基于GIS可視化的林業有害生物飛機防治指揮系統的研發與應用

唐金玉 張棋 任柯伶 羅嬌 毛儷穎

摘?要：在林業有害生物飛機防治中，隨著飛防作業的快速發展，飛防出現的諸多問題也日益顯現出來，當前林業有害生物飛機防治就出現了監管難、監管不到位的問題?；诖?，本文詳細介紹了在飛機防治中使用的基于GIS的智能指揮系統，以此解決飛防領域內長期困擾監管人員的“說不清、來不及、看不到、聽不明、控不住”的工作難題。

關鍵詞：林業;飛防;有害生物防治;GIS;智能系統

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.01.070

0?引言

近年來，我國林業有害生物飛機防治發展迅速，飛防作業面積已占防治作業總面積的1/4，成為林業有害生物防治的重要手段。但是，隨著飛防面積的快速增長、防治服務公司的大量涌入和防治監管能力的相對不足，飛防問題也日益突出，而美國在飛機防治領域，已有成熟的制度設計、技術裝備、工作流程、管理要求。在飛機防治中使用智能指揮系統能夠較好地解決當前林業有害生物飛機防治監管難、監管不到位等問題，扭轉我國林業有害生物高發頻發的不利局面，更好地保護森林資源和國土生態安全，保障國家生態文明建設和美麗中國夢的實現。

1?林業有害生物防治與飛防系統

飛防是林業有害生物防治中一項重要的技術措施。采取以飛防為主要手段的綜合防治措施，是迅速遏制蟲情蔓延、降低經濟損失、消除災害的重要途徑，在林業有害生物防治中具有不可替代的作用。

飛機防治能有效解決山區地形復雜、防治效率低、防治效果差等問題。飛機防治用藥量、用工量、用水量都大大減少，根據調查數據顯示，飛機防治費用僅占人工物理、機械噴藥等常規防治方法的1/4，大大降低了防治費用。基于GIS的林業飛防系統更是能夠解決長期困擾監管人員的“說不清、來不及、看不到、聽不明、控不住”的工作難題。

綜上所述，采用飛防在林業有害生物防治中是必不可少的。

2?飛防系統關鍵技術

2.1?“指數平滑算法+線性回歸算法”的數據預測算法

常用的數據預測，多采用簡易平均算法或移動平均算法。前者是一種簡便的時間序列法，屬于定量預測方法，可對低耦合關聯的數據進行短期預測，且有較好應用效果。后者能減少數據突然波動對預測結果的影響，但不能很好地反映出趨勢，且在加大移動平均法的期數時，會使預測值對數據實際變動更不敏感。

平臺采用“指數平滑算法+多元線性回歸算法”融合的數據預測算法，既兼容了全期平均和移動平均所長，通過調教指數平滑常數，實現預測的良好響應率;又可以利用回歸預測模型，擬合優度檢驗、回歸標準差檢驗，實現預測算法的調優。通過結果反向優化自己的數據預測和表達算法，從而優化整體數據表達準確性。

2.2?數據自動化標簽分類算法

平臺使用K-Means算法作為聚類的基本算法，包含樣本類型、樣本相似度測量、類的定義等，從整體效果上而言K-Means優于HAC、K-Means Bisecting和NN聚類算法。平臺通過K-Means算法進行聚類分析，將聚類分析結果映射至分類標簽集（偏航飛行軌跡、重復飛行軌跡、未噴灑藥物飛行軌跡、噴灑藥物飛行軌跡等）。

2.3?一體化GIS數據展示技術

系統為特定數據（GPS位置、飛機航向）引入GIS表達方式，實時呈現飛機的實際飛行軌跡、航速、航高、藥物噴灑狀態及噴藥量，可增加數據地理位置屬性的展現力;為不具備GIS屬性的數據，引入虛擬GIS屬性，可以獲得與真實GIS屬性一樣的展現力。另外，結合已標注的高塔、高壓線、水資源區等預警信息，在飛機作業中，其空間位置觸及預警閾值時，系統將自動預警，及時提醒執飛人員，避免事故的發生。

2.4?海量節點的層次化樹處理技術

在可視化呈現中，隨著海量節點和線條的數目不斷增多，例如規模達到上萬以上時，可視化界面中會出現節點和線條大量聚集、重疊和覆蓋問題，使得分析者難以辨識可視化效果。平臺利用計算并行化、圖聚簇簡化可視化、多尺度交互等方法對大規模圖轉化為層次化樹結構，并通過多尺度交互來對不同層次的圖進行處理，確保用戶能清晰簡單地讀懂數據之間的層次與關聯。

3?飛防系統構建流程

系統采用分層提供服務支持的設計思想，將系統劃分為應用系統層、數據平臺層、核心設備層、網絡層和系統接口層。系統對每一層定義明確的功能接口，同時在層次內實現組件化的接口實現。層次化、模塊組件化的實現，使系統具備了最大程度的靈活度，從而能對業務需求的變化作出快速的反應，使系統具有很好的擴展性。飛防作業過程中，產生的數據具有：變化快、數據大小可預見、數據結構穩點等特征;Redis作為可持久化的Key- Value 類型的內存數據庫，具有高性能并發讀寫的能力，支持對List 進行各種操作，適合數據高性能讀寫操作和運算。

基于ThinkPHP框架作為底層開發核心，前端采用Bootstrap框架實現界面響應式設計，構建輕量級WEB系統“林業有害生物飛機防治指揮系統”，系統主要由機載模塊、指揮中心平臺組成。

飛防系統的“指揮中心平臺”采用模塊化的開發模式，遵循MVC結構，實現業務邏輯與表現層的適當分離;在保證模塊獨立的同時，大大降低代碼、數據的冗余，保證了應用程序的高內聚低耦合。系統基于Bootstrap和AdminLTE進行二次開發，手機、平板、PC均自動適配，無需要擔心兼容性問題。

4?結論

綜上所述，本文介紹了林業有害生物飛機防治指揮系統的研發與應用，主要利用“指數平滑算法+線性回歸算法”的數據預測算法，數據自動化標簽分類算法，一體化GIS數據展示技術，海量節點的層次化樹處理技術等算法、技術建立系統，指導人員進行精細化管理，從而達到提高林業有害生物防治工作的質量和效率的最終目的。

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