多源數(shù)據(jù)分布式森林資源監(jiān)測平臺研建

陳偉 孫永濤 洪奕豐 馬秀 鄭炳斌

多源數(shù)據(jù)分布式森林資源監(jiān)測平臺研建

陳偉1孫永濤1洪奕豐1馬秀1鄭炳斌2

（1國家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院 浙江杭州 310019； 2杭州華林林業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司 浙江杭州 310019）

為提高森林資源監(jiān)測工作效率、降低森林資源監(jiān)測平臺建設(shè)成本，提出了以網(wǎng)絡(luò)地圖為底圖，以林業(yè)專題圖為現(xiàn)勢性較強的參考數(shù)據(jù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)地圖開發(fā)技術(shù)、C/S和B/S混合部署模式、AES和MD5混合加密等相關(guān)技術(shù)和方法，開發(fā)森林資源監(jiān)測平臺。該平臺以基礎(chǔ)年數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，以小班為最小單位，對森林資源數(shù)據(jù)進行管理，高效、快捷、準(zhǔn)確地更新森林資源數(shù)據(jù)，監(jiān)測森林資源的數(shù)量、質(zhì)量和林木生長情況。它主要解決如下幾個問題：一是采取分布式部署，充分利用硬件資源，提高平臺性能；二是采取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加密技術(shù)，提高數(shù)據(jù)的安全性；三是調(diào)用網(wǎng)絡(luò)地圖，降低數(shù)據(jù)建設(shè)成本。經(jīng)過兩年的試運行，該平臺運行穩(wěn)定、基本滿足用戶需求，具有一定的推廣性。

網(wǎng)絡(luò)地圖；森林資源監(jiān)測；GIS；分布式部署

監(jiān)測森林資源動態(tài)變化的數(shù)量、質(zhì)量及消長狀態(tài)的定量指標(biāo)是科學(xué)評價森林資源保護、利用、規(guī)劃及林業(yè)建設(shè)發(fā)展成效的途徑之一[1]。森林資源監(jiān)測是一項復(fù)雜的工作，目前主要采用森林資源連續(xù)清查、森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查和森林資源經(jīng)營檔案更新等方法掌握森林資源情況。森林資源連續(xù)清查每5年1次，以數(shù)理統(tǒng)計連續(xù)抽樣技術(shù)和固定樣地為基礎(chǔ)進行[2]；森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查每10年1次，全面調(diào)查森林、林地、林木資源情況[3]；森林資源經(jīng)營檔案更新每年進行，分為突變更新和漸變更新，突變更新需要人工調(diào)查，漸變更新通過數(shù)學(xué)模型進行更新[4]。以上三種方式工作周期長，工作強度大，很難滿足現(xiàn)代林業(yè)的發(fā)展需要。

目前，新技術(shù)、新方法在森林資源監(jiān)測中的應(yīng)用研究不斷增多。文獻[5]基于遙感光譜信息分類的方法提取森林植被信息；文獻[6]基于星載LiDAR和光學(xué)遙感，提取森林植被信息，并結(jié)合地面實測數(shù)據(jù)，推算地上生物量；文獻[7、8]基于機載LiDAR和光學(xué)遙感提取森林植被三維結(jié)構(gòu)參數(shù)，并結(jié)合地面樣方數(shù)據(jù)，提取森林關(guān)鍵參數(shù)信息。然而，光學(xué)遙感無法提取森林三維結(jié)構(gòu)信息，星載LiDAR無法保證植被信息提取結(jié)果的現(xiàn)勢性，機載LiDAR成本較高，無法大面積應(yīng)用。因此，以上方法停留于探索階段，還無法大范圍開展生產(chǎn)應(yīng)用。而森林資源監(jiān)測信息化建設(shè)處于靜態(tài)管理階段，需要經(jīng)過購買遙感影像、處理數(shù)據(jù)、儲存數(shù)據(jù)、開發(fā)系統(tǒng)等等環(huán)節(jié)，最終才能搭建起來，并且不能動態(tài)、實時監(jiān)測森林資源信息[9]。

本文所研究的森林資源監(jiān)測平臺，是以網(wǎng)絡(luò)地圖為主要數(shù)據(jù)源，采用分布式部署，利用數(shù)據(jù)加密技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)傳輸，以移動端和桌面端交互的方式進行內(nèi)外業(yè)一體化監(jiān)測。用網(wǎng)絡(luò)地圖為主要數(shù)據(jù)源，可大大減少數(shù)據(jù)成本，分布式部署能夠充分使用硬件資源，靈活調(diào)用網(wǎng)絡(luò)或本地數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加密技術(shù)能夠加強數(shù)據(jù)傳輸安全。

1 數(shù)據(jù)源分析

將已有的網(wǎng)絡(luò)地圖資源集成在系統(tǒng)中[10]，可以減少軟硬件投入，不必過度關(guān)注基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集、整理、地圖配色及海量數(shù)據(jù)加載等相關(guān)技術(shù)，只需關(guān)注如何把不同來源的網(wǎng)絡(luò)地圖與本地數(shù)據(jù)無縫結(jié)合起來。Google地圖衛(wèi)星影像分辨率較高，衛(wèi)星照片更新周期短，但網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在國內(nèi)不穩(wěn)定[11]；百度地圖矢量數(shù)據(jù)內(nèi)容詳實，提供離線緩存功能，這為野外網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差的區(qū)域提供了離線使用地圖的便利[12]；天地圖分為國家級、省級、市級節(jié)點，各個節(jié)點的數(shù)據(jù)時間分辨率和數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性差別很大。林業(yè)專題數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)地圖疊加可滿足森林資源調(diào)查前的預(yù)判工作。因此，本研究數(shù)據(jù)源主要是谷歌地圖、天地圖和百度地圖。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 空間數(shù)據(jù)模型

基于地理信息系統(tǒng)基本理論開發(fā)空間數(shù)據(jù)模型。首先必須實現(xiàn)對空間實體特征進行表達，這些特征主要包括空間位置特征、屬性特征、時間特征以及空間關(guān)系等。針對空間數(shù)據(jù)的基本類型，可分為矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)。對于矢量數(shù)據(jù)，在地理信息系統(tǒng)中將其描述為點、線、面等基本幾何對象，對應(yīng)其幾何特征，即幾何節(jié)點坐標(biāo)以及空間關(guān)系。對于柵格數(shù)據(jù)，主要描述各地理坐標(biāo)點上地形地物等對應(yīng)的像元值?？臻g數(shù)據(jù)模型中矢量數(shù)據(jù)模型定義主要包括圖層定義、圖層字段定義、圖層數(shù)據(jù)定義等，其中圖層數(shù)據(jù)定義包括要素的幾何數(shù)據(jù)定義與屬性數(shù)據(jù)定義。

2.2 數(shù)據(jù)混合加密技術(shù)

目前數(shù)據(jù)加密存在兩個問題：一是用戶自主設(shè)置密碼，容易被破解；二是軟件采用MD5（信息-摘要算法）或AES加密算法，雖然加強了數(shù)據(jù)安全，但也有被破解的風(fēng)險。鑒于上述問題，本軟件做了三個方面的改進：一是采用MD5與AES結(jié)合的混合加密方式，提高加密強度；二是對數(shù)據(jù)采用密碼加密、設(shè)備加密以及密碼設(shè)備混合加密的方式確保數(shù)據(jù)的安全性；三是軟件具有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)銷毀功能，一旦移動端設(shè)備丟失，啟動數(shù)據(jù)銷毀功能，只要設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，即刻銷毀數(shù)據(jù)。

2.3 地圖服務(wù)加密授權(quán)機制

常規(guī)的Web地圖存在加密性較差的缺點，如百度地圖、天地圖、Google地圖等互聯(lián)網(wǎng)地圖。采用ArcGIS Server或GeoServer等地圖服務(wù)系統(tǒng)發(fā)布地圖服務(wù)僅做一次性，仍然存在地圖數(shù)據(jù)“裸奔”的現(xiàn)象，存在數(shù)據(jù)被抓取泄露的風(fēng)險。但是對于專業(yè)地圖數(shù)據(jù)需具備較高的安全性要求，特別是對于同一地圖服務(wù)針對不同用戶權(quán)限的時候，無法在權(quán)限上做地圖服務(wù)的分割。本系統(tǒng)中通過自主設(shè)計的地圖服務(wù)發(fā)布系統(tǒng)來解決該問題。當(dāng)發(fā)起地圖服務(wù)請求時加上驗證信息，地圖服務(wù)發(fā)布系統(tǒng)根據(jù)驗證信息快速驗證真?zhèn)?，如果請求的地圖數(shù)據(jù)在用戶權(quán)限范圍內(nèi)則直接返回地圖數(shù)據(jù)，反之則返回空地圖數(shù)據(jù)。

3 平臺設(shè)計

3.1 總體架構(gòu)

森林資源監(jiān)測平臺分為PC端和移動端，后臺有服務(wù)器端和Web服務(wù)端。PC端主要用來處理與分析數(shù)據(jù)；移動端采用離線和在線兩種方式采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)椒?wù)器端，供PC端進行調(diào)用查詢、修改、統(tǒng)計、分析等操作。服務(wù)器端主要是數(shù)據(jù)庫管理和網(wǎng)絡(luò)通訊，Web服務(wù)端提供數(shù)據(jù)傳輸和調(diào)用服務(wù)。與傳統(tǒng)監(jiān)測平臺相比，這種架構(gòu)更穩(wěn)定，內(nèi)外業(yè)交互性也較強。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3.2 設(shè)計流程

平臺界面主要分為PC端與移動端，兩者之間通過數(shù)據(jù)庫進行信息交互。PC端工作流程主要是與服務(wù)器端數(shù)據(jù)交互，服務(wù)器端除了與PC端進行通信之外，還對數(shù)據(jù)庫進行安全性控制。手機端通過Web服務(wù)與服務(wù)器端進行數(shù)據(jù)交互。如圖2所示，上面為PC端工作流程，下面為移動端工作流程。PC端通過加載網(wǎng)絡(luò)和本地數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行疊加、查詢、分析和地圖打印等操作，同時通過移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與移動端進行信息交互。移動端加載網(wǎng)絡(luò)地圖和本地數(shù)據(jù)，進行外業(yè)調(diào)查。

圖2 系統(tǒng)流程圖

3.3 功能模塊

圖3 系統(tǒng)功能模塊圖

森林資源監(jiān)測平臺可分為四個子系統(tǒng)：服務(wù)器端主要是用來管理數(shù)據(jù)庫；Web服務(wù)端主要為移動端程序提供相關(guān)信息交互服務(wù)，PC客戶端是森林資源監(jiān)測管理的指揮中心，起到承上啟下的作用；移動端主要是野外信息采集并與PC端進行交互。相對于傳統(tǒng)平臺，該平臺優(yōu)勢更為明顯：一是采取分布式部署，充分利用硬件性能資源，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，減少獨立服務(wù)器的壓力；二是采取PC與移動端實時通信，保證數(shù)據(jù)的同步與更新，方便數(shù)據(jù)校驗；三是服務(wù)器端單獨存儲數(shù)據(jù)庫，保證了數(shù)據(jù)庫的安全性，同時調(diào)用網(wǎng)絡(luò)地圖，也大大降低了數(shù)據(jù)建設(shè)成本。該平臺功能模塊圖3所示。

3.4 運行環(huán)境

PC端系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，其運行環(huán)境見表1；移動端系統(tǒng)采用類B/S結(jié)構(gòu)，運行環(huán)境見表2。

表2 移動端運行環(huán)境

4 應(yīng)用實例

森林資源監(jiān)測平臺以杭州市為監(jiān)測區(qū)域，利用多種數(shù)據(jù)源，采取分布式部署，以混合加密的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，達到高效、安全、快速的森林資源監(jiān)測目的。

4.1 數(shù)據(jù)

底圖采用Google地圖、天地圖和百度地圖。對現(xiàn)勢性要求較強的區(qū)域，采用本地發(fā)布遙感影像，如資源衛(wèi)星影像、高分衛(wèi)星影像等。森林資源監(jiān)測專題數(shù)據(jù)采用鄉(xiāng)鎮(zhèn)界、村界、林班、小班矢量數(shù)據(jù)。

4.2 系統(tǒng)展示

森林資源監(jiān)測平臺集成多源網(wǎng)絡(luò)地圖與本地林業(yè)矢量數(shù)據(jù)疊加，既能保證數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，又能形象化、直觀性的監(jiān)測管理森林資源狀況。如圖4所示。

圖4 PC端：本地數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)地圖疊加

圖5為移動端GPS定位及坐標(biāo)值上傳，由于坐標(biāo)值和小班數(shù)據(jù)為涉密信息，故采取AES和MD5混合加密方式傳輸，圖形傳輸也是如此。GPS定位采取GPS差分模式，結(jié)合多衛(wèi)星和不同星座（如GPS和GLONASS衛(wèi)星），高精度快速定位，更好地滿足林業(yè)野外調(diào)查需要。

圖5 移動端：GPS定位及數(shù)據(jù)傳輸

圖6為內(nèi)外業(yè)一體化小班變化更新方式。通過PC端預(yù)判圖斑是否有變化，然后移動端進行外業(yè)核對，如預(yù)判圖斑與現(xiàn)地調(diào)查不一致，則移動端需在野外手繪變化圖斑草圖，最終上傳至服務(wù)器端，供PC端調(diào)用與規(guī)范化處理。

圖6 動態(tài)監(jiān)測森林資源變化過程

5 結(jié)論與討論

本研究內(nèi)容主要是整合網(wǎng)絡(luò)地圖和本地數(shù)據(jù)，結(jié)合C/S、B/S、AES和MD5混合加密技術(shù)，采用分布式部署的方式，搭建森林資源監(jiān)測平臺。目前該平臺已運行多年時間，從用戶使用情況來看，該平臺有效減輕了外業(yè)人員的工作強度、提高了內(nèi)外業(yè)人員的工作效率，同時減少了大量的數(shù)據(jù)采集制作、軟硬件搭建、系統(tǒng)開發(fā)等相關(guān)費用。主要優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：以網(wǎng)絡(luò)地圖為底圖，降低了數(shù)據(jù)采集或購買成本，降低了服務(wù)器和存儲設(shè)備采購成本；便于維護，適合縣級林業(yè)部門使用；通過AES和MD5混合加密方式進行數(shù)據(jù)傳輸，提高了數(shù)據(jù)的安全性，規(guī)避了互聯(lián)網(wǎng)地圖公開相關(guān)法律法規(guī)；通過B/S、CS混合模式及分布式部署方式，可以充分利用服務(wù)器端、PC端、移動端的硬件性能。

隨著4G網(wǎng)絡(luò)和無人機的普及，森林資源監(jiān)測平臺可與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，通過傳感器實時采集森林資源樣地信息，傳輸?shù)椒?wù)器端，PC端對數(shù)據(jù)進行分析和決策。無人機與移動端實時聯(lián)動可拍攝出現(xiàn)勢性最強的航片，為小范圍區(qū)域尺度的監(jiān)測提供了有利條件。下一步，將把移動端與無人機結(jié)合起來，真正做到空間立體森林資源監(jiān)測的模式。

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2018-11-29

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