北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在林業(yè)領域應用的發(fā)展探討

徐曉峰

（航天恒星科技有限公司，北京 100086）

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自主發(fā)展、獨立運行的重要戰(zhàn)略空間基礎設施。2012年12月27日起，北斗系統(tǒng)在繼續(xù)保留北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)有源定位、雙向授時和短報文通信服務基礎上，向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無源定位、導航、授時等服務。到2020年將覆蓋全球，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已逐步啟動交通公路運輸、海上運輸、氣象、漁業(yè)、公共安全、民政減災救災、林業(yè)等12個行業(yè)示范。

1 衛(wèi)星導航林業(yè)應用現(xiàn)狀

導航系統(tǒng)作為林業(yè)管理的基本工具得到廣泛應用，尤其在我國林業(yè)工程的測繪、資源調查、林業(yè)災害監(jiān)測與應急處理等工作中發(fā)揮了非常重要的作用。近年來以GPS為代表的衛(wèi)星導航技術在林業(yè)業(yè)務中應用廣泛，并且發(fā)展迅速，用戶量已達到10萬以上。林業(yè)當中涉及到導航功能的項目主要有野外調查、勘界測量、野外巡護、動物跟蹤、機載導航、火情跟蹤監(jiān)測和林產品跟蹤等。目前我國北斗衛(wèi)星導航的應用主要包括森林資源監(jiān)測、森林防火監(jiān)控與應急指揮和野生動植物保護三大業(yè)務。

（1）森林資源監(jiān)測。我國森林資源監(jiān)測業(yè)務主要涉及國家森林資源連續(xù)清查（一類清查）、地方森林資源規(guī)劃設計調查（二類調查）以及造林作業(yè)調查設計與伐區(qū)調查規(guī)劃設計（三類調查）。衛(wèi)星導航系統(tǒng)在森林資源調查方面的研究與應用主要涉及林業(yè)野外調查、林政案件審理、采伐設計與驗收等方面。衛(wèi)星導航技術作為重要的空間定位應用技術與作業(yè)工具，主要應用模式包括野外調查導航定位、數(shù)據(jù)采集、地圖測繪等，能夠有效提高監(jiān)測工作的精度和效率。目前，已實現(xiàn)了在巡護終端中使用北斗芯片，集成3S+C技術，支撐林業(yè)巡護通信。例如，在云南中緬邊境地區(qū)，實現(xiàn)巡護人員配置北斗終端，打擊盜伐盜獵活動。

圖1 森林資源監(jiān)測業(yè)務邏輯關系與業(yè)務流程圖

（2）森林防火監(jiān)控與應急指揮。目前，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在林業(yè)中的應用，最主要集中在森林防火業(yè)務中的林火監(jiān)測和火災應急指揮領域。應用模式主要有野外調查導航定位、數(shù)據(jù)采集、撲火隊伍與車輛等跟蹤監(jiān)控、貨場信息采集傳輸?shù)龋蕴峁┑貓D基礎功能、火勢標繪、火災定位、火災分析、撲救指揮、路徑分析、撲火隊跟蹤指揮、資源管理、火險預警、火情推演、預案管理、輔助決策、應急指揮和災后評估功能。現(xiàn)已在黑龍江省、天津薊縣、吉林紅石國家森林公園等多地建有基于北斗的森林火災監(jiān)測及調度指揮系統(tǒng)，實現(xiàn)了低成本、高效率、高精度、全天候的獲取森林內部信息，利用北斗短報文的通信能力解決林區(qū)通信盲區(qū)快速定位與預警，并根據(jù)森林防火調度的實際需要，確定了人員和林火的定位技術。

圖2 森林防火監(jiān)控和應急指揮業(yè)務管理流程圖

（3）野生動植物保護。在野生動植物保護方面，主要應用模式有野外調查導航定位、數(shù)據(jù)采集、珍稀野生動植物跟蹤。目前，基于北斗芯片的野生動物定位項圈在對藏羚羊的研究中已有了利用。在不影響野生動物日常生活的情況下，對其活動時間和活動范圍進行實時了解和跟蹤，利用收集的數(shù)據(jù)，研究分析其遷徙產仔等活動。使用北斗衛(wèi)星提高定位精度、加快數(shù)據(jù)獲取速度、保證野生動物監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性。

圖3 野生動植物資源保護業(yè)務邏輯關系與業(yè)務流程圖

2 北斗導航林業(yè)應用存在的主要問題

目前林業(yè)衛(wèi)星導航技術應用主要采用美國的GPS系列產品，而北斗系列產品除了林火方面還沒有廣泛使用。從而導致在應用中存在野外信息通信難、業(yè)務融合度低、本土化程度低、標準規(guī)范缺乏低等問題，同時設備與信息資源難以共享、利用率低，應用難度大、效率低；成為林業(yè)3S技術（衛(wèi)星導航、遙感、地理信息系統(tǒng)）綜合應用的短板。

（1）缺乏適合林業(yè)應用的北斗芯片衛(wèi)星導航終端。林業(yè)資源位置分布范圍廣，環(huán)境復雜，需要多時空尺度監(jiān)測。我國林業(yè)分布范圍廣、自然環(huán)境多樣，空間跨度巨大，受地形約束和限制顯著，多在樹冠濃密的林內或偏遠地區(qū)開展，尤其在峽谷地帶、林冠層厚度較大或郁閉度0.8以上的林下，衛(wèi)星導航定位信號較易受到影響，需要環(huán)境適應能力強的高精度的終端產品；由于林業(yè)工作涉及千山萬水，工作人員需要攜帶多種測量設備跋山涉水，長期奔波于多種艱苦自然環(huán)境中連續(xù)工作，需要集成度高、功耗低、攜帶方便的工作設備；林業(yè)資源調查人員工作任務繁重，不同級別、不同類型的林業(yè)資源業(yè)務對精度要求不同，廣大林業(yè)工作人員難于掌握操作復雜、技術水平要求高、適合專業(yè)人員使用的終端設備與應用軟件。

（2）缺乏北斗衛(wèi)星導航業(yè)務支撐與綜合管理服務平臺。北斗衛(wèi)星導航技術的應用，一方面需要與GIS、RS以及通信技術等緊密結合，共同為林業(yè)業(yè)務信息化提供支撐，另一方面需要統(tǒng)一規(guī)劃、綜合考慮與業(yè)務系統(tǒng)建設的融合，才能更好的發(fā)揮報北斗衛(wèi)星導航技術優(yōu)勢，提升業(yè)務管理水平。我國林業(yè)業(yè)務信息系統(tǒng)建設普遍存在目標單一、資源割據(jù)、共享困難、效能低下、重復建設等問題，導致林業(yè)信息化資源得不到充分、合理、有效地利用，一定程度地制約了林業(yè)信息化健康、協(xié)調、可持續(xù)發(fā)展。北斗衛(wèi)星導航技術的在林業(yè)的廣泛應用，需要統(tǒng)籌規(guī)劃，建立綜合平臺，提供公共服務，共享各類信息資源，才能發(fā)揮北斗衛(wèi)星導航對林業(yè)各項業(yè)務的支撐能力。

（3）缺乏北斗衛(wèi)星導航與林業(yè)業(yè)務深度融合的應用系統(tǒng)。我國林業(yè)目前應用的主要衛(wèi)星導航產品為GPS，GPS在我國的占有率達到了95%左右，由于嚴重依賴國外技術與產品，難于自主制定應用發(fā)展規(guī)劃與計劃；北斗衛(wèi)星導航技術在我國應用處于開始階段，僅在個別領域作了技術探索，離應用需求有較大差距，尚未得到國家與相關部門的行業(yè)應用重點投入，北斗芯片較GPS芯片價格上略貴，技術支撐能力弱，對于推廣應用造成一定阻礙；各業(yè)務部門應用分散，導致目前林業(yè)衛(wèi)星導航應用數(shù)量快速增加的同時應用廣度與深度滯后，難于適應林業(yè)大量業(yè)務對衛(wèi)星導航技術的迫切應用要求。

（4）缺乏通信盲區(qū)數(shù)據(jù)采集和應急求助信息傳輸?shù)挠行緩健Ａ謽I(yè)資源位置分布范圍廣，多分布于人跡罕至的通信盲區(qū)。當遇到森林火災等緊急情況，由于缺乏有效通信手段會延誤救火時機，同時影響指揮撲救效率與效果，在巡護員遇到危險時，缺乏應急救助信息的快速傳輸，缺乏和家人通信的有效通信手段。另外在通過傳感器監(jiān)測森林狀況時，也需要有效的信息傳輸以定期獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)災害的預測預報。

（5）缺乏北斗衛(wèi)星導航林業(yè)應用的標準規(guī)范。我國林業(yè)生態(tài)建設與保護由林業(yè)資源監(jiān)管、綜合營造林管理、災害監(jiān)控與應急響應、社會公共服務等各類業(yè)務組合而成。各業(yè)務對導航定位技術的應用模式與要求各異，各業(yè)務之間相對獨立又彼此存在一定的關聯(lián)性。因此在應用中不同業(yè)務對導航、定位和通信的要求各有側重，同一設備只能用于特定業(yè)務，存在大量重復購置；業(yè)務系統(tǒng)彼此獨立，大量公共、基礎信息難于共享；各類測量設備之間以及業(yè)務流程涉及業(yè)務協(xié)同時，信息互動效率低。

3 北斗導航林業(yè)應用發(fā)展思路

本著先示范，后推廣的原則，面向國家林業(yè)生態(tài)建設與保護管理過程中的森林資源監(jiān)管、森林防火監(jiān)控和應急指揮、野生動植物保護等核心業(yè)務需求，充分利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位和短報文功能，實施北斗示范應用項目建設，有效提高林業(yè)信息化保障能力，全面提升國家林業(yè)信息化管理與決策水平，完善林業(yè)信息服務應用體系。同時，通過示范省林區(qū)的示范作用推進北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在林業(yè)行業(yè)的應用，加快促進北斗示范應用系統(tǒng)及其配套終端設備的產業(yè)化發(fā)展。

（1）大幅提高林業(yè)信息網絡覆蓋率。為示范省份各級林業(yè)局門工作人員和巡護人員分別配置手持型北斗林業(yè)終端。示范省份內位于地面通信盲區(qū)的林區(qū)，其巡護人員將優(yōu)先裝備具備北斗短報文功能的林業(yè)北斗終端，消除林業(yè)信息網絡盲區(qū)，實現(xiàn)示范省份90%以上林區(qū)的全覆蓋，示范省份示范業(yè)務的林業(yè)信息化率達到80%以上。

（2）提高巡護現(xiàn)場采集信息上報的時效性。在示范省份的公益林巡護、保護區(qū)巡護和林火巡護過程中，將現(xiàn)有的采集信息報送網絡延伸至巡護現(xiàn)場，采集信息報送時間可縮短為1小時以內、報送效率提高2～3倍，徹底解決示范省份發(fā)生森林火災、盜獵盜伐等緊急事件后，因地面通信網絡中斷或未覆蓋導致現(xiàn)場情況無法及時上報的問題。

（3）提高林火應急指揮和巡護監(jiān)管信息化保障水平。示范省份省、地（市）、縣（區(qū)）林業(yè)管理人員和林火專用車輛林業(yè)北斗終端裝備率均達到100%，實現(xiàn)現(xiàn)場地面通信網絡完全中斷的條件下，各級政府對護林員、林火巡護員和林火現(xiàn)場應急指揮行動的全覆蓋監(jiān)控與實時指揮調度，將護林員、林火巡護員、撲救人員定位和通信保障能力提升2倍。

（4）保障林業(yè)生態(tài)安全。林業(yè)承擔著保護森林、濕地、荒漠三大生態(tài)系統(tǒng)和維護生物多樣性的重要職責，是生態(tài)文明建設的關鍵領域，是生態(tài)產品生產的主要陣地，是美麗中國構建的核心元素。通過推廣典型業(yè)務應用，為林業(yè)生態(tài)文明建設保駕護航。

（5）滿足林業(yè)業(yè)務對高精度定位需求。針對林業(yè)勘界測量等業(yè)務對高精度定位功能需求，本項目提供林業(yè)勘界測量型終端和高精度伴侶，將勘界測量工具定位精度由米級提高到亞米級，提高林業(yè)高精度設備占有率，為樣地精準定位導航和林地勘界測量提供高精度定位服務。

4 北斗衛(wèi)星應用推廣的建設原則

4.1 標準先行、統(tǒng)一規(guī)范

（1）與現(xiàn)有標準體系有機結合：緊扣衛(wèi)星導航技術在林業(yè)的業(yè)務化應用主題，充分復用現(xiàn)有國際、國內相關標準規(guī)范，不貪大求全，不重復建設。

（2）與林業(yè)業(yè)務緊密結合：從我國林業(yè)森林資源監(jiān)管、生態(tài)公益林和保護區(qū)巡護、林業(yè)災害應急、林業(yè)公眾服務的業(yè)務實際出發(fā)，基于資源整合、流程規(guī)范、科學高效的原則，研究并設計相應的標準規(guī)范。

（3）為北斗在林業(yè)的業(yè)務化應用提供標準規(guī)范支撐。基于體系化、專業(yè)化、實用化的原則，研究并設計北斗林業(yè)綜合應用框架體系及相應的特色規(guī)范。

4.2 需求牽引、應用主導

（1）需求牽引。全面分析整理當前及今后林業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過程中對衛(wèi)星導航技術的需求，重點研究、分析并滿足國家及林業(yè)重大發(fā)展戰(zhàn)略實現(xiàn)、推動社會經濟發(fā)展與產業(yè)化過程中要求迫切、條件成熟的相關需求，并開展應用示范，同時兼顧培育并引導其他潛在的需求。有急有緩、有所側重、避免出現(xiàn)需求分散、全面開花的問題。

（2）應用主導。以大力促進北斗在林業(yè)的深入、業(yè)務化應用為“出發(fā)點”和“落腳點”，突出應用、注重實效，不搞面子工程和政績工程。

4.3 技術推動、著眼未來

（1）設計完善的體系：做好頂層設計，促進資源共享。

（2）功能完備：針對林業(yè)對衛(wèi)星導航定位的突出需求，以系統(tǒng)集成為手段，結合相關領域先進技術，研制具有集多傳感器的、“多網合一”的林業(yè)終端產品。

（3）性能優(yōu)越：依托一片化的北斗模塊，在業(yè)內占據(jù)領先地位，大大減小整機的體積和功耗，降低產品成本，為北斗導航產業(yè)在林業(yè)應用發(fā)展作出突出貢獻。

（4）便于使用：針對林業(yè)四大業(yè)務特色和應用需求，結合現(xiàn)有技術、產品基礎，定義北斗林業(yè)終端型譜，為不同的業(yè)務類型、應用平臺以及使用場合生產相應的林業(yè)終端產品，降低技術裝備應用的門檻。

4.4 資源整合、共建共享

（1）資源整合。依據(jù)應用需求，資源共享為核心，用系統(tǒng)科學的方法對各個相對獨立的系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對象、功能結構及其互動關系進行融合、聚類和重組，形成一個新的、效率更高的有機整體。充分利用和整合國家和地方已有的信息資源，對目前的數(shù)據(jù)（信息）資源和系統(tǒng)資源進行整合。達到數(shù)據(jù)的高度共享，實現(xiàn)集中管理。

（2）共建共享。改變當前林業(yè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)獨立、自治、重復開發(fā)的局面，促進互聯(lián)互通，有效調控增量資源，優(yōu)化信息資源配置，建立滿足多種應用需求的林業(yè)數(shù)據(jù)共享平臺，提高信息資源效益。

4.5 點面結合、全面推廣

（1）點面結合：從林業(yè)業(yè)務里選擇具體的業(yè)務領域，結合北斗衛(wèi)星導航定位的應用特點進行示范應用，在此基礎上，向整個林業(yè)業(yè)務領域進行推廣。（2）橫向集成、縱向貫通：選取林業(yè)應用特點突出、需求強烈的典型示范省區(qū)，基于國家-省-市（縣）-鄉(xiāng)的體系結構進行示范推廣，確保示范推廣的縱深。

（3）形成平臺、形成裝備：逐步形成覆蓋林業(yè)四大業(yè)務的林業(yè)應用終端產品平臺，便于構建后續(xù)應用；通過型譜的研究，形成林業(yè)手持巡護型終端、林業(yè)手持智能型終端、林業(yè)勘界測量型終端、林業(yè)車載型終端、林業(yè)應急指揮型終端和北斗林業(yè)RD 通信終端譜，在行業(yè)內部進行裝備，便于推廣應用。

5 結束語

充分借鑒“北斗+”和“互聯(lián)網+”思維，利用林業(yè)行業(yè)現(xiàn)有的信息化建設的設施、數(shù)據(jù)、平臺、應用系統(tǒng)，遵循“資源整合、共享共建，技術推動，便于推廣”的發(fā)展思路，集成衛(wèi)星導航、云計算、移動互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網等先進技術，廣泛利用各種資源，依照行政推動與市場運作相結合的機制，發(fā)揮各方優(yōu)勢，采用典型示范引路、以點帶面、整體推進的建設策略，實現(xiàn)北斗在林業(yè)的規(guī)模化應用，提高林業(yè)資源監(jiān)管能力和信息化水平。