基于開(kāi)源GIS的森林資源監(jiān)測(cè)智慧云平臺(tái)構(gòu)建

蘭玉芳,石小華,李宏韜,馬勝利,張敏中

(國(guó)家林業(yè)和草原局西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,西安 710048)

0 引言

互聯(lián)網(wǎng)是大眾創(chuàng)業(yè)、萬(wàn)眾創(chuàng)新的新工具。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代來(lái)臨之后,社會(huì)和用戶對(duì)“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下地理信息系統(tǒng)的要求越來(lái)越高,導(dǎo)致地理信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著轉(zhuǎn)型升級(jí)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)和危機(jī)[1]。隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興信息技術(shù)浪潮的蓬勃興起,無(wú)人機(jī)遙感、移動(dòng)采集和測(cè)量、智能感知等新手段和各種基于位置的新應(yīng)用不斷涌現(xiàn),這些新技術(shù)的全面發(fā)展和應(yīng)用為地理信息產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了強(qiáng)有力的支撐[2]。當(dāng)前,移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)始大規(guī)模進(jìn)入4G,5G時(shí)代,手機(jī)CPU,RAM及圖形渲染能力快速提高,導(dǎo)致移動(dòng)地圖服務(wù)逐漸深入到人們的日常生活中[3],越來(lái)越多的GIS數(shù)據(jù)采集也從傳統(tǒng)的PC端轉(zhuǎn)移到了移動(dòng)智能終端,人們應(yīng)用GIS的場(chǎng)景開(kāi)始逐漸由后期內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理編輯向集野外數(shù)據(jù)采編與在線數(shù)據(jù)庫(kù)同步傳輸一體化發(fā)展[4]。

森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作是林業(yè)常態(tài)化的監(jiān)督和執(zhí)法機(jī)制,根據(jù)檔案資料,采用遙感判讀、現(xiàn)地調(diào)查等手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)破壞森林資源問(wèn)題,有效遏制違法行為。監(jiān)測(cè)工作中最費(fèi)時(shí)費(fèi)力的就是現(xiàn)地調(diào)查,常用的手段是利用紙質(zhì)或移動(dòng)平板,現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行圖形勾繪、拍照取證、信息登記,內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)字化或信息導(dǎo)出,整理好的數(shù)據(jù)再通過(guò)介質(zhì)拷貝的方法上報(bào)、匯總。傳統(tǒng)方法效率低,工作進(jìn)度無(wú)法實(shí)時(shí)掌握。在新興信息技術(shù)全面發(fā)展和應(yīng)用的大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下,森林資源監(jiān)測(cè)也需要根據(jù)時(shí)代發(fā)展特征和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展客觀需求,從監(jiān)測(cè)運(yùn)行機(jī)制、監(jiān)測(cè)技術(shù)方法、監(jiān)測(cè)理論創(chuàng)新、信息服務(wù)創(chuàng)新等方面實(shí)現(xiàn)新突破[5-6]。鑒于此,基于開(kāi)源GIS的森林資源監(jiān)測(cè)智慧云平臺(tái)引入“天空地”一體化監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系,提出森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作信息化應(yīng)用建設(shè)思路,通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)集野外數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸與處理一體化,達(dá)到森林資源監(jiān)測(cè)工作全過(guò)程信息化和可視化的目的。

1 云平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)合GIS、網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算等技術(shù),圍繞“天空地”一體化森林資源監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系,綜合運(yùn)用天(衛(wèi)星遙感)+空(無(wú)人機(jī)或有人機(jī)等)+地(地面調(diào)查、物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)采集),從多個(gè)維度,對(duì)森林資源進(jìn)行一體化動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)(圖1),實(shí)時(shí)掌握森林資源狀況及動(dòng)態(tài)變化,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和評(píng)估重大生態(tài)災(zāi)害、重大生態(tài)環(huán)境損害以及破壞森林資源案件等情況。本平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步傳輸、工作進(jìn)度實(shí)時(shí)監(jiān)控、外業(yè)成果后臺(tái)審核、現(xiàn)場(chǎng)疑問(wèn)視頻會(huì)商、無(wú)人機(jī)航拍直播、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)成果一鍵產(chǎn)出等功能。

圖1 “天空地”一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)Fig.1 Sky-ground integrated monitoring technology

根據(jù)完成功能的不同,云平臺(tái)分成兩部分,即移動(dòng)智能終端調(diào)查采集APP和Web端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。其中,APP為外業(yè)調(diào)查人員設(shè)計(jì),Web端為管理員設(shè)計(jì)。二者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步傳輸和信息交互。開(kāi)發(fā)平臺(tái)涉及Android平臺(tái)、開(kāi)源GIS平臺(tái)、云計(jì)算技術(shù)平臺(tái)。

1) Android平臺(tái)。

移動(dòng)智能終端森林資源調(diào)查采集APP基于Android平臺(tái)架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。Android平臺(tái)是一種以Linux為內(nèi)核,且開(kāi)放源代碼的移動(dòng)設(shè)備操作系統(tǒng)。隨著開(kāi)源Android操作系統(tǒng)的不斷成熟以及硬件移動(dòng)設(shè)備的更新?lián)Q代,促使移動(dòng)GIS技術(shù)得到了質(zhì)的飛躍,使其不僅僅停留在地圖瀏覽方面,還解決了傳統(tǒng)移動(dòng)GIS應(yīng)用不能深入的問(wèn)題[7]。此外,Android平臺(tái)除了開(kāi)源免費(fèi)外,還有豐富的硬件、十分寬泛自由的開(kāi)發(fā)環(huán)境、與Google服務(wù)無(wú)縫結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。

2) 開(kāi)源GIS平臺(tái)。

對(duì)于基層林業(yè)部門(mén),與開(kāi)源GIS相比,商業(yè)化的GIS組件主要具有成本過(guò)高的特點(diǎn),這將阻礙其在基層林業(yè)信息化中的推廣使用[8],且越來(lái)越多的應(yīng)用實(shí)踐證明,開(kāi)源GIS在定制化能力、來(lái)源廣泛性、質(zhì)量和安全等方面具有更高的價(jià)值[9-11]。本平臺(tái)采用開(kāi)源GIS構(gòu)建WebGIS體系結(jié)構(gòu)。用到的開(kāi)源GIS平臺(tái)主要有地圖服務(wù)器GeoServer、客戶端開(kāi)發(fā)包OpenLayers、中間件GeoTools、類(lèi)庫(kù)GDAL/OGR以及數(shù)據(jù)編輯器uDig等。GeoServer主要發(fā)布、管理和共享地圖數(shù)據(jù),同時(shí)提供數(shù)據(jù)更新、刪除和插入功能；OpenLayers主要為客戶端開(kāi)發(fā)提供JavaScript類(lèi)庫(kù)包,實(shí)現(xiàn)前端各類(lèi)地圖服務(wù)顯示、地圖操作及矢量圖形編輯等功能；GeoTools是連接數(shù)據(jù)與服務(wù)的橋梁,主要提供從數(shù)據(jù)源中讀取數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等功能；GDAL/OGR使基于Linux的地理空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)提供對(duì)矢量和柵格文件數(shù)據(jù)的支持。

3) 云計(jì)算技術(shù)平臺(tái)。

本質(zhì)是通過(guò)虛擬化技術(shù)提高云平臺(tái)性能運(yùn)算環(huán)境,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ),有效縮減物理基礎(chǔ)架構(gòu),并根據(jù)用戶需求變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行資源的分配和調(diào)整,提升資源利用率和信息服務(wù)的可用性[12-13]。平臺(tái)采用云服務(wù)器環(huán)境部署后端平臺(tái),比物理服務(wù)器的管理方式更高效簡(jiǎn)潔,具有穩(wěn)定可靠、性能卓越、彈性擴(kuò)展、無(wú)需運(yùn)維成本、更加安全易用等特點(diǎn)[14]。

1.2 總體框架

采用面向服務(wù)(SOA)架構(gòu)設(shè)計(jì)模式,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化、流程化和自動(dòng)化的松耦合組件將業(yè)務(wù)直接映射到模塊化的方式為用戶提供信息服務(wù)。從邏輯架構(gòu)來(lái)看,將平臺(tái)劃分為4層,即基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層(IaaS)、數(shù)據(jù)資源服務(wù)層(DaaS)、服務(wù)平臺(tái)層(SaaS)、業(yè)務(wù)應(yīng)用層(圖2)。實(shí)現(xiàn)軟硬件資源—數(shù)據(jù)資源—服務(wù)平臺(tái)及業(yè)務(wù)應(yīng)用層面的一體化。此外,平臺(tái)建設(shè)還包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、云環(huán)境安全保障體系等內(nèi)容。

圖2 云平臺(tái)系統(tǒng)框架Fig.2 Framework of cloud platform

基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)層為平臺(tái)提供計(jì)算資源池、存儲(chǔ)設(shè)備池、網(wǎng)絡(luò)及云設(shè)施,對(duì)平臺(tái)的建設(shè)和日常運(yùn)行至關(guān)重要[15]；數(shù)據(jù)資源服務(wù)層主要完成地圖瓦片、專(zhuān)題資源、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)及通信等數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理和維護(hù),提供統(tǒng)一的資源數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口；服務(wù)平臺(tái)層是在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器端搭建基于數(shù)據(jù)資源服務(wù)層并遵循OGC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的地理信息服務(wù),通信服務(wù)、云服務(wù)及其他業(yè)務(wù)服務(wù),其中通信服務(wù)是移動(dòng)終端和Web端進(jìn)行通信交互的中間服務(wù)件,主要完成終端接入及數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)裙ぷ鳎粯I(yè)務(wù)應(yīng)用層是直接面對(duì)用戶的應(yīng)用云平臺(tái)總稱(chēng),包括基于Android的移動(dòng)端數(shù)據(jù)采集APP和基于B/S架構(gòu)的后端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

1.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

整合現(xiàn)有各類(lèi)森林資源非涉密成果數(shù)據(jù),分級(jí)建立森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、現(xiàn)地核實(shí)圖形矢量數(shù)據(jù)庫(kù)、現(xiàn)地核實(shí)照片庫(kù)、違法違規(guī)項(xiàng)目情況說(shuō)明資料庫(kù),森林資源現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)、變化數(shù)據(jù)庫(kù)及行政界線矢量數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)森林資源監(jiān)測(cè)“一張圖”、“一套數(shù)”、“一個(gè)體系”監(jiān)測(cè)、“一個(gè)平臺(tái)”管理。通過(guò)分析歸類(lèi),核心數(shù)據(jù)庫(kù)主要有地圖瓦片數(shù)據(jù)庫(kù)、專(zhuān)題資源數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)及通信數(shù)據(jù)庫(kù)(圖3)。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)管理體系Fig.3 Management system of the database

1) 地圖瓦片數(shù)據(jù)庫(kù)。包括歷年覆蓋監(jiān)測(cè)圖斑的高分辨率遙感影像切片數(shù)據(jù),以及監(jiān)測(cè)區(qū)域已經(jīng)下載的最新離線天地圖影像數(shù)據(jù)。

2) 專(zhuān)題資源數(shù)據(jù)庫(kù)。存儲(chǔ)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)圖斑相關(guān)的所有資源、資料數(shù)據(jù)。

3) 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)。存儲(chǔ)各監(jiān)測(cè)區(qū)域需要外業(yè)核實(shí)的矢量圖斑數(shù)據(jù)。

4) 通信數(shù)據(jù)庫(kù)。存儲(chǔ)APP和Web通信交互時(shí)產(chǎn)生的各類(lèi)數(shù)據(jù),主要有現(xiàn)地采集的圖片、音頻、視頻等數(shù)據(jù)。

所有數(shù)據(jù)最終按照結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括空間資源數(shù)據(jù)和能夠表格化的數(shù)據(jù),通過(guò)MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、組織和存儲(chǔ)；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括圖片、音頻、視頻、文檔資料等數(shù)據(jù),通過(guò)在云平臺(tái)建立元數(shù)據(jù)表并采用文檔存儲(chǔ)服務(wù)統(tǒng)一管理。

1.4 安全體系設(shè)計(jì)

安全體系設(shè)計(jì)是平臺(tái)總體設(shè)計(jì)的一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),涉及物理訪問(wèn)控制和邏輯訪問(wèn)控制兩方面。物理訪問(wèn)控制是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)的物理訪問(wèn)進(jìn)行限制,這方面安全管理云本身已有成熟的配置方案。所以主要考慮邏輯訪問(wèn)控制層面,即將特定用戶限定在被授權(quán)的操作和數(shù)據(jù)資源范圍內(nèi)。云平臺(tái)通過(guò)基于Token令牌的身份認(rèn)證體系、細(xì)粒度權(quán)限控制體系及惡意行為監(jiān)測(cè)技術(shù)等來(lái)進(jìn)行整體安全體系設(shè)計(jì)。

1) 基于Token令牌的安全認(rèn)證機(jī)制識(shí)別和驗(yàn)證用戶身份。用戶在前端(移動(dòng)端/瀏覽器端)使用用戶名和密碼向服務(wù)器端請(qǐng)求認(rèn)證。若認(rèn)證成功,服務(wù)器端會(huì)動(dòng)態(tài)生成Token令牌并返回給前端,用戶通過(guò)攜帶合法有效的Token令牌,才能請(qǐng)求Web服務(wù)器端中各種類(lèi)型的服務(wù)(圖4)。

圖4 基于Token令牌的安全認(rèn)證機(jī)制Fig.4 Security authentication mechanism based on Token

2) 細(xì)粒度權(quán)限控制體系。采取嚴(yán)格的權(quán)限控制體系,將權(quán)限劃分為三大類(lèi),即服務(wù)管理權(quán)限、服務(wù)訪問(wèn)權(quán)限及各功能模塊操作權(quán)限。系統(tǒng)角色分為超級(jí)管理員,國(guó)家、省、市級(jí)管理員,縣級(jí)管理員及現(xiàn)地調(diào)查人員。不同的角色類(lèi)型具有不同的管理權(quán)限:超級(jí)管理員主要進(jìn)行服務(wù)統(tǒng)一管理、平臺(tái)正常運(yùn)維及其他業(yè)務(wù)管理等工作；國(guó)家、省、市級(jí)管理員主要對(duì)轄區(qū)內(nèi)工作進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、專(zhuān)題瀏覽查詢及數(shù)據(jù)審核管理；縣級(jí)管理員進(jìn)行調(diào)查任務(wù)分配、調(diào)查員實(shí)時(shí)進(jìn)度監(jiān)管及數(shù)據(jù)審核瀏覽等操作；現(xiàn)地調(diào)查人員主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集更新、同步及無(wú)人機(jī)航拍監(jiān)測(cè)等工作。

3) 惡意行為監(jiān)測(cè)技術(shù)。平臺(tái)設(shè)置黑名單機(jī)制來(lái)處理惡意訪問(wèn)系統(tǒng)的行為。通過(guò)實(shí)時(shí)地將用戶非法訪問(wèn)請(qǐng)求、對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的惡意操作等信息記錄到用戶請(qǐng)求日志中,第一時(shí)間監(jiān)控到非法用戶,并將其納入黑名單,同時(shí)向管理員推送通知信息。惡意行為監(jiān)測(cè)技術(shù)確保了整個(gè)平臺(tái)合理、合法、正常使用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸

移動(dòng)GIS數(shù)據(jù)采集根據(jù)獲取和提供服務(wù)方式的不同分為在線式和離線式兩類(lèi)。在線式采集傳輸較易實(shí)現(xiàn),但考慮到林業(yè)外業(yè)調(diào)查環(huán)境復(fù)雜,很多林區(qū)無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋,因此需要實(shí)現(xiàn)突破網(wǎng)絡(luò)限制的離線式數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸。為了解決該問(wèn)題,研究提出采用符合OGC標(biāo)準(zhǔn)的WKB空間數(shù)據(jù)格式,使用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite存儲(chǔ)離線業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。SQLite占用資源低,處理速度快,且適用于所有基于Android系統(tǒng)的應(yīng)用程序。通過(guò)在移動(dòng)端讀取和操作離線數(shù)據(jù)包,實(shí)現(xiàn)完全離線狀態(tài)下的數(shù)據(jù)采集；在有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下,完成數(shù)據(jù)同步傳輸。

2.2 數(shù)據(jù)同步

數(shù)據(jù)同步是前后端數(shù)據(jù)管理的基本任務(wù)。隨著用戶數(shù)量的激增,采集的數(shù)據(jù)越來(lái)越多,如何保證多個(gè)APP終端和服務(wù)器端數(shù)據(jù)的完整性和統(tǒng)一性,以及清除同步時(shí)出現(xiàn)文件丟失、大文件同步緩慢或出現(xiàn)同步錯(cuò)誤、網(wǎng)絡(luò)中斷或死機(jī)后不能續(xù)傳等現(xiàn)象是當(dāng)前面臨的難題。研究提出記錄數(shù)據(jù)全生命周期,通過(guò)雙向驗(yàn)證,嚴(yán)格比對(duì)客戶端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)版本,采取新版本替換舊版本的方式,以保證前后端數(shù)據(jù)一致性,同時(shí),提供完善的數(shù)據(jù)同步日志記錄,可在出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺漏丟失、同步錯(cuò)誤等現(xiàn)象時(shí)能及時(shí)排查。

2.3 高并發(fā)

平臺(tái)基于國(guó)家、省、市、縣4級(jí)用戶而設(shè)計(jì),面臨大用戶群及高并發(fā)訪問(wèn),尤其是在數(shù)據(jù)同步傳輸時(shí),每次請(qǐng)求都要處理海量數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的WebGIS架構(gòu)無(wú)法支撐大數(shù)據(jù)的訪問(wèn)與處理,導(dǎo)致系統(tǒng)服務(wù)性能下降,響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng),甚至出現(xiàn)請(qǐng)求丟失或拒絕服務(wù)的現(xiàn)象[16]。針對(duì)該難題,研究提出采用基于云技術(shù)的WebGIS服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu),從服務(wù)器集群、負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)內(nèi)存緩存機(jī)制等3方面解決高并發(fā)訪問(wèn)和大數(shù)據(jù)處理難題。通過(guò)云計(jì)算技術(shù)為WebGIS服務(wù)器提供彈性可擴(kuò)展的存儲(chǔ)資源,將傳統(tǒng)物理意義上的服務(wù)器組裝成統(tǒng)一管理的服務(wù)器集群,再利用負(fù)載均衡技術(shù),對(duì)服務(wù)器集群整體性能進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,有效避免大流量的集中訪問(wèn)導(dǎo)致服務(wù)器響應(yīng)不及時(shí)或癱瘓問(wèn)題,同時(shí),設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)內(nèi)存緩存機(jī)制,通過(guò)緩存層與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互,避免用戶頻繁高并發(fā)讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)庫(kù),有效提高服務(wù)器處理能力。

3 云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

云平臺(tái)功能開(kāi)發(fā)包括移動(dòng)端、Web端、后臺(tái)服務(wù)等3部分。移動(dòng)端采用Android原生開(kāi)發(fā)模式,選擇JAVA JDK1.8+Android SDK+ADT插件為開(kāi)發(fā)環(huán)境,Android Studio為開(kāi)發(fā)工具；Web端選擇SSH架構(gòu)為開(kāi)發(fā)框架,JAVA JDK1.8為開(kāi)發(fā)環(huán)境,Eclipse為開(kāi)發(fā)工具；后臺(tái)服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端和Web端對(duì)服務(wù)器的請(qǐng)求,通過(guò)返回標(biāo)準(zhǔn)的JSON數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。圖5為平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖5 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Design of platform functional structure

3.1 移動(dòng)智能終端森林資源調(diào)查采集APP

APP核心功能:

1) 調(diào)查任務(wù)同步。在有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,調(diào)查人員登錄移動(dòng)端APP系統(tǒng),進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)任務(wù)數(shù)據(jù)的下載和上傳。系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)APP終端和服務(wù)器端數(shù)據(jù)的完整性和統(tǒng)一性。

2) 現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)采集。支持在線式和離線式兩種數(shù)據(jù)采集方式。包括圖形、屬性和現(xiàn)地照片等多媒體數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)提供圖形繪制、分割、合并、刪除、邊界編輯、多部件及孤島處理等豐富的圖形編輯工具；現(xiàn)地采集的照片包含采集點(diǎn)地理位置、現(xiàn)地情況描述等信息。

3) 調(diào)查底圖管理。實(shí)現(xiàn)對(duì)“天地圖”、Google在線衛(wèi)星影像等在線地圖服務(wù)及離線天地圖、本地切片影像數(shù)據(jù)的調(diào)用和卷簾分析。

4) 圖斑定位導(dǎo)航。支持GNSS定位和位置導(dǎo)航服務(wù),提供到達(dá)選定任務(wù)圖斑的最優(yōu)路線導(dǎo)航服務(wù)。

5) 圖斑監(jiān)督檢查。資源管理員具備監(jiān)督檢查功能的權(quán)限,可查閱轄區(qū)內(nèi)森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展情況及所有圖斑現(xiàn)地核實(shí)情況。

6) 數(shù)據(jù)邏輯檢查。從調(diào)查數(shù)據(jù)屬性的準(zhǔn)確性、完整性及調(diào)查因子之間邏輯一致性等方面進(jìn)行質(zhì)量控制。

7) 調(diào)查軌跡記錄。包括調(diào)查路線軌跡的實(shí)時(shí)跟蹤、導(dǎo)入、導(dǎo)出等,并能自動(dòng)保存與回訪,支持按調(diào)查軌跡導(dǎo)航。

8) 視頻會(huì)商定位。支持穩(wěn)定的通信與視頻云服務(wù)。實(shí)現(xiàn)APP與APP之間、APP與Web端之間視頻通話,管理員通過(guò)利用調(diào)查員手機(jī)扇面掃描范圍查看現(xiàn)地情況,并進(jìn)行工作指導(dǎo)。

3.2 Web端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

Web端核心功能:

1) 調(diào)查任務(wù)分配。調(diào)查前,需要管理員將轄區(qū)內(nèi)任務(wù)圖斑分配給調(diào)查員。支持按行政區(qū)劃、任意選定范圍等的分配方式。分配完畢后,調(diào)查員會(huì)收到短信提示。

2) 實(shí)時(shí)進(jìn)度監(jiān)控。不同級(jí)別的用戶可監(jiān)控本轄區(qū)內(nèi)工作完成情況和進(jìn)度排名情況。

3) 數(shù)據(jù)查詢檢索。支持按照不同分析條件組合對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢檢索,得出匯總分析結(jié)論,并支持查看所有符合條件的數(shù)據(jù)詳情信息。

4) 圖斑審核管理。管理員可對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行審核,若審核通過(guò),則調(diào)查結(jié)束；若審核不通過(guò),則返回,調(diào)查員需重新調(diào)查。審核完畢后,給調(diào)查員推送短信通知。

5) 工作實(shí)況管理。系統(tǒng)提供調(diào)查員工作實(shí)況功能。在地圖上展示本轄區(qū)所有調(diào)查員移動(dòng)端在線分布情況,管理員可對(duì)在線的人員發(fā)起視頻會(huì)商請(qǐng)求,實(shí)現(xiàn)在辦公室實(shí)時(shí)查看現(xiàn)地并指導(dǎo)工作。

6) 無(wú)人機(jī)航拍直播。對(duì)于調(diào)查員難以抵達(dá)或需無(wú)人機(jī)拍攝的林區(qū),可通過(guò)無(wú)人機(jī)采集航拍視頻或照片同步傳播,管理員可實(shí)時(shí)通過(guò)后端管理平臺(tái)觀看現(xiàn)場(chǎng)情況,有效避免調(diào)查數(shù)據(jù)與現(xiàn)地不一致情況。

7) 監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)分析。系統(tǒng)提供監(jiān)測(cè)結(jié)果一鍵產(chǎn)出功能,支持所有匯總表自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和一鍵導(dǎo)出。

8) 用戶權(quán)限管理配置。不同級(jí)別的用戶具有不同的數(shù)據(jù)瀏覽權(quán)限和功能操作權(quán)限,只能在各自權(quán)限范圍內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

為建立常態(tài)化監(jiān)督機(jī)制,切實(shí)加大對(duì)破壞森林資源行為的發(fā)現(xiàn)、查處和整改力度,2018年國(guó)家林業(yè)局(現(xiàn)國(guó)家林業(yè)和草原局)啟動(dòng)了全國(guó)全覆蓋的森林督查工作。但全國(guó)變化圖斑數(shù)量巨大,核實(shí)查處困難,監(jiān)管效率偏低,統(tǒng)計(jì)分析滯后,給工作帶來(lái)不少困難。本平臺(tái)的構(gòu)建與應(yīng)用為該項(xiàng)工作提供了有力的技術(shù)支撐。目前,平臺(tái)用戶量近2 000人,高并發(fā)訪問(wèn)量達(dá)800多人次,高并發(fā)大數(shù)據(jù)同步傳輸量達(dá)500多人次。總體運(yùn)行安全、穩(wěn)定、高效。本平臺(tái)的應(yīng)用,使工作效率比以前提高約40%,投入技術(shù)人員減少約20%。同時(shí),本平臺(tái)在實(shí)踐應(yīng)用中也得到了改進(jìn)與完善。

通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐證明,本平臺(tái)具有一定的超前性、很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)掌握森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)各環(huán)節(jié)的進(jìn)度及結(jié)果,程序規(guī)范、分工清楚、責(zé)任明確可追溯,并能對(duì)破壞森林資源的案件進(jìn)行“全方位”督查與督辦,促進(jìn)了森林資源監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的高效化和智慧化,有效打擊了破壞森林資源違法犯罪行為,加強(qiáng)并提升了地方政府和林草主管部門(mén)保護(hù)森林資源的技術(shù)手段。圖6為移動(dòng)端APP采集系統(tǒng)示意圖,圖7為Web端管理平臺(tái)示意圖。

圖6 移動(dòng)端APP采集系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of mobile APP

圖7 Web端管理平臺(tái)示意圖Fig.7 Schematic diagram of Web

5 結(jié)論與討論

研究采用開(kāi)源移動(dòng)GIS和WebGIS技術(shù),結(jié)合“互聯(lián)網(wǎng)+”與云計(jì)算技術(shù)成功構(gòu)建了森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)智慧云平臺(tái)。有效解決了基層林業(yè)部門(mén)應(yīng)用商業(yè)GIS組件成本過(guò)高的問(wèn)題；研究提出的移動(dòng)GIS離線式數(shù)據(jù)采集方案,成功實(shí)現(xiàn)移動(dòng)GIS采集系統(tǒng)自適應(yīng)地在“在線”和“離線”模式之間無(wú)縫切換,很好地克服了一些林區(qū)無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋條件下數(shù)據(jù)采集的難點(diǎn)；提出記錄數(shù)據(jù)全生命周期,采用雙向驗(yàn)證,嚴(yán)格比對(duì)客戶端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)版本,確保了APP終端和服務(wù)器端數(shù)據(jù)的完整性和統(tǒng)一性；提出基于云技術(shù)的WebGIS服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu),從服務(wù)器集群、負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)內(nèi)存緩存機(jī)制等3方面解決了高并發(fā)訪問(wèn)和大數(shù)據(jù)處理及回傳的難題；融入“天空地”一體化監(jiān)測(cè)技術(shù)體系,實(shí)現(xiàn)了多方位、多信息融合。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用事例證明,云平臺(tái)為改進(jìn)森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作工序提供了一種科學(xué)可行的思路,是森林資源監(jiān)測(cè)、核查與管理工作的有效探索。

但隨著人們對(duì)空間信息需求的日益增大,本平臺(tái)未來(lái)需要向林業(yè)其他領(lǐng)域全面拓展,實(shí)現(xiàn)對(duì)森林資源全方位、全動(dòng)態(tài)的“天空地”一體化監(jiān)測(cè)。繼續(xù)完善和改進(jìn)的方向:1)接入北斗短報(bào)文通訊功能。保證在其他通訊手段都失效的情況下,調(diào)查人員能及時(shí)與管理中心取得聯(lián)系。2)擴(kuò)展森林視頻監(jiān)控。將森林視頻監(jiān)控系統(tǒng)融入平臺(tái),實(shí)時(shí)掌握森林資源動(dòng)態(tài)變化情況及森林災(zāi)害預(yù)警。3)建立林區(qū)物聯(lián)網(wǎng)。將各類(lèi)氣象、水文等生態(tài)傳感器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)狡脚_(tái),采用大數(shù)據(jù)處理分析,給管理人員提供科學(xué)有效的決策依據(jù)。