北斗林草綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)建設(shè)與應(yīng)用

文|林澤攀 武紅敢

1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院

2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所

3.國(guó)家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是重要的時(shí)空信息基礎(chǔ)設(shè)施。林草業(yè)是北斗系統(tǒng)應(yīng)用較早的行業(yè)之一[1]，早在2001年就開始了北斗在森林防火中的技術(shù)應(yīng)用研究，2002年完成了森林防火中人員、車輛、飛機(jī)的終端設(shè)備應(yīng)用試驗(yàn)，2003年應(yīng)用于森林防火實(shí)戰(zhàn)，對(duì)及早撲滅火災(zāi)、減少火災(zāi)損失發(fā)揮了重要作用[2]。2014年國(guó)家發(fā)展改革委支持開展了森林資源調(diào)查、管護(hù)、林火和林業(yè)有害生物野外調(diào)查數(shù)據(jù)集中管理的應(yīng)用示范[3-4]。通過這些項(xiàng)目的實(shí)施，有力推動(dòng)了衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在林草業(yè)的深入應(yīng)用，但信息孤島、數(shù)據(jù)資源割據(jù)、共享困難、效能低下、重復(fù)建設(shè)等問題依然沒得到緩解，亟須建立綜合應(yīng)用平臺(tái)，提供公共服務(wù)，共享即時(shí)數(shù)據(jù)資源，充分發(fā)揮北斗系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)林草業(yè)務(wù)的支撐和融合能力。

一、北斗林草平臺(tái)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2017年，中國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重大專項(xiàng)行業(yè)示范項(xiàng)目“林業(yè)生態(tài)建設(shè)與保護(hù)北斗示范應(yīng)用系統(tǒng)工程”啟動(dòng)實(shí)施，由中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院牽頭實(shí)施。該項(xiàng)目編制了北斗林業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，針對(duì)森林資源監(jiān)管、森林火災(zāi)巡護(hù)監(jiān)管和野生動(dòng)植物保護(hù)等3項(xiàng)業(yè)務(wù)，開展了林地年度變化更新、林政執(zhí)法監(jiān)管、森林火災(zāi)監(jiān)控、森林火災(zāi)撲救聯(lián)合調(diào)度和保護(hù)區(qū)巡護(hù)等5個(gè)典型林草業(yè)務(wù)與北斗系統(tǒng)的深度融合應(yīng)用；開發(fā)了6類林業(yè)北斗終端（手持巡護(hù)型、手持智能型、車載型、勘界測(cè)量型、應(yīng)急指揮型和RDSS通信終端），并在內(nèi)蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、江西、湖南、廣東、四川、貴州、甘肅與內(nèi)蒙森工集團(tuán)等11個(gè)示范區(qū)推廣10.54萬(wàn)臺(tái)（套）。利用林地“一張圖”、遙感信息服務(wù)和北斗LBS服務(wù)等，建成了北斗林草綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱北斗林草平臺(tái)），為北斗林草業(yè)務(wù)應(yīng)用賦能[5]。

圖1展示了北斗林草平臺(tái)的總體架構(gòu)，采用了“四橫三縱”式的云服務(wù)體系結(jié)構(gòu)，按照“統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務(wù)、統(tǒng)一終端接入（注冊(cè)、位置采集、事件上報(bào)）、統(tǒng)一短報(bào)文通信轉(zhuǎn)發(fā)”的“四統(tǒng)一”要求，開展了林業(yè)用戶需求迭代、總體設(shè)計(jì)和優(yōu)化完善工作。2019年底，完成了平臺(tái)的軟硬件環(huán)境建設(shè)，初步實(shí)現(xiàn)了野外巡護(hù)、撲救、林地變更數(shù)據(jù)的采集、傳輸與管理。2021年10月，根據(jù)林草業(yè)發(fā)展的新形勢(shì)、新使命，調(diào)研廣東、遼寧、內(nèi)蒙森工、吉林等示范單位業(yè)務(wù)應(yīng)用新需求，圍繞位置、事件（照片、視頻、語(yǔ)音、文字等信息）采集服務(wù)于相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)這一典型場(chǎng)景，對(duì)北斗林草平臺(tái)涉及的支撐系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)和APP等進(jìn)行了全面升級(jí)改造，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)北斗技術(shù)與林業(yè)業(yè)務(wù)深度融合應(yīng)用。目前，北斗林草平臺(tái)注冊(cè)終端已達(dá)10萬(wàn)余臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了林業(yè)業(yè)務(wù)事件的實(shí)時(shí)上報(bào)和全方位共享，累積獲得巡護(hù)數(shù)據(jù)近5億條，已成為守護(hù)祖國(guó)青山綠水的“定海神針”。

圖1 北斗林草綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)

二、北斗林草平臺(tái)深度融合典型林草業(yè)務(wù)管理服務(wù)

國(guó)家林草局肩負(fù)著林業(yè)生態(tài)保護(hù)修復(fù)、國(guó)土綠化、林業(yè)有害生物防治與檢疫、森林資源管理與經(jīng)營(yíng)、草原保護(hù)與利用、濕地資源監(jiān)管、荒漠化防治、野生動(dòng)植物保護(hù)、自然保護(hù)地管理、國(guó)有林場(chǎng)和種苗管理、森林草原防火巡護(hù)與早期火情處理等職責(zé)。北斗林草平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)流程設(shè)計(jì)（圖2），立足于林草業(yè)上述業(yè)務(wù)相互依存、互為支撐、緊密關(guān)聯(lián)的耦合關(guān)系，支撐建立合縱連橫、部門協(xié)同、上下貫通、業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)、任務(wù)明晰的管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)即時(shí)采集、快速傳輸、海量存儲(chǔ)和智能分析，極大提升了林草行業(yè)的資源管理水平和能力，踐行了“共建、共享、共用”的林草生態(tài)網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)理念。

圖2 北斗林草綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)服務(wù)流程圖

三、北斗林草平臺(tái)顯著促進(jìn)科研成果集成轉(zhuǎn)化落地

在北斗林草平臺(tái)上集成了林草領(lǐng)域遙感監(jiān)測(cè)與信息化建設(shè)成果，使平臺(tái)功能得到不斷擴(kuò)充完善，目前已經(jīng)形成了圖3所示的林草即時(shí)數(shù)據(jù)通導(dǎo)遙綜合服務(wù)能力，其中白色框?yàn)楸倍妨植萜脚_(tái)原有設(shè)計(jì)功能，橙色框?yàn)樾略鰳I(yè)務(wù)功能模塊。該平臺(tái)極大提升和拓展了北斗系統(tǒng)的林草業(yè)務(wù)服務(wù)范疇和技術(shù)保障能力，充分展示了“北斗+”“+北斗”的應(yīng)用潛力，實(shí)現(xiàn)了示范項(xiàng)目的輻射引領(lǐng)作用，突顯出北斗系統(tǒng)的基本服務(wù)能力與特色服務(wù)優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在林草時(shí)空數(shù)據(jù)的即時(shí)采集、快速傳輸和林草濕荒資源的高效管理等方面發(fā)揮重要作用。

圖3 北斗林草平臺(tái)的即時(shí)數(shù)據(jù)通導(dǎo)遙綜合服務(wù)功能圖

新增業(yè)務(wù)應(yīng)用的服務(wù)功能如下：

1.三北防護(hù)林體系工程管理服務(wù)應(yīng)用

2019年，基于北斗林草平臺(tái)，以三北工程管理與動(dòng)態(tài)評(píng)估需求為目標(biāo)，運(yùn)用高分遙感、衛(wèi)星導(dǎo)航、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)，整合三北防護(hù)林生態(tài)修復(fù)相關(guān)信息資源，構(gòu)建了統(tǒng)一的三北防護(hù)林生態(tài)修復(fù)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)與工程管理服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三北防護(hù)林體系建設(shè)的在線協(xié)同管理、宏觀監(jiān)測(cè)評(píng)估與綜合分析，提高了工程建設(shè)科學(xué)決策能力，為推進(jìn)新時(shí)期三北工程建設(shè)和提升三北防護(hù)林工程建設(shè)信息化服務(wù)水平發(fā)揮了重要技術(shù)支撐作用。

2.林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

在北斗林草平臺(tái)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)支撐和地面管護(hù)業(yè)務(wù)能力基礎(chǔ)上，基于自20世紀(jì)80年代開始的森林火災(zāi)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估技術(shù)研究，集成法國(guó)SPOT、中國(guó)風(fēng)云系列、中國(guó)環(huán)境系列、美國(guó)陸地衛(wèi)星TM系列、日本Himawari等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的林火監(jiān)測(cè)評(píng)估模型，為國(guó)家相關(guān)部門提供遙感監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)產(chǎn)品服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了歷史系列化成果的集成落地，提升了科研服務(wù)的質(zhì)量效率。

3.林火無(wú)人機(jī)遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

2021年1月，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所承擔(dān)了張家口市崇禮區(qū)森林防火綜合體系中無(wú)人機(jī)林火巡護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)，基于北斗林草平臺(tái)的軟硬件保障條件，該系統(tǒng)集成了煙火識(shí)別、人員檢測(cè)等智能算法，并結(jié)合無(wú)人機(jī)的精準(zhǔn)操控、快速獲取和實(shí)時(shí)傳輸?shù)匦蔚孛蔡卣鳌⑸种脖患翱扇嘉镙d量信息的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)林火高效巡護(hù)，及時(shí)掌握和排查相關(guān)隱患狀況。該系統(tǒng)圓滿完成了北京冬奧會(huì)和冬殘奧會(huì)崇禮賽區(qū)森林草原防滅火工作科技保障，并在為后奧運(yùn)時(shí)代持續(xù)為崇禮森林生態(tài)安全保駕護(hù)航。

4.林火地面遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院在“十一五”期間就開展了森林災(zāi)害的遠(yuǎn)程視頻遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。以北斗林草平臺(tái)為支撐，集成升級(jí)了森林資源管護(hù)視頻系統(tǒng)，在所屬的華北林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心（北京門頭溝）、亞熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心（江西大崗山）和熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心（廣西憑祥），共計(jì)部署了163個(gè)視頻監(jiān)控和130個(gè)卡口的森林防火“千里眼”，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的共享、共用與管理，守護(hù)了寶貴的森林資源和研究基地。

5.三維可視化林火蔓延模擬應(yīng)用

基于平臺(tái)的高精度時(shí)空動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)和三維可視化技術(shù)，結(jié)合遙感熱點(diǎn)和三維可視化數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布的林火蔓延模型計(jì)算，實(shí)現(xiàn)了林火熱點(diǎn)附近的林火蔓延模擬。即在系統(tǒng)中選擇林火熱點(diǎn)，通過林火蔓延功能，展示該林火熱點(diǎn)位置處的火線分布情況，支持按時(shí)間序列展示火線蔓延效果，并輔助火焰、煙霧、樹三維模型等三維特效。

6.林長(zhǎng)制管理系統(tǒng)應(yīng)用

研建了林長(zhǎng)制管理系統(tǒng)，利用北斗林草平臺(tái)的資源巡護(hù)系統(tǒng)輔助林業(yè)生態(tài)資源的位置、范圍、邊界進(jìn)行全面感知，實(shí)現(xiàn)五級(jí)林長(zhǎng)責(zé)任制。通過林業(yè)生態(tài)網(wǎng)格化管理，做到責(zé)任上圖，能夠?qū)ぷ魅蝿?wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，重大事件督辦管理。具備不同業(yè)務(wù)的融合管理能力，強(qiáng)化各級(jí)林長(zhǎng)、部門之間的協(xié)同管理功能，并且能夠通過績(jī)效考核，可測(cè)評(píng)各級(jí)林長(zhǎng)的業(yè)務(wù)能力以及林業(yè)生態(tài)的治理效果。

四、北斗林草平臺(tái)支撐構(gòu)筑良性循環(huán)的科研生態(tài)鏈

“十四五”期間，林草業(yè)重大病蟲害數(shù)字化精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、森林立地質(zhì)量定量評(píng)價(jià)與適地適林決策系統(tǒng)、森林全周期多功能經(jīng)營(yíng)決策系統(tǒng)和森林大型動(dòng)物無(wú)人機(jī)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)等陸續(xù)開展論證建設(shè)。基于北斗林草平臺(tái)建設(shè)成果，一方面，可高效共享和利用現(xiàn)有軟硬件環(huán)境資源，為技術(shù)驗(yàn)證和模型優(yōu)化完善提供基礎(chǔ)保障；另一方面，隨著北斗林草平臺(tái)的持續(xù)運(yùn)行和業(yè)務(wù)融合，指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的平臺(tái)數(shù)據(jù)的清洗、智能分析利用所衍生的技術(shù)問題，也將為科研攻關(guān)提出新課題、新任務(wù)，進(jìn)一步促進(jìn)北斗技術(shù)的融合應(yīng)用。圖4展示了從生產(chǎn)實(shí)踐和社會(huì)需要中發(fā)現(xiàn)問題，做實(shí)科研的源頭，解決可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新和持續(xù)性產(chǎn)出科技轉(zhuǎn)化成果的途徑，形成了選題（技術(shù)痛點(diǎn)）、研發(fā)、驗(yàn)證完善、業(yè)務(wù)化應(yīng)用的良性循環(huán)“鏈條機(jī)制”。

圖4 林業(yè)空間信息技術(shù)應(yīng)用研究良性循環(huán)圖

林草業(yè)作為空間信息技術(shù)的重要應(yīng)用行業(yè)，作為北斗專項(xiàng)示范項(xiàng)目的建設(shè)成果，北斗林草平臺(tái)充分發(fā)揮了其引領(lǐng)、輻射和帶動(dòng)作用，徹底打破了各業(yè)務(wù)間的信息孤島，實(shí)現(xiàn)了縱向到底、橫向到邊的即時(shí)數(shù)據(jù)獲取與共享，火情預(yù)警、決策、處置響應(yīng)時(shí)間從小時(shí)級(jí)縮短到分鐘級(jí)，極大促進(jìn)了林業(yè)信息化技術(shù)成果落地生“金”，為林業(yè)高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)了北斗力量。