雷公山自然保護(hù)區(qū)數(shù)字化信息管理平臺構(gòu)建

王澤文 謝鎮(zhèn)國李寧 楊勝軍 吳必鋒 廖佳 古定豪 李登江

(貴州雷公山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，貴州 雷山 557199)

1 引言

隨著我國自然保護(hù)區(qū)數(shù)量的增加和生態(tài)文明建設(shè)的深化，我國自然保護(hù)區(qū)的建設(shè)模式正逐漸從追求規(guī)模向追求質(zhì)量轉(zhuǎn)變，發(fā)展趨勢的變化對自然保護(hù)區(qū)的資源管理水平和管理效率提出了更高的要求[1]。自然保護(hù)區(qū)的資源分布信息具有高度的復(fù)雜性、多樣性和海量性，傳統(tǒng)的資源管理方法和信息處理手段已經(jīng)難以滿足保護(hù)區(qū)建設(shè)的需要，資源保護(hù)的數(shù)字化和信息化建設(shè)是自然保護(hù)區(qū)高質(zhì)量發(fā)展的必經(jīng)之路。

2 雷公山自然保護(hù)區(qū)概況

2.1 保護(hù)區(qū)簡介

雷公山自然保護(hù)區(qū)(以下稱保護(hù)區(qū))于1982年6月建立，2001年6月經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)晉升為國家級自然保護(hù)區(qū)，是以保護(hù)禿杉等珍稀物種為主的森林生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)位于貴州省東南部，地理坐標(biāo)為E108°5′～108°24′，N26°15′～26°32′，保護(hù)區(qū)總面積約為47300hm2，森林覆蓋率達(dá)到92.34%[2]。保護(hù)區(qū)蘊藏著極其豐富的生物資源，有各種生物物種5084種，是不可多得的野生物種基因庫。

2.2 保護(hù)區(qū)現(xiàn)有能力狀況

雖然保護(hù)區(qū)的成立時間較早，但數(shù)字化建設(shè)的起步較晚，相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施還不夠完善。保護(hù)區(qū)在資源數(shù)據(jù)管理和信息系統(tǒng)應(yīng)用方面進(jìn)行了一些嘗試，具備了一定的資源管理與保護(hù)能力，但受到經(jīng)濟因素、地理因素等諸多因素的限制，保護(hù)區(qū)的管理離規(guī)范化、現(xiàn)代化、精細(xì)化的要求還有較大的差距。由于缺乏系統(tǒng)化、數(shù)字化、集成化的信息管理系統(tǒng)，管理人員難以對大量的巡護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、資源分布數(shù)據(jù)、地理環(huán)境數(shù)據(jù)和生物信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，數(shù)據(jù)的共享程度和使用效率較低，數(shù)據(jù)的處理手段和分析方法比較落后，在一定程度上限制了保護(hù)區(qū)管理水平的提高。

3 保護(hù)區(qū)數(shù)字化信息管理平臺設(shè)計

3.1 系統(tǒng)需求分析

需求分析是指通過深入細(xì)致的調(diào)研和分析明確客戶群體對產(chǎn)品的實際需求，并以此制定產(chǎn)品的項目邊界、約束條件、功能目標(biāo)、技術(shù)路線和實現(xiàn)路徑[3]。近年來，保護(hù)區(qū)初步建立了一定規(guī)模的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，各項能力建設(shè)項目在不斷推進(jìn)中，但在資源保護(hù)數(shù)字化和信息化建設(shè)方面還存在明顯不足。

基于保護(hù)區(qū)的發(fā)展現(xiàn)狀，以數(shù)據(jù)信息互聯(lián)互通和共享共管為目的，建立了“三合一”數(shù)字化信息管理系統(tǒng)，為保護(hù)區(qū)發(fā)展、保護(hù)、規(guī)劃和開發(fā)等方面的決策提供支持。保護(hù)區(qū)數(shù)字化信息管理系統(tǒng)需求的邏輯架構(gòu)如圖1所示，根據(jù)保護(hù)區(qū)管理局的管理內(nèi)容和工作職責(zé)建立管理業(yè)務(wù)模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計空間數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)基本數(shù)據(jù)的采集、入庫、管理、維護(hù)、查詢、發(fā)布、傳遞和共享。管理系統(tǒng)具備業(yè)務(wù)拓展接口，可以集成地理信息系統(tǒng)、森林巡護(hù)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過矢量數(shù)據(jù)對保護(hù)區(qū)的重點區(qū)域進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)控。管理系統(tǒng)通過地理空間數(shù)據(jù)可視化渲染技術(shù)將所需的數(shù)據(jù)信息以圖象表格、地圖實景、多媒體等多種形式呈現(xiàn)出來。

圖1 系統(tǒng)需求邏輯架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

數(shù)字化信息管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，主要包括采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)庫層、應(yīng)用層等四個層次，各個層次的功能如下：

3.2.1 采集層

通過攝像頭、解碼器采集視頻信號，通過GPS系統(tǒng)采集并上傳GPS定位信息，通過儲存服務(wù)器上傳地形圖數(shù)據(jù)、無人機航拍數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)以及保護(hù)區(qū)檔案、資料等非空間數(shù)據(jù)。

3.2.2 傳輸層

通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、有線網(wǎng)絡(luò)傳輸、移動基站信號傳輸?shù)确绞綄⒉杉臄?shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)庫。

3.2.3 數(shù)據(jù)庫層

對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理和發(fā)布共享，形成視頻音頻庫、圖片數(shù)據(jù)庫、檔案資料庫、元數(shù)據(jù)庫、DEM數(shù)據(jù)庫、GPS定位信息數(shù)據(jù)庫。

3.2.4 應(yīng)用層

根據(jù)實際使用需求對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用、整合和分析，實現(xiàn)監(jiān)控管理、檔案管理、資源管理、在線地圖、空間分析、數(shù)據(jù)維護(hù)等功能。

圖2 系統(tǒng)體系架構(gòu)

4 數(shù)字化信息管理平臺實現(xiàn)及應(yīng)用

4.1 信息管理平臺主界面設(shè)計

信息管理平臺通過B/S模式(瀏覽器和服務(wù)器架構(gòu))搭建[4]，平臺主界面如圖3所示。保護(hù)區(qū)數(shù)字化信息管理平臺集森林巡護(hù)系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)三大系統(tǒng)于一體，包括森林監(jiān)控、在線地圖、生態(tài)監(jiān)測、宣傳教育、林區(qū)管理、野外巡護(hù)等六大功能模塊。監(jiān)控管理模塊包括林區(qū)人員車輛統(tǒng)計、基建工程監(jiān)控、違章違法事件監(jiān)控、生態(tài)修復(fù)情況監(jiān)控等功能，生態(tài)監(jiān)測模塊包括動植物資源、地質(zhì)地貌、氣候水文、自然災(zāi)害、環(huán)境監(jiān)測等方面的資料管理功能，在線地圖模塊包括地圖渲染、圖層管理、坐標(biāo)查詢、地理測繪等功能，林區(qū)管理包括林區(qū)資源統(tǒng)計和林區(qū)環(huán)境分析等功能，野外巡護(hù)包括野外數(shù)據(jù)采集、巡護(hù)信息檢索等功能。

圖3 雷公山自然保護(hù)區(qū)信息管理平臺

4.2 數(shù)據(jù)庫建立

保護(hù)區(qū)信息管理系統(tǒng)采集層收集到的數(shù)據(jù)和信息具有數(shù)量大、類型多、冗余量高的特點，選擇Oracle數(shù)據(jù)庫作為空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的儲存空間較為合適。為了提高數(shù)據(jù)的傳輸效率、使用效率和通用性，將視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、氣象信息數(shù)據(jù)、水文信息數(shù)據(jù)、地質(zhì)信息數(shù)據(jù)、巡護(hù)信息數(shù)據(jù)、生物物種數(shù)據(jù)等非空間數(shù)據(jù)直接存入Oracle數(shù)據(jù)庫，將矢量數(shù)據(jù)、格柵數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎存入Oracle數(shù)據(jù)庫[5]。

4.3 地理信息系統(tǒng)功能實現(xiàn)

地理信息系統(tǒng)界面，包括地圖顯示、測量、標(biāo)繪、定位、渲染和圖層管理等功能。矢量地圖具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊、顯示精度高、圖形質(zhì)量好、概括性強、冗余量低的特點，矢量地圖非常便于存儲、管理、統(tǒng)計與分析，影像地圖通常由無人機或衛(wèi)星拍攝，具有內(nèi)容真實直觀、地圖信息豐富、表現(xiàn)力強等特點，但不方便進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過地圖顯示功能可以將二者的優(yōu)點結(jié)合起來，實現(xiàn)矢量地圖與影像地圖的對比顯示和切換顯示。通過地圖測量功能可以實現(xiàn)地理距離測量和區(qū)域面積計算，通過地圖定位功能可以查詢地圖上任一位置的經(jīng)度、維度和海拔信息，通過地圖標(biāo)繪功能可以在地圖上添加大小可變的點、線、面、箭頭、文字等符號，通過圖層管理功能可以顯示或關(guān)閉不同類型的空間數(shù)據(jù)層或非空間數(shù)據(jù)層。

4.4 生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)功能實現(xiàn)

利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)、無人機拍攝技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以對保護(hù)區(qū)的生態(tài)資源狀況、氣象水文信息以及人類活動情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，如圖4所示。通過生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)可以搭建“監(jiān)測發(fā)現(xiàn)——地面核查——監(jiān)督執(zhí)法”的保護(hù)區(qū)監(jiān)管體系，為保護(hù)區(qū)的資源保護(hù)和人類活動監(jiān)管提供強有力的技術(shù)支撐，防止盜獵、盜伐現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)界面

4.5 森林監(jiān)控功能實現(xiàn)

森林火災(zāi)是保護(hù)區(qū)需要特別關(guān)注的潛在災(zāi)害事件，森林火災(zāi)的發(fā)生具有突發(fā)性強、發(fā)生地點不確定性強、傳播速度快和災(zāi)情處理難度高等特點，火災(zāi)發(fā)生后若不及時加以控制，會對林區(qū)生態(tài)資源和人民生命財產(chǎn)安全造成難以估量的損害。為了提高森林火災(zāi)的檢測率和檢測準(zhǔn)確性，降低檢測誤報率和檢測成本，防止氣流、光線、灰塵等干擾因素對火災(zāi)監(jiān)測造成干擾，森林監(jiān)控系統(tǒng)采用圖像識別技術(shù)對火災(zāi)進(jìn)行實時監(jiān)控。在獲取監(jiān)控視頻圖像數(shù)據(jù)和無人機航拍圖像數(shù)據(jù)后，森林監(jiān)控系統(tǒng)通過基于視覺特征和運動特征的火災(zāi)識別算法分別對火焰像素區(qū)域和煙霧像素區(qū)域進(jìn)行識別，森林火災(zāi)識別算法計算流程如圖5所示[6]。當(dāng)火災(zāi)被識別后，森林監(jiān)控系統(tǒng)利用矢量數(shù)據(jù)將起火點坐標(biāo)系參數(shù)投影到衛(wèi)星地圖，自動在地圖上定位并計算出最佳撲救路徑。工作人員根據(jù)森林監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)布的火災(zāi)監(jiān)測信息立即進(jìn)行災(zāi)情分析并采取應(yīng)急措施。

圖5 森林火災(zāi)識別算法計算流程

4.6 智慧巡護(hù)功能實現(xiàn)

智慧巡護(hù)系統(tǒng)包括巡護(hù)任務(wù)管理、巡護(hù)數(shù)據(jù)管理、巡護(hù)人員管理等功能。通過巡護(hù)任務(wù)管理模塊能夠自定義巡護(hù)任務(wù)編號、巡護(hù)線路名稱、巡視周期、巡視類型和巡視內(nèi)容，并能夠隨時跟蹤巡視工作的進(jìn)度和巡視發(fā)現(xiàn)的問題。通過巡護(hù)數(shù)據(jù)管理模塊能夠?qū)ρ沧o(hù)過程中采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存、管理、查詢和維護(hù)。通過巡護(hù)人員管理模塊可以管理和查詢巡護(hù)人員的授權(quán)狀況、基礎(chǔ)信息和巡護(hù)路徑，并能夠通過WebGIS平臺將巡護(hù)人員的巡護(hù)路徑和巡護(hù)狀態(tài)以可視化的方式展示在保護(hù)區(qū)的影像地圖上。

4.7 林區(qū)管理功能實現(xiàn)

在保護(hù)區(qū)各景區(qū)交通要道、林區(qū)重要路口、林區(qū)重點監(jiān)督區(qū)域、重點村寨等位置安裝網(wǎng)絡(luò)球機、紅外槍機，實現(xiàn)定點24小時不間斷監(jiān)控，實行前端和中心雙備份制度，監(jiān)控數(shù)據(jù)自動上傳到林區(qū)管理系統(tǒng)并提供60天查詢；林區(qū)管理系統(tǒng)還會對進(jìn)入景區(qū)、林區(qū)、村寨的人員和車輛進(jìn)行數(shù)字化管理，自動抓拍進(jìn)出林區(qū)的車輛車牌號，自動統(tǒng)計人流量和車流量。

4.8 宣傳教育功能實現(xiàn)

信息管理平臺的宣傳教育功能可以為保護(hù)區(qū)的宣傳教育工作和應(yīng)急處置工作提供有力保障。通過信息管理平臺能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程廣播講話、播放背景音樂、緊急廣播、雙向?qū)χv廣播等智能宣傳模式，在轄區(qū)重點區(qū)域定時播放與森林防火、資源保護(hù)、生態(tài)環(huán)保、政策法規(guī)、景區(qū)解說相關(guān)的內(nèi)容，除此之外平臺還可以實現(xiàn)廣播尋呼、音頻采播、消防聯(lián)動等功能。

5 結(jié)語

通過建立集森林巡護(hù)系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)三大系統(tǒng)于一體的“三合一”數(shù)字化信息管理平臺，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通和共享共管，有效降低了信息需求成本，提高了資源管理效率，為保護(hù)區(qū)管理水平提升和數(shù)字化建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。