基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

為充分貫徹落實(shí)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，助推林業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，必須高度重視林業(yè)資源應(yīng)用和管理工作。面對(duì)全新的經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境，各地區(qū)必須制定林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)劃，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況做好林業(yè)資源高質(zhì)量管理工作。當(dāng)前，隨著信息技術(shù)持續(xù)發(fā)展，須著力探索全新的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)模式，提升林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量和效率。鑒于此，可圍繞地理信息系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)林業(yè)環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1GIS技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)的意義

GIS的英文全稱是Geography Information System。作為一類利用信息技術(shù)對(duì)空間模型展開動(dòng)態(tài)化預(yù)測(cè)及分析的先進(jìn)信息化系統(tǒng)，GIS應(yīng)用于地理環(huán)境監(jiān)測(cè)和資源勘探等應(yīng)用場(chǎng)景具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。GIS不僅具備傳統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)采集、輸入及輸出功能，還擁有數(shù)據(jù)編輯更新優(yōu)化、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理及三維空間數(shù)據(jù)分析能力。在GIS信息系統(tǒng)中，空間數(shù)據(jù)分析能力屬于核心功能，技術(shù)人員可利用GIS的空間分析功能，對(duì)海量信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而獲得具體的地理位置信息。除此之外，GIS系統(tǒng)還具備信息數(shù)據(jù)交互功能和圖形傳輸展示等功能。

該系統(tǒng)不僅可以清晰地向用戶提供文字性地理信息描述，還可以構(gòu)建三維立體地理數(shù)據(jù)模型，為用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供參考，有效提升地理信息處理效率和質(zhì)量。截至目前，GIS技術(shù)憑借得天獨(dú)厚的功能優(yōu)勢(shì)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。例如，我國(guó)部分地區(qū)運(yùn)用GIS技術(shù)開展農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境領(lǐng)域監(jiān)測(cè)工作；在土地資源開發(fā)和管理環(huán)節(jié)，應(yīng)用GIS技術(shù)可以幫助技術(shù)人員清晰地掌握土地利用現(xiàn)狀，為相關(guān)人員清晰掌握國(guó)土資源配置情況提供便利。GIS技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化發(fā)展為林業(yè)調(diào)查工作開展指明了方向。將GIS技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)環(huán)境調(diào)查工作，可以為林業(yè)工作開展提供數(shù)據(jù)支撐。做好林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)森林面積的動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，減少因森林面積銳減造成的動(dòng)植物多樣性減少等問題，充分挖掘森林的生態(tài)修復(fù)能力。此外，合理利用林業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以為林業(yè)資源高質(zhì)量管理提供技術(shù)保障。合理利用地理信息系統(tǒng)開展林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作有助于構(gòu)建智慧化林業(yè)管理體系，為林業(yè)部門工作人員橫向和縱向比對(duì)林業(yè)發(fā)展?fàn)顩r提供數(shù)據(jù)參考和支撐[1]。

鑒于此，筆者結(jié)合大量林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)案例，充分利用GIS系統(tǒng)應(yīng)用功能，并結(jié)合林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)需求厘清系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。深度開發(fā)林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，持續(xù)拓展GIS在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用場(chǎng)景。該系統(tǒng)中還應(yīng)用了人工智能、無線傳感等先進(jìn)技術(shù)，用以持續(xù)提升林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量，為中國(guó)林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作穩(wěn)步開展保駕護(hù)航。

2林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1林業(yè)環(huán)境系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

森林資源監(jiān)測(cè)工作往往困難重重，是具有一定挑戰(zhàn)性的工作?？紤]到森林占地面積較大且地形地勢(shì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分區(qū)域林業(yè)管理人員難以涉足。此外，由于森林內(nèi)部整體環(huán)境較為復(fù)雜，野生動(dòng)物生存活動(dòng)頻繁，無形中增加了林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的難度和復(fù)雜性。在此背景下，為滿足日益增長(zhǎng)的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)需求，筆者在GIS技術(shù)的幫助下，開發(fā)了一款林業(yè)環(huán)境動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，不僅可實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集，還具備監(jiān)測(cè)地區(qū)環(huán)境可視化查看的功能。該林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)由以下四大模塊組成： ① 感知識(shí)別層； ② 管理服務(wù)層； ③ 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層； ④ 綜合應(yīng)用層。

2.1.1 感知識(shí)別層

感知識(shí)別層作為該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)之一，設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，專門搭載了無線傳感器裝置，該裝置和終端數(shù)據(jù)采集模塊相連接，可對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。該架構(gòu)還具備環(huán)境監(jiān)測(cè)單元匯總功能，在感知識(shí)別層中還包含全GPS全球定位模塊，該模塊具備參數(shù)信息整合匯總能力，可直接將獲取到的定位數(shù)據(jù)上傳至無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過節(jié)點(diǎn)聚合和無線分組業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)高效處理和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。為滿足感知識(shí)別架構(gòu)層數(shù)據(jù)采集效率，為后續(xù)工作推進(jìn)提供便利，設(shè)計(jì)人員在感知識(shí)別層內(nèi)加設(shè)了賽靈思公司研發(fā)的數(shù)據(jù)開發(fā)板，型號(hào)為EK-Z7-ZC702-G。該數(shù)據(jù)開發(fā)板不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)化采集，還具有編程列陣功能，可以有效滿足其他外部設(shè)備接入需求[2-3]。

2.1.2 管理服務(wù)層

管理服務(wù)層的主要功能是空間數(shù)據(jù)整合和傳輸。借助GPRS全球衛(wèi)星定位模塊傳輸?shù)耐ㄐ判盘?hào)，對(duì)不同林區(qū)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行匯總整合，直接將其上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中；借助ArcSDE實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成化分析和處理，在構(gòu)建管理服務(wù)層架構(gòu)時(shí)，將系統(tǒng)捕捉到的林區(qū)地圖圖層進(jìn)行分化處理，通過分化實(shí)現(xiàn)圖層數(shù)據(jù)影像化。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)傳感模塊傳回的數(shù)據(jù)和林區(qū)實(shí)際環(huán)境參數(shù)及時(shí)完成GIS信息發(fā)布工作，技術(shù)人員可以借助管理服務(wù)層架構(gòu)獲取林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)過程中獲取到的地理位置、地形圖等信息數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以獲取傳感器設(shè)備采集到的風(fēng)速、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。

2.1.3 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建層

GIS林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具備網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸功能[4]。為確保網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，應(yīng)用了截然不同的兩種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模式，即GPRS信號(hào)傳輸和互聯(lián)網(wǎng)傳輸。前者采用GPRS通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，系統(tǒng)會(huì)直接利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器終端收集到的各類信息數(shù)據(jù)及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行整合，借助系統(tǒng)內(nèi)部搭載的5G通信信號(hào)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)高效率傳輸，最終將獲取到的各類環(huán)境參數(shù)及地形地理位置參數(shù)上傳至以太網(wǎng)，并完成信息數(shù)據(jù)云端存儲(chǔ)。后者則采用互聯(lián)網(wǎng)傳輸模式，系統(tǒng)可直接借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建客戶端和服務(wù)器之間連接的數(shù)據(jù)傳輸通道，系統(tǒng)開發(fā)人員通過同移動(dòng)通信企業(yè)簽署人網(wǎng)協(xié)議的方式，以JSO數(shù)據(jù)格式完成地理位置信息、環(huán)境參數(shù)等信息數(shù)據(jù)傳遞和共享。

2.1.4 綜合應(yīng)用層

綜合應(yīng)用層是GIS林業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接終端設(shè)備的核心架構(gòu)，該架構(gòu)層級(jí)支持移動(dòng)應(yīng)用設(shè)備和電腦端設(shè)備接入，技術(shù)人員可直接借助無線網(wǎng)、以太網(wǎng)或5G通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)高效率傳輸，為林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作人員掌握林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)、地理位置地圖等信息提供支持[5]。監(jiān)測(cè)人員可通過系統(tǒng)傳回的數(shù)據(jù)和圖像充分掌握被監(jiān)測(cè)林區(qū)的植被覆蓋率、野生動(dòng)物棲息等情況，了解林區(qū)各類參數(shù)變化情況，持續(xù)提升林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量和效率。

2.2數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)流程

為充分滿足林業(yè)生態(tài)環(huán)境多元化監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求，節(jié)約監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)成本。在構(gòu)建林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，筆者直接使用由賽靈思公司開發(fā)設(shè)計(jì)的開發(fā)板，并將其作為核心處理器。賽靈思公司研發(fā)的開發(fā)板不僅集成了GPS傳感器等模塊，還兼容了多個(gè)控制器，具備形式多樣的數(shù)據(jù)接入口，可以較好地同外部設(shè)備連接。此外，為提升林業(yè)監(jiān)測(cè)管理效率，技術(shù)人員在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，還在開發(fā)板上增加了可供圖片、視頻、音頻傳輸?shù)亩嗝襟w陣列接口，為林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)圖像傳播共享提供了便利。

除此之外，在林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用環(huán)節(jié)，為確保信息數(shù)據(jù)傳輸效率和質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員專門對(duì)數(shù)據(jù)采集端工作流程進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。具體流程如下。

第一，數(shù)據(jù)采集工作完成后，GPS模塊會(huì)直接將監(jiān)測(cè)對(duì)象所處地區(qū)的經(jīng)緯度信息上傳至系統(tǒng)終端。在完成地理位置信息數(shù)據(jù)收集后，系統(tǒng)中自帶的傳感器裝置會(huì)自動(dòng)收集監(jiān)測(cè)區(qū)域速度、風(fēng)向、環(huán)境、污染物顆粒度、濕度及負(fù)氧指標(biāo)等信息數(shù)據(jù)。第二，GPS模塊和傳感器模塊會(huì)按照系統(tǒng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，啟用RS485通信模式或?qū)⒋讷@取到的數(shù)據(jù)全部上傳至控制處理模塊。第三，控制處理模塊在獲取并接收傳輸數(shù)據(jù)之后，可以提前按照設(shè)計(jì)人員預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，從海量信息提取有價(jià)值的環(huán)境參數(shù)，最終完成該次數(shù)據(jù)采集工作。

3林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體應(yīng)用

第一，應(yīng)用于森林資源監(jiān)測(cè)。采用以GIS技術(shù)為核心的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)森林面積變化情況、植被覆蓋范圍及林木生長(zhǎng)狀況進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。例如，可利用GIS林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自帶的衛(wèi)星遙感影像功能，對(duì)樹種的生長(zhǎng)分布情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而為林業(yè)部門工作人員掌握森林資源數(shù)量變化情況提供便利，為行業(yè)從業(yè)者制定林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案提供數(shù)據(jù)支撐。此外，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備歷史數(shù)據(jù)調(diào)閱功能，技術(shù)人員可通過對(duì)比森林資源周期性數(shù)量增減狀況制定相應(yīng)的森林資源保護(hù)方案。

第二，該系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)氣象數(shù)據(jù)。使用傳感器裝置對(duì)森林區(qū)域的溫度、濕度、降水量以及風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并依托通信數(shù)據(jù)傳輸模塊將捕捉到的環(huán)境參數(shù)傳輸至中控平臺(tái)，為相關(guān)部門了解森林生態(tài)系統(tǒng)變化情況、預(yù)測(cè)森林火災(zāi)發(fā)生率提供支持。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，筆者結(jié)合GIS系統(tǒng)應(yīng)用特征和場(chǎng)景，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳感技術(shù)等信息技術(shù)，開發(fā)設(shè)計(jì)了具備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)功能的林業(yè)環(huán)境智慧化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員分別從系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)、應(yīng)用程序配置等環(huán)節(jié)入手，對(duì)林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了梳理和分析。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以利用傳感器裝置采集終端數(shù)據(jù)，還具備信息數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化傳輸功能，可直接將采集到的林業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至中控系統(tǒng)，為林業(yè)資源管理人員決策提供參考。利用基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展工作，符合林業(yè)管理工作需求，可以有效提升林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]李喜友.基于GIS的林業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].鄉(xiāng)村科技，2023，14（11）：153-157.

[2]寇男.林業(yè)有害生物防治在林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的影響［J].世界熱帶農(nóng)業(yè)信息，2022（5）：44-45.

[3]趙強(qiáng)國(guó).基于無人機(jī)的林業(yè)環(huán)境重金屬污染遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2021，46（10）：116-119，170.

[4]萬(wàn)靜.GIS技術(shù)在林業(yè)資源管理中的應(yīng)用：以甘肅省小隴山林業(yè)保護(hù)中心江洛林場(chǎng)為例[J].廣東蠶業(yè)，2024，58（8）：80-82.

[5]張忠軍.林業(yè)信息化技術(shù)在森林資源管理中的應(yīng)用[J].中國(guó)高新科技，2024（18）：139-141.