fā)生的重災(zāi)區(qū)。為此，在該地區(qū)建立基于“3S”技術(shù)的智能管護(hù)系統(tǒng)，對(duì)保護(hù)其森林資源有重要作用。

2 總體布局

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址的原則

森林三防智能管控系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選址關(guān)系著監(jiān)測(cè)點(diǎn)可視性的覆蓋范圍和成本投入。防控目的不同，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置和數(shù)量應(yīng)不盡相同；森林火災(zāi)視頻監(jiān)控站應(yīng)盡可能布局在天然林資源集中分布區(qū)的制高點(diǎn)；偷盜濫伐抓拍點(diǎn)應(yīng)在交通要道、緊鄰木材檢查(管護(hù))站布設(shè)；病蟲害監(jiān)測(cè)站和森林火險(xiǎn)氣象監(jiān)測(cè)站，應(yīng)布設(shè)在森林資源重點(diǎn)分布區(qū)，兼顧利用火災(zāi)視頻監(jiān)控站、偷盜濫伐抓拍點(diǎn)等基礎(chǔ)設(shè)施。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇與數(shù)量確定

2.2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇 為在天然林中選擇視野開闊、覆蓋面積較大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，依據(jù)地形圖和森林資源分布圖，通過(guò)空間分析中的地形分析生成森林?jǐn)?shù)字高程模型，并進(jìn)行可視性分析及不同數(shù)量視頻監(jiān)控終端覆蓋面積多重比較，再通過(guò)現(xiàn)地勘察，最終選擇合適的監(jiān)控終端數(shù)量及適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)點(diǎn)位置。監(jiān)測(cè)點(diǎn)及其數(shù)量選擇的具體步驟為：

(1)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量及其控制范圍(面積)初選

通過(guò)GIS柵格數(shù)據(jù)鄰域分析方法快速?gòu)腄EM數(shù)據(jù)中提取山頂點(diǎn)及其數(shù)量，通過(guò)DEM可視性和通視性分析計(jì)算單個(gè)與多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)面積和盲區(qū)面積，確定達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求的合理監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量為20個(gè)。

(2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量及其控制范圍終選

本設(shè)計(jì)所用系統(tǒng)的云臺(tái)觀測(cè)范圍為3～5 km，故以監(jiān)測(cè)點(diǎn)為中心、半徑3～5 km為范圍；結(jié)合現(xiàn)地踏查，進(jìn)行多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)多重比較分析，合理布局監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)分析計(jì)算不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)向四周嘹望所能夠檢測(cè)到的最大范圍，區(qū)域可視面積與盲區(qū)面積；通過(guò)比較不同數(shù)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的可視面積及覆蓋率，確認(rèn)15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的可視面積、盲區(qū)面積與16～20監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果無(wú)顯著差異，而14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的效果顯著低于16～20監(jiān)測(cè)點(diǎn)結(jié)果，不能達(dá)到技術(shù)要求，故確定賽爾瓊、西隆、雷冬等15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及其布設(shè)位置，以達(dá)到最為科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)(圖1、2)。

圖1 寧木特林區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局圖

圖2 寧木特林區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)范圍與盲區(qū)

2.2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與監(jiān)控面積 河南縣寧木特林區(qū)有林地、疏林地和國(guó)特別灌木林面積57 143.8 hm2，經(jīng)過(guò)現(xiàn)地踏查，確定的15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)控面積26 392.7 hm2，監(jiān)控面積占有林地、疏林地和特別灌木林面積總和的46.2%；其中有林地面積6 444.3 hm2，監(jiān)控面積6 019.0 hm2、占有林地面積93.4%，盲區(qū)面積為425.3 hm2、占有林地面積6.6%，基本達(dá)到了對(duì)有林地面積的全面覆蓋。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)因海拔及坐標(biāo)位置等條件的差異，監(jiān)控面積及其中的有林地面積等也不盡相同(表1)。

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)施

河南縣寧木特林區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)前端視屏監(jiān)控終端設(shè)計(jì)15套，微波通訊中繼站1套，重要通道人車抓拍監(jiān)控系統(tǒng)3套，森林火險(xiǎn)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3套，森林病蟲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3套，縣級(jí)森林“三防”中心監(jiān)控系統(tǒng)1個(gè)，森林“三防”綜合管控智能軟件1套，國(guó)家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)、森林資源數(shù)據(jù)庫(kù)、森林“三防”專題數(shù)據(jù)庫(kù)各1套。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

河南縣天保工程“森林三防”智能管控系統(tǒng)架構(gòu)由前端智能監(jiān)控系統(tǒng)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、后端監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)及輸出展示設(shè)備幾部分組成。

3.2 后端監(jiān)控管理軟件

詳見圖3森林三防智能管控平臺(tái)系統(tǒng)組成邏輯圖。

3.3 軟件和輸出展示硬件設(shè)備

PC服務(wù)器、存儲(chǔ)服務(wù)器、監(jiān)控及報(bào)警計(jì)算機(jī)、指揮中心操控臺(tái)、大屏幕顯示設(shè)備等。

表1 寧木特林區(qū)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息

圖3 森林三防智能管控平臺(tái)系統(tǒng)組成邏輯圖

4 系統(tǒng)技術(shù)關(guān)鍵與功能

4.1 林火遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)

4.1.1 林火視頻管理子系統(tǒng) 視頻管理系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)前端塔站視頻圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控、保存處理，以及控制和管理前端塔站設(shè)備的核心。通過(guò)視頻管理系統(tǒng)配合前端煙火識(shí)別系統(tǒng)，在發(fā)現(xiàn)疑似煙火后實(shí)現(xiàn)向后端管理中心自動(dòng)報(bào)警功能。主要包括聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理軟件、服務(wù)器以及其它功能附件等構(gòu)成。

4.1.2 林火撲救輔助決策子系統(tǒng) 輔助決策系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對(duì)火情態(tài)勢(shì)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、火災(zāi)決策分析，制定合理?yè)浠鸱桨福詣?dòng)生成最短路徑，實(shí)現(xiàn)撲火力量的最優(yōu)配置。具有林火定位識(shí)別報(bào)警、火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)報(bào)與林火蔓延分析、撲火輔助決策、災(zāi)損評(píng)估及火情標(biāo)繪等功能。

4.1.3 火險(xiǎn)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)子系統(tǒng) 依托森林資源空間分布數(shù)據(jù)和林火影響因子，建立森林火險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)專家?guī)?，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將前端森林火災(zāi)氣象監(jiān)測(cè)站與后臺(tái)系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)獲取森林火險(xiǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)，啟動(dòng)林火預(yù)警預(yù)報(bào)子系統(tǒng)，分析預(yù)報(bào)森林火險(xiǎn)等級(jí)。

4.2 森林資源偷盜管控系統(tǒng)

4.2.1 前端智能抓拍子系統(tǒng) 前端智能抓拍系統(tǒng)是通過(guò)部署在道路、檢查(管護(hù))站、瞭望塔臺(tái)的監(jiān)控抓拍設(shè)備及監(jiān)控視頻，對(duì)經(jīng)過(guò)的車輛、人員信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳回到指揮中心進(jìn)行管控。

4.2.2 傳輸網(wǎng)絡(luò) 傳輸網(wǎng)絡(luò)是利用WIFI、3G/4G、有線網(wǎng)絡(luò)，由前端智能控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向指揮中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)。

4.2.3 后臺(tái)管理平臺(tái)

(1)護(hù)林巡護(hù)管理子系統(tǒng)

護(hù)林巡護(hù)管理系統(tǒng)是通過(guò)護(hù)林員使用的巡護(hù)移動(dòng)終端，利用公共網(wǎng)絡(luò)與指揮調(diào)度中心互聯(lián)，發(fā)送偷盜等突發(fā)事件的報(bào)警求助信息。指揮調(diào)度中心收到警報(bào)通知后，在地圖上準(zhǔn)確定位，并通過(guò)電話通知森林公安進(jìn)行及時(shí)處置。

(2)偷盜案件信息管理子系統(tǒng)

偷盜案件信息管理系統(tǒng)具備立案登記、處理登記、損失登記和處理結(jié)果登記的功能。

4.3 森林病蟲害管控系統(tǒng)

4.3.1 巡護(hù)告警系統(tǒng) 護(hù)林員或社會(huì)群眾發(fā)現(xiàn)病蟲害情況，利用巡護(hù)移動(dòng)終端、手機(jī)等對(duì)有害生物及被害病體進(jìn)行拍攝，通過(guò)護(hù)林巡護(hù)管理系統(tǒng)APP，發(fā)送病蟲害突發(fā)事件的報(bào)警信息。

4.3.2 森林病蟲害遠(yuǎn)程診斷子系統(tǒng) 森林病蟲害遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)主要是建立病蟲害生物學(xué)圖片、形態(tài)特征描述等物種信息數(shù)據(jù)庫(kù)，防治中心收到警報(bào)信息后，導(dǎo)入圖片、形態(tài)特征描述等報(bào)警信息，通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷，確定森林病蟲害種類及防治措施，通知相關(guān)部門及時(shí)進(jìn)行防治。

4.3.3 病蟲災(zāi)害測(cè)報(bào)子系統(tǒng) 根據(jù)歷年不同種類病蟲害的發(fā)生規(guī)律，建立病蟲害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型。通過(guò)森林病蟲害監(jiān)測(cè)站，統(tǒng)計(jì)蟲口密度，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入病蟲害測(cè)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)病蟲害為害區(qū)域和發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

4.4 森林資源管理功能模塊

森林資源管理功能模塊包括地圖工具、查詢工具、統(tǒng)計(jì)分析、圖面修飾等功能模塊。將森林資源屬性數(shù)據(jù)與空間分布數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)林火蔓延趨勢(shì)分析、病蟲害發(fā)展趨勢(shì)分析和災(zāi)后森林資源損失評(píng)估等森林資源信息可視化管理。

5 討論

森林“三防”監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)空間定位精準(zhǔn)化、軌跡跟蹤實(shí)時(shí)化、指揮調(diào)度科學(xué)化的森林資源管理，符合現(xiàn)代林業(yè)建設(shè)要求。通過(guò)先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)，構(gòu)建完整的微波+公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系和物物相聯(lián)、協(xié)同預(yù)警、信息共享的智能管控系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)、偷獵濫伐、病蟲災(zāi)害等緊急事態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與輔助決策。系統(tǒng)平臺(tái)的使用將極大提高監(jiān)控區(qū)域的森林安全監(jiān)管水平，推動(dòng)林業(yè)信息化發(fā)展[12-13]。青海省互助北山林場(chǎng)“森林三防”智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，2013年通過(guò)青海省林業(yè)廳成果審定，達(dá)到省級(jí)先進(jìn)水平。監(jiān)控區(qū)域的火警報(bào)告率達(dá)到95%以上，偷獵盜伐案件抓拍監(jiān)控率90%以上，病蟲災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)率達(dá)到90%以上，實(shí)現(xiàn)了無(wú)重大森林火災(zāi)、偷砍濫伐和盜獵野生動(dòng)物案件發(fā)生的好成績(jī)。

本設(shè)計(jì)因監(jiān)測(cè)點(diǎn)均處于起伏地勢(shì)陡峭、高差很大的山區(qū)，無(wú)線微波直線傳輸困難。因此，使用三維衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)位建模，利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的無(wú)線微波站點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行中繼傳輸，再由梧桐管護(hù)站集中傳輸，對(duì)傳輸路徑進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，為消除不同氣候條件對(duì)灰度級(jí)的影響，采用氣象要素傳感器將風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度等氣象要素監(jiān)測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)并傳輸?shù)胶蠖斯芾砥脚_(tái)，通過(guò)圖像灰度值與圖像空間頻率分析，最終達(dá)到對(duì)可疑區(qū)域的自動(dòng)定位和手動(dòng)定位。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的供電系統(tǒng)是整套三防系統(tǒng)的重點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用太陽(yáng)能供電，對(duì)于河南縣高海拔、極低溫的環(huán)境條件，太陽(yáng)能供電是否能完全滿足系統(tǒng)要求，有待檢驗(yàn)，今后可設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)風(fēng)電互補(bǔ)供電問(wèn)題；目前，系統(tǒng)僅錄入了青海省主要的森林病蟲害種類、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防治措施，今后隨著基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的不斷積累，可對(duì)森林病蟲害種類數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行升級(jí)，并加入在線專家答疑模塊，實(shí)現(xiàn)用戶遠(yuǎn)程咨詢。另外，在河南縣“森林三防”智能管控系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中難免會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題并對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)，對(duì)此應(yīng)及時(shí)總結(jié)和歸類，逐步形成理論和設(shè)計(jì)規(guī)范或技術(shù)規(guī)程，以利于向全省乃至各地推廣，為森林資源管理服務(wù)。