基于GIS可視化的林業(yè)有害生物飛機(jī)防治指揮系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

唐金玉 張棋 任柯伶 羅嬌 毛儷穎

摘?要：在林業(yè)有害生物飛機(jī)防治中，隨著飛防作業(yè)的快速發(fā)展，飛防出現(xiàn)的諸多問(wèn)題也日益顯現(xiàn)出來(lái)，當(dāng)前林業(yè)有害生物飛機(jī)防治就出現(xiàn)了監(jiān)管難、監(jiān)管不到位的問(wèn)題?；诖?，本文詳細(xì)介紹了在飛機(jī)防治中使用的基于GIS的智能指揮系統(tǒng)，以此解決飛防領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期困擾監(jiān)管人員的“說(shuō)不清、來(lái)不及、看不到、聽(tīng)不明、控不住”的工作難題。

關(guān)鍵詞：林業(yè);飛防;有害生物防治;GIS;智能系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.01.070

0?引言

近年來(lái)，我國(guó)林業(yè)有害生物飛機(jī)防治發(fā)展迅速，飛防作業(yè)面積已占防治作業(yè)總面積的1/4，成為林業(yè)有害生物防治的重要手段。但是，隨著飛防面積的快速增長(zhǎng)、防治服務(wù)公司的大量涌入和防治監(jiān)管能力的相對(duì)不足，飛防問(wèn)題也日益突出，而美國(guó)在飛機(jī)防治領(lǐng)域，已有成熟的制度設(shè)計(jì)、技術(shù)裝備、工作流程、管理要求。在飛機(jī)防治中使用智能指揮系統(tǒng)能夠較好地解決當(dāng)前林業(yè)有害生物飛機(jī)防治監(jiān)管難、監(jiān)管不到位等問(wèn)題，扭轉(zhuǎn)我國(guó)林業(yè)有害生物高發(fā)頻發(fā)的不利局面，更好地保護(hù)森林資源和國(guó)土生態(tài)安全，保障國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)和美麗中國(guó)夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)。

1?林業(yè)有害生物防治與飛防系統(tǒng)

飛防是林業(yè)有害生物防治中一項(xiàng)重要的技術(shù)措施。采取以飛防為主要手段的綜合防治措施，是迅速遏制蟲(chóng)情蔓延、降低經(jīng)濟(jì)損失、消除災(zāi)害的重要途徑，在林業(yè)有害生物防治中具有不可替代的作用。

飛機(jī)防治能有效解決山區(qū)地形復(fù)雜、防治效率低、防治效果差等問(wèn)題。飛機(jī)防治用藥量、用工量、用水量都大大減少，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，飛機(jī)防治費(fèi)用僅占人工物理、機(jī)械噴藥等常規(guī)防治方法的1/4，大大降低了防治費(fèi)用。基于GIS的林業(yè)飛防系統(tǒng)更是能夠解決長(zhǎng)期困擾監(jiān)管人員的“說(shuō)不清、來(lái)不及、看不到、聽(tīng)不明、控不住”的工作難題。

綜上所述，采用飛防在林業(yè)有害生物防治中是必不可少的。

2?飛防系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1?“指數(shù)平滑算法+線性回歸算法”的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)算法

常用的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，多采用簡(jiǎn)易平均算法或移動(dòng)平均算法。前者是一種簡(jiǎn)便的時(shí)間序列法，屬于定量預(yù)測(cè)方法，可對(duì)低耦合關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，且有較好應(yīng)用效果。后者能減少數(shù)據(jù)突然波動(dòng)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響，但不能很好地反映出趨勢(shì)，且在加大移動(dòng)平均法的期數(shù)時(shí)，會(huì)使預(yù)測(cè)值對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)際變動(dòng)更不敏感。

平臺(tái)采用“指數(shù)平滑算法+多元線性回歸算法”融合的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)算法，既兼容了全期平均和移動(dòng)平均所長(zhǎng)，通過(guò)調(diào)教指數(shù)平滑常數(shù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)的良好響應(yīng)率;又可以利用回歸預(yù)測(cè)模型，擬合優(yōu)度檢驗(yàn)、回歸標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)算法的調(diào)優(yōu)。通過(guò)結(jié)果反向優(yōu)化自己的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和表達(dá)算法，從而優(yōu)化整體數(shù)據(jù)表達(dá)準(zhǔn)確性。

2.2?數(shù)據(jù)自動(dòng)化標(biāo)簽分類(lèi)算法

平臺(tái)使用K-Means算法作為聚類(lèi)的基本算法，包含樣本類(lèi)型、樣本相似度測(cè)量、類(lèi)的定義等，從整體效果上而言K-Means優(yōu)于HAC、K-Means Bisecting和NN聚類(lèi)算法。平臺(tái)通過(guò)K-Means算法進(jìn)行聚類(lèi)分析，將聚類(lèi)分析結(jié)果映射至分類(lèi)標(biāo)簽集（偏航飛行軌跡、重復(fù)飛行軌跡、未噴灑藥物飛行軌跡、噴灑藥物飛行軌跡等）。

2.3?一體化GIS數(shù)據(jù)展示技術(shù)

系統(tǒng)為特定數(shù)據(jù)（GPS位置、飛機(jī)航向）引入GIS表達(dá)方式，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)飛機(jī)的實(shí)際飛行軌跡、航速、航高、藥物噴灑狀態(tài)及噴藥量，可增加數(shù)據(jù)地理位置屬性的展現(xiàn)力;為不具備GIS屬性的數(shù)據(jù)，引入虛擬GIS屬性，可以獲得與真實(shí)GIS屬性一樣的展現(xiàn)力。另外，結(jié)合已標(biāo)注的高塔、高壓線、水資源區(qū)等預(yù)警信息，在飛機(jī)作業(yè)中，其空間位置觸及預(yù)警閾值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)預(yù)警，及時(shí)提醒執(zhí)飛人員，避免事故的發(fā)生。

2.4?海量節(jié)點(diǎn)的層次化樹(shù)處理技術(shù)

在可視化呈現(xiàn)中，隨著海量節(jié)點(diǎn)和線條的數(shù)目不斷增多，例如規(guī)模達(dá)到上萬(wàn)以上時(shí)，可視化界面中會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和線條大量聚集、重疊和覆蓋問(wèn)題，使得分析者難以辨識(shí)可視化效果。平臺(tái)利用計(jì)算并行化、圖聚簇簡(jiǎn)化可視化、多尺度交互等方法對(duì)大規(guī)模圖轉(zhuǎn)化為層次化樹(shù)結(jié)構(gòu)，并通過(guò)多尺度交互來(lái)對(duì)不同層次的圖進(jìn)行處理，確保用戶能清晰簡(jiǎn)單地讀懂?dāng)?shù)據(jù)之間的層次與關(guān)聯(lián)。

3?飛防系統(tǒng)構(gòu)建流程

系統(tǒng)采用分層提供服務(wù)支持的設(shè)計(jì)思想，將系統(tǒng)劃分為應(yīng)用系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)平臺(tái)層、核心設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層和系統(tǒng)接口層。系統(tǒng)對(duì)每一層定義明確的功能接口，同時(shí)在層次內(nèi)實(shí)現(xiàn)組件化的接口實(shí)現(xiàn)。層次化、模塊組件化的實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)具備了最大程度的靈活度，從而能對(duì)業(yè)務(wù)需求的變化作出快速的反應(yīng)，使系統(tǒng)具有很好的擴(kuò)展性。飛防作業(yè)過(guò)程中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有：變化快、數(shù)據(jù)大小可預(yù)見(jiàn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)點(diǎn)等特征;Redis作為可持久化的Key- Value 類(lèi)型的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)，具有高性能并發(fā)讀寫(xiě)的能力，支持對(duì)List 進(jìn)行各種操作，適合數(shù)據(jù)高性能讀寫(xiě)操作和運(yùn)算。

基于ThinkPHP框架作為底層開(kāi)發(fā)核心，前端采用Bootstrap框架實(shí)現(xiàn)界面響應(yīng)式設(shè)計(jì)，構(gòu)建輕量級(jí)WEB系統(tǒng)“林業(yè)有害生物飛機(jī)防治指揮系統(tǒng)”，系統(tǒng)主要由機(jī)載模塊、指揮中心平臺(tái)組成。

飛防系統(tǒng)的“指揮中心平臺(tái)”采用模塊化的開(kāi)發(fā)模式，遵循MVC結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯與表現(xiàn)層的適當(dāng)分離;在保證模塊獨(dú)立的同時(shí)，大大降低代碼、數(shù)據(jù)的冗余，保證了應(yīng)用程序的高內(nèi)聚低耦合。系統(tǒng)基于Bootstrap和AdminLTE進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，手機(jī)、平板、PC均自動(dòng)適配，無(wú)需要擔(dān)心兼容性問(wèn)題。

4?結(jié)論

綜上所述，本文介紹了林業(yè)有害生物飛機(jī)防治指揮系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，主要利用“指數(shù)平滑算法+線性回歸算法”的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)算法，數(shù)據(jù)自動(dòng)化標(biāo)簽分類(lèi)算法，一體化GIS數(shù)據(jù)展示技術(shù)，海量節(jié)點(diǎn)的層次化樹(shù)處理技術(shù)等算法、技術(shù)建立系統(tǒng)，指導(dǎo)人員進(jìn)行精細(xì)化管理，從而達(dá)到提高林業(yè)有害生物防治工作的質(zhì)量和效率的最終目的。

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