國有林場森林防火和資源監(jiān)管“空天地人”四位一體監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)

袁傳武 張維 羅勇 林虎 王怡 曹國

摘 要： 針對國有林場現(xiàn)狀以及森林資源監(jiān)管需求，構(gòu)建了國有林場森林防火和資源監(jiān)管“空天地人”四位一體監(jiān)測系統(tǒng)體系框架，提出了“空天地人”四位一體監(jiān)測平臺建設(shè)架構(gòu)及建設(shè)內(nèi)容。旨在通過構(gòu)建立體化資源監(jiān)管體系，彌補傳統(tǒng)監(jiān)管方式的不足，提高國有林場信息化現(xiàn)代化水平，為增強國有林場森林生態(tài)功能，推動國有林場森林資源總量持續(xù)增加提供科技支撐。

關(guān)鍵詞： 國有林場;森林防火和資源監(jiān)管;“空天地人”四位一體監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號：S757.1?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1004-3020（2021）05-0071-05

Four-in-one Monitoring System of “Space，Sky，Earth and Human” for

Forest Fire Prevention and Resource Supervision of National Forest Farms

Yuan Chuanwu（1） Zhang Wei（1） Luo Yong（2） Lin Hu（2） Wang Yi（1） Cao Guo（3）

（1.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075;2.Hubei Forestry Information Center Wuhan 430072;

3.Hubei Institute of Science and Technology Information Wuhan 430070）

Abstract：

According to stituation and forest resource supervision requirements of national forest farms，the authors constructs a four-in-one monitoring system framework for forest fire prevention and resource supervision of national forest farms，and proposes a four-in-one monitoring platform system architecture for the four-in-one monitoring platform for forest fire prevention and resource supervision.The aim is to build a three-dimensional monitoring system for forest resources in national forest farms，to make up for the shortcomings of the traditional forest resource supervision methods of national forest farms，to improve the modernization level of national forest farms，to enhance forest ecological functions of national forest farms，and to provide the technology support for continuous increase in the total forest resources of national forest farms.

Key words： national forest farm;forest fire prevention and resource supervision;four-in-one monitoring system of “space，sky，earth and human”

前言

國有林場是生態(tài)建設(shè)和林業(yè)建設(shè)的主力軍，在改善生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)方面發(fā)揮著無法替代的重要作用。加強國有林場數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、智能化建設(shè)，提高國有林場資源監(jiān)管效能和水平，對保護和利用國有林場森林資源具有十分重要的意義。湖北省有200多個國有林場，在全面完成國有林場主體改革任務(wù)后，面臨著保護生態(tài)資源、加強森林經(jīng)營、發(fā)展林業(yè)產(chǎn)業(yè)、加強科技支撐、加強基礎(chǔ)建設(shè)和創(chuàng)新制度建設(shè)等方面的難點。其中，保護生態(tài)資源和加強科技支撐是關(guān)鍵。采用高科技手段，創(chuàng)新國有林場資源監(jiān)管模式，全方位監(jiān)測國有林場森林資源，是未來國有林場發(fā)展的必須趨勢。

當(dāng)前，以云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新一代信息技術(shù)正成為推動森林防火及資源監(jiān)管科技化、智能化轉(zhuǎn)型升級的新動力。采用基于衛(wèi)星遙感、無人機、智能煙火識別、多光譜熱紅外成像等信息技術(shù)進行國有林場森林火災(zāi)及資源監(jiān)管監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，構(gòu)建國有林場森林火災(zāi)及資源監(jiān)管“空天地人”四位一體監(jiān)測系統(tǒng)，既能彌補傳統(tǒng)森林資源監(jiān)管方式的不足，又能對國有林場森林資源形成有效保護，是當(dāng)前國有林場森林防火及資源監(jiān)管智慧化發(fā)展的必然選擇[1]。

本研究針對國有林場現(xiàn)狀和森林資源監(jiān)管需求，通過建設(shè)集衛(wèi)星遙感、無人機監(jiān)測、高點云臺監(jiān)控、地面人工巡護“空天地人”四位一體、節(jié)能環(huán)保、開放共享的森林防火和資源監(jiān)管系統(tǒng)，構(gòu)建國有林場森林防火和資源監(jiān)管信息化應(yīng)用管理體系，實現(xiàn)國有林場森林火災(zāi)與森林資源實時、高效、自動、精準監(jiān)管，為國有林場資源保護與修復(fù)的可持續(xù)發(fā)展提供有效支撐。

1 建設(shè)思路

按照全省森林資源監(jiān)管“一中心四系統(tǒng)”建設(shè)規(guī)劃，“一中心”是指湖北省林業(yè)局、地方林業(yè)部門、國有林業(yè)等各級部門森林防火和資源監(jiān)管應(yīng)急指揮中心;“四系統(tǒng)”是指“空天地人”四位一體監(jiān)測手段，由衛(wèi)星遙感監(jiān)測、無人機巡護、視頻監(jiān)控和人工巡護等四大系統(tǒng)構(gòu)成，利用各類技術(shù)手段自身特點，在時效性和空間維度上相互補充，構(gòu)建全省特別是重要區(qū)域和重點部位的森林火災(zāi)及森林資源立體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，補齊林業(yè)自然災(zāi)害防范、資源監(jiān)管及應(yīng)急指揮短板，提升森林防火及資源監(jiān)管信息化應(yīng)用水平和保障能力。

由于森林火災(zāi)具有突發(fā)性和破壞性的特質(zhì)，使得衛(wèi)星遙感監(jiān)測、無人機巡護、視頻監(jiān)控和人工巡護等不同的林火監(jiān)測設(shè)備在時空監(jiān)測能力和監(jiān)測數(shù)據(jù)采集能力方面存在差異，一種監(jiān)測技術(shù)難以實現(xiàn)所有火災(zāi)數(shù)據(jù)的采集[2]，需要對各種監(jiān)測技術(shù)進行組合，才能實現(xiàn)全天候、全覆蓋的森林火災(zāi)實時有效監(jiān)測與火情及時分析研判。因此，利用遙感衛(wèi)星、無人機等獲得的整體監(jiān)測資料與高點云臺、護林員等獲得的地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行互相補充及對照，可獲得更全面的森林火災(zāi)監(jiān)測數(shù)據(jù)[3-5]。

具體來說，就是通過“空、天、地、人”四個角度對國有林場森林資源進行實時監(jiān)測，在林區(qū)建設(shè)空（衛(wèi)星遙感）、天（無人機監(jiān)測）、地（高點云臺監(jiān)控）、人（地面巡護）四位一體監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對國有林場森林火災(zāi)及森林資源進行全域、全天候高效監(jiān)測，完善國有林場森林火災(zāi)及森林資源監(jiān)測預(yù)警體系，為國有林場森林火災(zāi)的預(yù)防、控制和撲滅及森林資源的保護、研究和利用提供數(shù)據(jù)支撐和決策輔助。

2 系統(tǒng)框架

2.1 總體框架

國有林場森林防火和資源監(jiān)管“空天地人”四位一體監(jiān)測系統(tǒng)，主要由監(jiān)測中心平臺及“空天地人”四位一體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集各類監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型包含視頻、圖像、音頻、地理信息等，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)測中心平臺，經(jīng)規(guī)約、轉(zhuǎn)換、清洗后入庫存儲，通過接口訪問、數(shù)據(jù)集成、統(tǒng)計分析等方式實現(xiàn)各項應(yīng)用。

監(jiān)測中心平臺。接入全省林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)，建設(shè)森林防火預(yù)警管理模塊、森林資源監(jiān)管模塊、無人機監(jiān)測預(yù)警模塊、視頻監(jiān)控管理模塊、人工巡護模塊、大屏應(yīng)用模塊、運維管理模塊、林業(yè)數(shù)據(jù)庫、林業(yè)生態(tài)監(jiān)測管理模塊、病蟲害監(jiān)測管理模塊、旅游資源管理模塊、大數(shù)據(jù)分析模塊、智能云廣播模塊及配套指揮中心等。

“空天地人”四位一體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。對接湖北省林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測服務(wù)平臺，建設(shè)無人機監(jiān)測、林區(qū)高點云臺及路面監(jiān)測、人工巡護監(jiān)測及智能云廣播、網(wǎng)絡(luò)與安全等配套設(shè)施。

2.2 平臺架構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)國有林場森林資源監(jiān)管的業(yè)務(wù)職能，分為數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用層、用戶展示層等層次。其中數(shù)據(jù)采集層和應(yīng)用層是最重要的功能層。

（1）數(shù)據(jù)采集層：主要包括衛(wèi)星遙感監(jiān)測、無人機監(jiān)測、高點云臺監(jiān)控、道路卡口監(jiān)控、巡護終端、生態(tài)監(jiān)測站、病蟲害監(jiān)測站、野生動物監(jiān)測等。主要實現(xiàn)前端各類數(shù)據(jù)的采集，是平臺的眼睛和觸手，是融合遙感技術(shù)、無人機技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)等高新技術(shù)手段構(gòu)建的“空天地人”一體化立體感知網(wǎng)絡(luò)。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸層：林業(yè)專網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動4G/5G、NB-Iot等，主要實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的傳輸，是連接前端采集設(shè)備和后端數(shù)據(jù)資源層的紐帶，承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳輸、整合通信、控制指令上傳下達的任務(wù)。

（3）數(shù)據(jù)資源層：基礎(chǔ)庫、地圖庫、視頻圖像庫、專題庫、林業(yè)資源庫，主要是實現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)功能，按照數(shù)據(jù)標準要求，將各類自然資源監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)管護數(shù)據(jù)、外部共享數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一匯聚、整合，建立專題數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)一體化管理和數(shù)據(jù)資源信息的共享和互操作。

（4）應(yīng)用支撐層：主要包括統(tǒng)一身份認證、統(tǒng)一權(quán)限管理、數(shù)據(jù)交換服務(wù)、報表引擎、計算/儲資源、日志/錄服務(wù)、應(yīng)用中間件、GIS平臺，主要實現(xiàn)平臺用戶的操作服務(wù)及管理，為平臺提供穩(wěn)定的軟件支撐環(huán)境。

（5）應(yīng)用層：主要包括衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)、無人機監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)、人工巡護系統(tǒng)、森林防火預(yù)警與管理系統(tǒng)、森林資源監(jiān)管系統(tǒng)、林業(yè)生態(tài)監(jiān)測管理系統(tǒng)、病蟲害監(jiān)測管理系統(tǒng)、旅游資源管理系統(tǒng)、智能云廣播系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、運維管理系統(tǒng)等，主要是主要實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的融合、挖掘和應(yīng)用，基于感知監(jiān)測、病蟲害防控、巡護管理等方面定制開發(fā)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，同時，利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)開展專項分析和評價。

（6）用戶展示層：主要包括大屏展示、移動終端、PC端，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示與結(jié)果呈現(xiàn)，支持LED大屏幕、PC端和移動端、電子沙盤等的展示。

3 建設(shè)內(nèi)容

防火監(jiān)測中心平臺采用分級管理模式，通過統(tǒng)一登錄入口訪問和使用權(quán)限范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)及功能。平臺集成多路告警來源，形成“空天地人”四位一體預(yù)警監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)國有林場森林火災(zāi)與森林資源全域、全天候監(jiān)測預(yù)警。

3.1 林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測

湖北省林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測服務(wù)平臺是全時段、反應(yīng)迅速、交互簡便、多種監(jiān)測衛(wèi)星并行的火情監(jiān)測預(yù)警平臺，可實現(xiàn)火點信息準確推送、火情信息自動報警、火情信息查詢等功能。國有林場建設(shè)時，提供本場范圍矢量圖，由湖北省林業(yè)局統(tǒng)一對接，獲取使用授權(quán)，并獲取衛(wèi)星火點實時數(shù)據(jù)。

3.2 無人機監(jiān)測

國有林場根據(jù)本場特點，建設(shè)無人機監(jiān)測系統(tǒng)，并與監(jiān)測中心平臺對接。林區(qū)面積0.33萬hm2以下可選配多旋翼無人機，林區(qū)面積0.33萬hm2以上的可選配垂直起降固定翼無人機，用于大范圍林區(qū)巡護、森林防火、資源監(jiān)管、病蟲害實時監(jiān)測[6]。經(jīng)濟條件好林場，可建設(shè)無人機自動停機坪，實現(xiàn)無人機自動起降、存放、自動充/換電、遠程通信、數(shù)據(jù)存儲、智能分析等功能。無人機監(jiān)測系統(tǒng)與全省無人機云管制平臺對接，平臺提供無人機設(shè)備統(tǒng)一注冊、分配唯一設(shè)備編號和唯一識別碼，記錄無人機使用情況、飛行情況、維修保養(yǎng)情況，支持掃描二維碼或輸入無人機編號進行查詢和追溯，國有林場按照組織結(jié)構(gòu)和權(quán)限分級管理模式使用。

3.3 林區(qū)高點云臺監(jiān)測

林區(qū)高點云臺監(jiān)測主要由雙光譜熱成像攝像機、鏡頭、防護罩、云臺等組成，高點云臺應(yīng)借助林區(qū)通信塔裝載，林區(qū)無通信塔的可自建監(jiān)控塔。各國有林場根據(jù)本場特點及實際需求，選擇合適的雙光譜熱成像攝像機，根據(jù)監(jiān)控的范圍選擇鏡頭和云臺。

3.4 林區(qū)路面監(jiān)控

林區(qū)路面監(jiān)控攝像機安裝在林區(qū)主要道路路口、標識點和值班室。國有林場結(jié)合本林場特點和實際需求，選定合適點位安裝，對林區(qū)的亂砍、亂伐、偷盜等違法行為進行實時監(jiān)控。主要道路路口采用槍式攝像機，標識點采用球型攝像機，值班室采用半球攝像機。

3.5 人工巡護監(jiān)測

人工巡護APP由湖北省林業(yè)局統(tǒng)一開發(fā)，授權(quán)使用，國有林場根據(jù)本場特點及實際需求，自配備一定數(shù)量的搭載Android系統(tǒng)的手機或平板等智能手持終端。人工巡護APP可實現(xiàn)離線地圖、實時導(dǎo)航、火情處置、地圖展示與操作、日常巡檢、實時視頻等基本功能。

3.6 林區(qū)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)監(jiān)測

利用NB-IoT技術(shù)、低軌衛(wèi)星技術(shù)、無人機等物聯(lián)技術(shù)進行國有林場森林資源生態(tài)環(huán)境因子監(jiān)測，通過自組織的方式構(gòu)成無線生態(tài)因子傳感網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)控并獲取林區(qū)植被生長情況、火情情況、病蟲害情況、干旱缺水情況及生態(tài)環(huán)境因子、氣象因子、土壤肥力、土壤酸堿度等因子變化情況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至大數(shù)據(jù)平臺，為國有林場森林資源綜合評價提供數(shù)據(jù)和信息，實現(xiàn)國有林場森林資源和環(huán)境的精準監(jiān)測與保護。

（1）資源監(jiān)測：包括森林面積、森林覆蓋率、森林蓄積量、森林植被類型、森林結(jié)構(gòu)、動植物類型、林地利用與干擾、森林管護人員等。

（2）土壤監(jiān)測：包括土壤理化性質(zhì)（pH值等）、土壤微生物等。

（3）水文監(jiān)測：包括含水量、泥沙量、地表徑流、地下水徑流等。

（4）氣象監(jiān)測：包括風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、溫濕度、負氧離子、PM2.5、CO2等。

4 結(jié)論與討論

（1）湖北有200多個國有林場、300多個自然保護地和1個國家公園，在全面完成主體改革任務(wù)后，森林防火任務(wù)十分繁重，省委、省政府每年投入大量資金進行森林防火設(shè)施設(shè)備建設(shè)，并要求應(yīng)用新的技術(shù)、創(chuàng)新的新模式，進行精準化的森林火災(zāi)預(yù)防，提高林火預(yù)警響應(yīng)能力。應(yīng)用新一代信息技術(shù)，實現(xiàn)全天候、連續(xù)性、全時段的森林火災(zāi)預(yù)測預(yù)警預(yù)報，是確?；鹎樵绨l(fā)現(xiàn)、早報告、早處置的關(guān)鍵。

（2）森林火災(zāi)具有突發(fā)性和破壞性的特質(zhì)，使得不同的林火監(jiān)測設(shè)備在時空監(jiān)測能力和監(jiān)測數(shù)據(jù)采集能力方面存在差異，一種監(jiān)測技術(shù)難以實現(xiàn)所有火災(zāi)數(shù)據(jù)的采集，存在著監(jiān)測方式獨立、監(jiān)測數(shù)據(jù)分散、監(jiān)測不及時、預(yù)測不準確等諸多缺點。綜合運用遙感衛(wèi)星、無人機、高點云臺、護林員等各種監(jiān)測手段，進行互相補充及對照，可獲得更全面的森林火災(zāi)監(jiān)測數(shù)據(jù)，準確預(yù)測森林火災(zāi)和林火行為，確保森林火災(zāi)“早預(yù)警”“早撲滅”。

（3）建設(shè)集衛(wèi)星遙感、無人機監(jiān)測、高點云臺監(jiān)控、地面人工巡護“空天地人”四位一體、節(jié)能環(huán)保、開放共享的森林防火和資源監(jiān)管系統(tǒng)，集成森林火災(zāi)監(jiān)測、森林資源監(jiān)管、森林病蟲害監(jiān)測、野生動物監(jiān)測以及大數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用模塊，實現(xiàn)三維場景下的森林火災(zāi)“災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后”全過程、全方位、一體化動態(tài)監(jiān)管和應(yīng)急指揮，對提高國有林場森林火災(zāi)監(jiān)管水平與資源管護工作效率，及時掌握森林資源發(fā)展變化情況，為林業(yè)資源的精準監(jiān)管提供重要科技支撐。

（4）構(gòu)建國有林場森林防火和資源監(jiān)管信息化應(yīng)用管理體系，實現(xiàn)國有林場森林火災(zāi)與森林資源實時、高效、自動、精準監(jiān)管，為國有林場資源保護與修復(fù)的可持續(xù)發(fā)展有效支撐。通過林火衛(wèi)星遙感、無人機、高點云臺、巡護APP等，對林區(qū)進行全方位監(jiān)控和火點智能識別，一旦發(fā)現(xiàn)疑似火情，監(jiān)控中心和湖北省林業(yè)局指揮中心立即發(fā)出報警信號，并在GIS地圖上顯示疑似火情位置。通過林場各個路口、標識點、值班室的智能監(jiān)控攝像機，對人臉、機動車、非機動車、人體進行實時抓拍，快速查找可疑車輛及人員。

（5）為確保全省“空天地人”防火平臺建設(shè)的統(tǒng)一性和防火業(yè)務(wù)適用性，按照統(tǒng)一接口和功能設(shè)計原則，建設(shè)一個全省統(tǒng)一的標準的森林防火信息平臺，提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準和平臺服務(wù)接口，便于防火監(jiān)測數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享。同時，建立統(tǒng)一的運維管理平臺，將運維與大數(shù)據(jù)技術(shù)融合，將運維流程在移動終端上完成，包括設(shè)備報修、維保管理、快速統(tǒng)計、身份驗證等，基于移動互聯(lián)網(wǎng)訪問運維服務(wù)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、業(yè)務(wù)操作、業(yè)務(wù)流程管理，實現(xiàn)對運維的可視化及便捷化。

參 考 文 獻

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（責(zé)任編輯：唐 嵐）