空間信息技術賦能國家公園監管

文 | 史文石 武紅敢 桑愛洋 沈訓

1.中國林業科學研究院

2.中國林業科學研究院資源信息研究所

3.國家林業和草原局林業遙感與信息技術實驗室

4.北京華辰北斗信息技術有限公司

一、引言

2019 年中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發《關于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》，充分肯定了國家公園在我國自然生態系統中的資源價值；2021 年正式設立首批5個國家公園，開啟了國家公園建設實踐的新篇章。黨的二十大報告提出要建設人與自然和諧共生的中國式現代化，國家公園體系建設是人與自然和諧共生現代化的重要組成部分，作為我國自然生態系統中自然景觀最獨特、自然遺產最精華和最具國家代表性的部分，國家公園需要實現自然資源的科學保護和合理利用，兼具教育、游憩、科研等功能[1]。國家公園的時空信息感知是其保護和開發利用的科學基礎和高質量發展的重要助推器，將時空信息技術與林草資源業務深度融合，構建新一代國家公園時空信息技術體系，提供動態感知、精準認知和智慧管控等先進手段[2]，推動林草濕荒資源治理能力的現代化建設，支撐林草濕荒資源科學管理和高質量發展，已成為各級林草主管部門關注的話題。

綜合運用時空信息技術賦能智慧國家公園建設，助力布局規劃、本底調查、資源監管、巡護巡查、保護評價、生態修復于一體的國家公園體系建設，以先進理念和創新技術助推林草行業的信息化和智能化。

二、空間信息技術發展概況

近半個世紀以來，空間信息技術在我國得到快速發展，空間信息技術是以全球導航衛星系統（GNSS）、遙感（RS）和地理信息系統（GIS）等理論與技術，結合計算機和通信技術，進行時空數據的采集、量測、分析、存儲、管理、顯示、傳播和應用等，已經成為林草濕荒資源準實時精準監管的技術支撐手段。

1.衛星導航定位技術

以美國全球定位系統（GPS）為代表的GNSS技術近三十年來得到廣泛應用，它可在地球表面或近地空間的任何地點，為用戶提供全天候的三維坐標、速度以及時間信息。我國北斗三號系統2020年7 月31 日開始提供全球服務，采用了混合星座模式、全新導航信號體制以及提供短報文通信和精密單點定位（PPP）服務，北斗與GPS 等其他衛星導航系統相比，高軌衛星更多，抗遮擋能力更強，確保了在我國及周邊區域可以獲得更為優質的高精度定位、導航、授時和短報文通信服務[3-4]，為各行各業和大眾用戶打造了完善的中國時空服務體系。

2.衛星遙感技術

1999 年中國成功發射的首顆陸地觀測衛星資源一號，填補了自主遙感衛星數據的空白，拉開了國產數據應用的大幕。特別是實施的高分辨率對地觀測重大專項，以及 北京系列、天繪系列、高景衛星星座、珠海一號衛星星座、吉林一號衛星星座、珞珈系列 等小衛星系列的快速發展，使我國形成覆蓋從全色、多光譜到高光譜，從光學到雷達，從太陽同步軌道到地球同步軌道等多種類型遙感衛星，以及高時空分辨率、高光譜分辨率、高精度觀測能力的對地觀測系統，可為自然資源調查、生態環境保護、災害監測評估等提供全面的數據服務和技術支撐。

3.衛星傳輸技術

地球同步軌道衛星系統和低軌衛星系統因其廣域覆蓋、高速率傳輸、抗干擾強、成本低，以及可以實現全球范圍內數據、語音和視頻等信息傳輸的獨特優勢，已經在國防、航空航天、電視廣播、移動通信等領域中得到廣泛應用。林草濕荒資源多分布在人煙稀少的偏遠地區，其監管數據的采集和傳輸需要衛星通信手段的保障。

4.時空數據分析技術

數據挖掘、機器學習、人工智能等融合技術手段可以更好地理解多源數據之間的關系和規律，可視化技術可以更好地展示多源數據，以應對各種挑戰。

因此全面感知和獲取多源、全域信息，并利用智能計算框架和智能數據處理算法對信息進行處理[5]是構建林草生態感知體系的技術支撐與保障。

三、國家公園精準監管對感知技術的特殊需求

1.多平臺感知

國家公園地形條件復雜、地貌形態多樣，單一、傳統的遙感監測手段難以滿足復雜惡劣環境多尺度、連續性、整體性監測和多要素信息異常智能感知的實際需求，因此人工地面調查和驗證一直是林草資源監管不可或缺的重要手段。為此，國內外學者開展了“天—空—地—人”多平臺協同監測理論研究。張良培等[6]提出了空天地一體化對地觀測傳感網理論，構建了網絡環境下多傳感器資源的動態管理、事件智能感知體系。曹林等[7]利用天空地一體化+物聯網傳感器監測體系，實現了森林生物與環境因子的全方位、長時序監測。因此“天—空—地—人”協同監測技術在監管信息提取與智能感知、異常變化識別等領域具有巨大優勢和應用潛力。

2.多業務感知

林草濕荒等自然生態系統是經過漫長歲月形成的高度復雜而又十分精巧的生物體系，無數植物、動物、微生物相互利用、相互依存，構建起生生不息的食物鏈、生物鏈。對其監管和修復治理也必將是個復雜工程，必須多要素或全要素精準監測才能為耦合效應科學分析提供基礎保障。

3.多時相感知

林草、有害生物、火情、生態環境等的發生發展規律和生育周期各不相同，其感知的時間分辨率差異懸殊，如林火要求秒級實時動態數據，而林木生長可以年來考量。這種周期性、間斷性或連續性業務動態監管數據獲取是林草時空信息采集的重要特點。

4.多尺度感知

就活立木而言，目前各業務部門管理粒度有單木（古樹名木、松材線蟲罹病木）、塊狀林、片林、林分、群落等空間尺度的巨大差異。當然從森林經營的角度來講，小班是森林經營管理的最小單元。

總之不同類型傳感器的協同感知可以相互輔助，從而挖掘出更為豐富的信息。林草濕荒等自然資源與人類開發利用活動往往具有特定的時間周期、生長節點或其他時空特性，必須實時或準實時觀測并動態獲取數據，才能滿足精準管理需求。隨著傳感器技術的快速發展，多傳感器協同動態感知一定會成為人工智能的發展方向，多模態數據的融合也是亟待解決的關鍵問題。2020 年，國家林業和草原局啟動以生態資源監測、生態災害預警防控為重要內容的“生態感知”建設，已經成為林草行業數字化基礎設施建設和生態數字化服務保障的目標之一，也是形成科學布局、高效便捷、先進實用、穩定安全的林草數字化體系的重要牽引[8]。

四、國家公園場景變化預警感知系統研制

遙感、導航、GIS 等時空信息技術是我國國家公園時空動態信息獲取的重要手段。其中遙感技術可用于測定資源的空間分布、狀態信息、時間變化，反演其物理參數；北斗技術可用于資源的空間定位和信息傳輸；GIS 技術可用于時空信息的綜合分析、評價和管理。基于北斗三號和地基攝像機構建的野外固定位置場景變化預警感知系統，可實現對異常目標物（如動物、人、鳥類等移動物體的活動，以及植物葉片變色等靜態變化）的圖像采集、圖像壓縮、圖像傳送、圖像解壓，滿足邊遠區域的無人化預警監測服務需求。

1.系統構成

國家公園場景變化預警感知系統以北斗三號短報文數據通信為基礎，結合高倍率圖像壓縮、邊緣計算處理、云平臺處理等遙感和GIS 最新技術成果，可實現對固定場景內景物變化的實時動態智能監控，圖1 為系統構成圖。

圖1 國家公園場景變化預警感知系統框架圖

本系統主要由三個部分組成，即前端野外數據采集組件、北斗導航衛星系統短報文數據傳輸和后端數據處理分析組件。

野外前端組件：主要由為野外器件供電的太陽能板+電池，內置嵌入式神經網絡處理器的數據處理終端，可日夜全彩、晚間自動補光的移動偵測（僅拍照不錄像）攝像頭，滿足惡劣環境工作要求的北斗數傳發送終端，以及立桿、機箱、避雷裝置、螺絲、抱箍、扎帶等輔助配件。野外集成感知裝備見圖2。

圖2 前端野外感知裝備圖

后端處理組件：主要由北斗數傳接收終端、圖像處理模塊、數據管理與服務平臺等構成。

北斗衛星導航系統：主要實現圖像的準實時傳輸。

2.系統工作原理

系統主要工作流程分以下幾個步驟。

· 場景內有異常目標物后，智能啟動圖像抓拍操作。

· 選擇圖像并確定裁剪比例和壓縮率。

· 確認圖像發送后，發送終端內置的壓縮庫將圖片分割為N 包，并通過北斗三號短報文發送到后端。

· 后端接收數據包后，通過壓縮庫解壓并實時顯示最新圖像效果。由于采用漸進式傳輸方式，故在收到2 ～3 包數據后就能看清“異常目標物”大概輪廓，且收到數據包越多則越清晰；在接收數據的后期即使丟掉1 ～2 包數據也不會對圖片質量造成較大影響。

智能預警監測數據的獲取、傳輸、處理和分析流程見圖3。

圖3 數據流程圖

3.系統優勢

系統采用了圖像的高時效識別技術，可在收到2 ～3 包數據后就能看清目標大概輪廓，收到數據包越多則越清晰，能分層次滿足用戶對圖像質量的要求；其次應用分包傳輸的圖像漸進式顯示技術，可最優化利用寶貴的信道帶寬，實現窄帶寬下抗誤碼、高壓縮比圖像傳輸比，極大提高圖像數據的傳輸能力和效率；北斗衛星導航系統的短報文功能保障了廣袤且偏遠林草濕荒分布區域的準實時數據傳輸，為快速、精準監管提供了技術支撐。

五、應用潛力

國家林業和草原局正在進行國家公園感知監測的頂層設計，并著手制定統一的國家公園感知監測標準體系，開展旗艦物種跟蹤識別技術攻關，提升精準監測保護能力，建設最高水平、最先進技術的國家公園感知監測體系，進而拓展到全林草行業。無信號或弱信號區域的野生動植物、人類活動、生物入侵、植被生長脅迫、火情隱患等的一體化智能監測，是國家公園監管體系建設的重要內容，更是未來應對惡劣環境少人化（或無人化）野外值守發展趨勢的解決方案。基于北斗三號短報文通信功能，將外業的狀態數據、異常事件等預警信息及時傳到管理中心，既彌補了現有通信手段的局限性，又可擴大監管范圍，減少管控盲區，可很好地提升林草濕荒資源的管理水平和效率。圖4 展示了基于“林業生態建設與保護北斗示范應用系統”的國家公園或自然保護區準實時監管類數據匯集、分析、管理與服務功能。

圖4 自然保護區即時數據通導遙綜合服務系統

六、結語

經過多年的創新與發展，以遙感、GIS 和GNSS 為核心的時空信息技術迅猛發展，極大地擴展了人類對生存環境的感知、認知與管控能力，為林草濕荒資源時空信息技術的集成研發與應用提供了良好技術基礎。推動時空動態信息與國家公園主責主業的深度融合，必將是國家公園體系建設和本土化發展重要舉措。只有加大時空信息技術的研究與應用力度，才能確保高質量的時空信息、高層次的時空分析和高水平的時空賦能，才能實現“全地域、全方位、全時域、全要素”的感知，才能破解“動態感知－精準認知－智慧管控”的技術難題，也才能滿足數據保障實時化、調查監測精準化、監管服務知識化、決策治理智慧化[2]的國家公園建設需求。