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国有林场综合精准监测技术研究

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 81次

程全英1,李凡1 ,2*,张旭1,徐平平2 ,高军1 ,王虎威1

 (1.中国林业科学研究院资源信息研究所,北京100091

2.东南大学信息科学与工程学院,南京,210096)

 

摘要:随着我国林业逐步转向以生态建设为主的发展战略,国有林场主要完成资源培育、环境保护和生态安全等任务和目标。国有林场中的管护工作的管理及林区内的信息获取、分析处理是国有林场森林资源保护的重要手段。本文创造性的提出通过护林员携带基于移动云计算技术设计的智能终端设备,及时上报林区内的火灾、虫害、乱砍乱伐等情况,同时将在林场中部署的物联网节点中采集到与森林环境相关的数据通过蓝牙传输到智能终端设备,可以对林区内生态环境的研究和对森林火灾的预防有重要的作用,实现了国有林场的综合化、精细化的管理,可以有效的保护国有林资源。

关键词:国有林场、精细化、监测

Research of integrated precision monitoring technology for state-owned forest farm

Cheng Quanying1, Li Fan1 ,2*, Zhang Xu1,Xu Pingping2 ,Gao Jun1,Wang Huwei1 

 (1.Institute of Forest Resource Information Technique, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;

2.School of Information Science and Engineering,  Southeast University, Nanjing, Jiangsu Province, 210096, China)

Abstract:It is gradually shift to ecological construction with China's forestry development, the state-owned forest farm mainly complete the task and target of resources cultivation、environmental protection、ecological security and so on. The management and protection work in state-owned forest farm and the information acquisition、analysis and processing in Forest areas is an important means of state-owned Forest Resources Protection. This article proposed an creative idea which can report the circumstances of fire、insect pests and deforestation in forest areas, through to bring each ranger configuration based on the mobile cloud computing technology design of intelligent terminal equipmentand it also transfer data related to forest environment which is collected by internet of things node in the forest farm, it plays an important role in researching on ecological environment in forest areas and preventing forest fire, to achieve a comprehensive, precise standardization management of state-owned forest farm, it can effectively protect the state forest resources.

  keyword: the state-owned forest farm; precise standardization; monitoring 

 

 

1 引言

国有林场在我国林业发展中发挥了重要的骨干、示范和带动作用,随着我国林业逐步转向以生态建设为主的发展战略,国有林场的主要任务也发生了转变,通过改革,国有林场要完成资源培育、环境保护和生态安全等任务和目标。

2013年国家发改委和国家林业局正式批复了7省国有林场改革试点实施方案,标志着我国国有林场改革进入了实质推进阶段。在批复的方案中的第五条明确指出:切实加强对国有林场森林资源的监管。将国有林场森林资源保护工作作为重点,对国有林场林木采伐严格管理,绝不允许超限额采伐以及滥砍滥伐,针对违规违法占用林地情况进行及时纠正和处理,确保国有林场森林资源不破坏、不流失、维护生态安全。随着我国林业逐步转向以生态建设为主的发展战略,森林资源管护工作已经成为以生态公益林为主的国有林场的主要任务。

目前国有林场的监管方式还比较粗放,存在监管不到位、效率低,信息获取不及时、不全面,不能满足国有林场的信息化管理的需要,同时林区内管护面积大、管护人员少,给管理也造成了不小的难度,以示范区建德林场为例,经营总面积125626亩,下设梅城、乌石滩、江南、泷江4个林区、20个管护片,管护人员仅有20人。为进一步加强护林员管理工作,提高基层护林员的工作责任感,防止发生不巡检或巡检不到位的现象,及时的发现并定位森林火灾,虫灾,乱砍乱伐等事件,我们采用先进的移动云计算技术对护林员的准实时位置信息、图片、视频等数据进行采集和传输、分析处理,可以随时掌握护林员的到岗、工作情况,遇到突发事件,可以随时定位护林员的位置,提高林业部门监管护林员的管理水平和日常相关事务的处理效率,使整个林区的生态得到很好的保护,真正发挥了护林员林业前沿监督作用。森林环境因子的监测对林场内森林生态环境的研究和对森林火灾的预防有重要的作用,目前林区内的生态环境监测是个薄弱环节,严重影响了生态保护和合理开发利用工作。为了能够实时掌握林区内的空气、土壤、气象等关键因子的变化情况,为林区生态保护、经营管理决策和森林防火提供科学依据,我们采用先进的物联网技术,通过在林区内部署无线传感器监测节点,可以采集到林区内的相关生态环境因子,巡护人员在巡护过程中就可以通过蓝牙将这些数据传输到智能终端中,再回传到主中心节点上,通过系统来分析处理这些数据,可以更加精细准确的掌握林区内的生态变化情况,为管理提供决策支持服务。

2  技术

本项研究主要是基于云计算的位置信息服务技术和基于无线传感器的物联网技术在国有林场管理中开展应用。

2.1基于云计算的位置信息服务

卫星导航与位置服务技术发展至今,因其具有全球性、持续性、实时性、全天候以及高精度等特点,目前已广泛应用于海洋、陆地、天空以及太空的各类军事和民用领域中,成为目前最常用的导航定位技术。故受到世界各国的极大重视,成为继互联网、移动通信等行业之后发展很快的信息产业之一。基于位置的服务(Location Based ServicesLBS)是指采用GPSGPRSGISInternet、数据库等相关技术交叉融合的一种基于空间位置的移动信息服务,是通过获取移动用户的位置信息为用户提供包括地点查询、位置查询、车辆跟踪、紧急呼叫等众多服务的技术基础。在通讯网络覆盖范围内的任何地点、时间和环境下,通过安装了调用LBS服务的GPS客户端, 就可以获得位置服务、双向通讯、监控等。

目前国内的森林资源管护多用GPS仪器来进行巡护管理,利用GPS全球卫星定位技术,由GPS巡检仪搜索卫星发出来的信号,记录存储航点、航线、航迹数据,与地形图配合应用,在实际工作中进行定位、导航和面积测算。林场根据一定的周期把管护员的GPS巡检数据导入到计算机保存,建立每个巡护员的电子档案,直观的显示管护人员的巡护时间、地点、天数、路线等,查看是否巡护到位。同时也有将嵌入式GIS平台结合GPS设备,使得移动端的系统具有描述位置信息可视化功能,移动终端通过获取的坐标,即可在GIS查询相关地理数据以及属性数据,通过GPS获取的数据可以得到与位置相关的经纬度、高程、时间、移动方向以及速度等瞬时数据。通过GIS平台结合,巡护员可实时标绘所在位置、巡护路线范围等地理要素。

采用GPS设备对护林员进行定位管理存在以下几个问题:

1GPS终端只能记录轨迹信息,不能采集和存储图片、视频、音频等信息,也不能实时的将数据回传,不能及时对林区的突发事件做出反应;

2)在林分郁闭度较高、地形比较复杂的林区,GPS信号极差甚至没有信号;

3)专业GPS终端价格昂贵,人手一机成本较高。

随着云计算技术、移动互联网技术、3G等技术的日趋成熟和智能手机的普及,使得我们在国有林场的管理可以采用这些先进的技术来提供管理水平。

移动云计算技术是移动互联网和云计算的结合体,通过无线网络(3G4GWIFI等)将智能手机、平板电脑等便携的移动设备与远程的云服务器相结合,这种结合让轻量级的移动终端获取了强大的计算能力,让云端的数据和信息通过便携的终端获得时间和空间的延伸。以建德林场巡护管理为例,巡护员只要配置带有GPS模块的智能手机,就可以完成巡护任务、应对突发时间,巡护轨迹数据和获取的图片、视频等数据通过云服务传送到中国林科院资源信息所的云服务平台上,同时在GPS信号较差的情况下可以借助移动基站进行辅助定位,可以利用管理员通过Web浏览器,就可以完成对巡护数据的分析、轨迹的回放、突发时间热点显示等管理工作。

2.1基于无线传感器的物联网技术

物联网是人与人、人与物、物与物之间的通信及信息交换,它的基础是互联网,作用对象为万物的信息系统。随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现,由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注。这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,获得详尽、准确的信息,传送到需要这些信息的用户。

本文主要采用无线传感器技术监测国有林区内的生境环境因子。

3  系统功能设计

3.1国有林场综合管理系统设计

在中国林业科学研究院资源信息研究所的云计算平台通过用户权限控制,为示范区-建德林场构建一个综合管理系统,集成了建德林场的基础地理信息数据、社会人文信息、管护站及管护员的信息,这些数据都由云存储系统统一存储和管理。

示范区的管理人员登录系统后即可在客户端的地图上显示该区内所有巡视人员的位置信息,通过与底图上的预设巡检路线叠加对比可以明确地判断巡视人员的巡护情况,同时还可以查看巡视员的已巡护轨迹和海拔信息判断其是否按照预设线路进行巡检。通过网络的实时传输,可以及时获取到巡视人员所发现的最新情况(包括情况描述、实拍图片和视频等)。在出现突发事件时,可连接应急指挥中心进行现场调度、事故处理。建德林场综合管理系统的拓扑结构如图1所示。

 

图1建德林场综合管理系统拓扑图

系统中用的功能模块及所用到的数据都是在云平台中以Web Service的形式存在,示范区只要提出需求,云平台就可以快速的组装这些计算服务和数据服务为不同的试验区提供个性化需求。系统的体系架构如图2所示。

 

图2系统体系架构

建德林场综合管理系统主要封装的服务有建德林场基础地图服务、位置信息服务、分析服务、系统管理服务等。这些服务都是以Web Service的形式存在。体现这个系统是一个开放的、灵活的平台。

3 建德林场综合管理系统的功能组成

3.2 国有林场巡护管理的智能终端软件

国有林场巡护管理的智能终端软件包含查看巡护任务、考勤打卡、数据采集、一键报警、查看位置,预先定义巡检地区、巡检路线、巡检时间、巡检人员、排班计划、网络查询、轨迹回放、远程管理及异地传输,就可以有效的对护林员的管护区域进行监控,同时也可以将发现的火灾、虫害、乱砍乱伐等信息进行图像、视频等采集,及时上报。

承载巡护管理软件的智能终端是一个基于Android操作系统的智能手机。它具备全球卫星定位(GPS)功能、数据通讯传输功能、高清晰度视频采集和传输(300万像素自动对焦摄像头、H.264视频压缩格式)功能。具备准三防功能,拥有大容量高品质电池(有效工作时间12小时以上),专业级GPS设备的超强搜星能力(平均信号强度可达49dB,是普通手机的5倍),是一个集高性能、高品质、易操作为一体的专业终端。

手机端登录系统后通过Web Service从云中心系统自动下载巡检任务和线路,通过终端上的导航系统可以将巡检线路直观地显示在电子地图上,引导巡视人员开展工作。巡视人员到达巡视点时,终端会自动判断,提示巡视人员需要检查的项目。在整个巡检过程中所记录到的缺陷情况终端会实时上传至云中心系统。

3.3林场环境监测无线传感器节点

林场内森林环境因子监测主要关心森林环境因子的变化,森林环境监测因子包括大气温度、大气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、降水、风速等。传统的森林监测通过人力建立地面观测站或者实地测量为主,该方式不能满足大面积、持续精确监测并且监测难度大、成本高获取的数据不集中,数据不能有效存储目前针对大面积监测主要应用遥感监测技术,利用航天飞机或者航空卫星通过搭载传感器采集影像,应用遥感软件获取影像的纹理光谱和地物等信息虽然遥感监测受环境条件限制能够全天天候的监测,但是遥感技术受气候、季节变化等影很大,并且分别率不能达到使用要求、时间分辨率低、成本高。无线传感器网络(wireless sensor networkWSN)是通过在林场内低价微型传感器节点而组成的。传感器节点通过信号传输形成结构化的网络系统,进而实现自动感知、无线传输、智能处理林场监测对象信息。无线传感器网络具有实时监测、智能化自组织、可靠性强、低功耗和低成本等特点,是一个有效解决森林监测的可行方案。

图4林场内森林环境因子数据采集传输流程图

使用蓝牙的林区环境监测无线传感器网络节点由四部分组成,包括传感器部分、无线通信部分数据处理部分以及电源部分。传感器部分具有环境因子采集及格式转换功能,包含温度、湿度和CO2浓度等信息,该模块还设有数字及模拟接口,增加了传感器的可扩展性。数据处理部分能够处理所有节点存储信息、自身采集到数据以及接收到的其它节点信息还可以对节点组网、按需选择数据路由和电池消耗控制等该模块是由Ardunio uno组成无线通信部分主要与其余节点通信,对采集数据传输等。电源部分提供传感器正常运行所需电源,主要是太阳能板与蓄电池组成。

5 节点架构图

4  结论与展望

目前林业信息建设并不完善,特别是在基层林区中,缺少信息化人才及基础设备的使用,通过基于百度LBS云服务构建林业智能管护平台,很大程度上降低了林业管护中GIS技术使用门槛,能够更快速、低成本的搭建出林业管护业务应用平台。同时由于数据和大量的运算都在百度云中进行,解决了数据安全、统一访问接口、信息孤岛软硬件重复投资等问题。通过了解百度LBS云服务技术,也为林业信息部门构建自己的云计算平台,提供了技术积累。

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