國有林場森林防火和資源監管“空天地人”四位一體監測系統建設

袁傳武 張維 羅勇 林虎 王怡 曹國

摘 要： 針對國有林場現狀以及森林資源監管需求，構建了國有林場森林防火和資源監管“空天地人”四位一體監測系統體系框架，提出了“空天地人”四位一體監測平臺建設架構及建設內容。旨在通過構建立體化資源監管體系，彌補傳統監管方式的不足，提高國有林場信息化現代化水平，為增強國有林場森林生態功能，推動國有林場森林資源總量持續增加提供科技支撐。

關鍵詞： 國有林場;森林防火和資源監管;“空天地人”四位一體監測系統

中圖分類號：S757.1?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1004-3020（2021）05-0071-05

Four-in-one Monitoring System of “Space，Sky，Earth and Human” for

Forest Fire Prevention and Resource Supervision of National Forest Farms

Yuan Chuanwu（1） Zhang Wei（1） Luo Yong（2） Lin Hu（2） Wang Yi（1） Cao Guo（3）

（1.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075;2.Hubei Forestry Information Center Wuhan 430072;

3.Hubei Institute of Science and Technology Information Wuhan 430070）

Abstract：

According to stituation and forest resource supervision requirements of national forest farms，the authors constructs a four-in-one monitoring system framework for forest fire prevention and resource supervision of national forest farms，and proposes a four-in-one monitoring platform system architecture for the four-in-one monitoring platform for forest fire prevention and resource supervision.The aim is to build a three-dimensional monitoring system for forest resources in national forest farms，to make up for the shortcomings of the traditional forest resource supervision methods of national forest farms，to improve the modernization level of national forest farms，to enhance forest ecological functions of national forest farms，and to provide the technology support for continuous increase in the total forest resources of national forest farms.

Key words： national forest farm;forest fire prevention and resource supervision;four-in-one monitoring system of “space，sky，earth and human”

前言

國有林場是生態建設和林業建設的主力軍，在改善生態環境與防災減災方面發揮著無法替代的重要作用。加強國有林場數字化、網絡化、可視化、智能化建設，提高國有林場資源監管效能和水平，對保護和利用國有林場森林資源具有十分重要的意義。湖北省有200多個國有林場，在全面完成國有林場主體改革任務后，面臨著保護生態資源、加強森林經營、發展林業產業、加強科技支撐、加強基礎建設和創新制度建設等方面的難點。其中，保護生態資源和加強科技支撐是關鍵。采用高科技手段，創新國有林場資源監管模式，全方位監測國有林場森林資源，是未來國有林場發展的必須趨勢。

當前，以云計算、物聯網、移動互聯網、大數據為代表的新一代信息技術正成為推動森林防火及資源監管科技化、智能化轉型升級的新動力。采用基于衛星遙感、無人機、智能煙火識別、多光譜熱紅外成像等信息技術進行國有林場森林火災及資源監管監測系統建設，構建國有林場森林火災及資源監管“空天地人”四位一體監測系統，既能彌補傳統森林資源監管方式的不足，又能對國有林場森林資源形成有效保護，是當前國有林場森林防火及資源監管智慧化發展的必然選擇[1]。

本研究針對國有林場現狀和森林資源監管需求，通過建設集衛星遙感、無人機監測、高點云臺監控、地面人工巡護“空天地人”四位一體、節能環保、開放共享的森林防火和資源監管系統，構建國有林場森林防火和資源監管信息化應用管理體系，實現國有林場森林火災與森林資源實時、高效、自動、精準監管，為國有林場資源保護與修復的可持續發展提供有效支撐。

1 建設思路

按照全省森林資源監管“一中心四系統”建設規劃，“一中心”是指湖北省林業局、地方林業部門、國有林業等各級部門森林防火和資源監管應急指揮中心;“四系統”是指“空天地人”四位一體監測手段，由衛星遙感監測、無人機巡護、視頻監控和人工巡護等四大系統構成，利用各類技術手段自身特點，在時效性和空間維度上相互補充，構建全省特別是重要區域和重點部位的森林火災及森林資源立體監測網絡，補齊林業自然災害防范、資源監管及應急指揮短板，提升森林防火及資源監管信息化應用水平和保障能力。

由于森林火災具有突發性和破壞性的特質，使得衛星遙感監測、無人機巡護、視頻監控和人工巡護等不同的林火監測設備在時空監測能力和監測數據采集能力方面存在差異，一種監測技術難以實現所有火災數據的采集[2]，需要對各種監測技術進行組合，才能實現全天候、全覆蓋的森林火災實時有效監測與火情及時分析研判。因此，利用遙感衛星、無人機等獲得的整體監測資料與高點云臺、護林員等獲得的地面監測數據，進行互相補充及對照，可獲得更全面的森林火災監測數據[3-5]。

具體來說，就是通過“空、天、地、人”四個角度對國有林場森林資源進行實時監測，在林區建設空（衛星遙感）、天（無人機監測）、地（高點云臺監控）、人（地面巡護）四位一體監測網絡，對國有林場森林火災及森林資源進行全域、全天候高效監測，完善國有林場森林火災及森林資源監測預警體系，為國有林場森林火災的預防、控制和撲滅及森林資源的保護、研究和利用提供數據支撐和決策輔助。

2 系統框架

2.1 總體框架

國有林場森林防火和資源監管“空天地人”四位一體監測系統，主要由監測中心平臺及“空天地人”四位一體數據采集系統構成。數據采集系統實時采集各類監測數據，數據類型包含視頻、圖像、音頻、地理信息等，通過網絡傳輸至監測中心平臺，經規約、轉換、清洗后入庫存儲，通過接口訪問、數據集成、統計分析等方式實現各項應用。

監測中心平臺。接入全省林火衛星遙感監測系統，建設森林防火預警管理模塊、森林資源監管模塊、無人機監測預警模塊、視頻監控管理模塊、人工巡護模塊、大屏應用模塊、運維管理模塊、林業數據庫、林業生態監測管理模塊、病蟲害監測管理模塊、旅游資源管理模塊、大數據分析模塊、智能云廣播模塊及配套指揮中心等。

“空天地人”四位一體數據采集系統。對接湖北省林火衛星遙感監測服務平臺，建設無人機監測、林區高點云臺及路面監測、人工巡護監測及智能云廣播、網絡與安全等配套設施。

2.2 平臺架構

根據系統架構，根據國有林場森林資源監管的業務職能，分為數據采集層、網絡傳輸層、數據資源層、應用支撐層、應用層、用戶展示層等層次。其中數據采集層和應用層是最重要的功能層。

（1）數據采集層：主要包括衛星遙感監測、無人機監測、高點云臺監控、道路卡口監控、巡護終端、生態監測站、病蟲害監測站、野生動物監測等。主要實現前端各類數據的采集，是平臺的眼睛和觸手，是融合遙感技術、無人機技術、視頻監控技術、物聯網傳感技術等高新技術手段構建的“空天地人”一體化立體感知網絡。

（2）網絡傳輸層：林業專網、互聯網、移動4G/5G、NB-Iot等，主要實現感知數據的傳輸，是連接前端采集設備和后端數據資源層的紐帶，承擔著數據傳輸、整合通信、控制指令上傳下達的任務。

（3）數據資源層：基礎庫、地圖庫、視頻圖像庫、專題庫、林業資源庫，主要是實現數據服務功能，按照數據標準要求，將各類自然資源監測數據、業務管護數據、外部共享數據進行統一匯聚、整合，建立專題數據庫，實現一體化管理和數據資源信息的共享和互操作。

（4）應用支撐層：主要包括統一身份認證、統一權限管理、數據交換服務、報表引擎、計算/儲資源、日志/錄服務、應用中間件、GIS平臺，主要實現平臺用戶的操作服務及管理，為平臺提供穩定的軟件支撐環境。

（5）應用層：主要包括衛星遙感監測系統、無人機監測預警系統、視頻監控管理系統、人工巡護系統、森林防火預警與管理系統、森林資源監管系統、林業生態監測管理系統、病蟲害監測管理系統、旅游資源管理系統、智能云廣播系統、大數據分析系統、運維管理系統等，主要是主要實現各類數據的融合、挖掘和應用，基于感知監測、病蟲害防控、巡護管理等方面定制開發業務應用系統，同時，利用數據分析技術開展專項分析和評價。

（6）用戶展示層：主要包括大屏展示、移動終端、PC端，主要實現數據可視化展示與結果呈現，支持LED大屏幕、PC端和移動端、電子沙盤等的展示。

3 建設內容

防火監測中心平臺采用分級管理模式，通過統一登錄入口訪問和使用權限范圍內的所有數據及功能。平臺集成多路告警來源，形成“空天地人”四位一體預警監測網絡，實現國有林場森林火災與森林資源全域、全天候監測預警。

3.1 林火衛星遙感監測

湖北省林火衛星遙感監測服務平臺是全時段、反應迅速、交互簡便、多種監測衛星并行的火情監測預警平臺，可實現火點信息準確推送、火情信息自動報警、火情信息查詢等功能。國有林場建設時，提供本場范圍矢量圖，由湖北省林業局統一對接，獲取使用授權，并獲取衛星火點實時數據。

3.2 無人機監測

國有林場根據本場特點，建設無人機監測系統，并與監測中心平臺對接。林區面積0.33萬hm2以下可選配多旋翼無人機，林區面積0.33萬hm2以上的可選配垂直起降固定翼無人機，用于大范圍林區巡護、森林防火、資源監管、病蟲害實時監測[6]。經濟條件好林場，可建設無人機自動停機坪，實現無人機自動起降、存放、自動充/換電、遠程通信、數據存儲、智能分析等功能。無人機監測系統與全省無人機云管制平臺對接，平臺提供無人機設備統一注冊、分配唯一設備編號和唯一識別碼，記錄無人機使用情況、飛行情況、維修保養情況，支持掃描二維碼或輸入無人機編號進行查詢和追溯，國有林場按照組織結構和權限分級管理模式使用。

3.3 林區高點云臺監測

林區高點云臺監測主要由雙光譜熱成像攝像機、鏡頭、防護罩、云臺等組成，高點云臺應借助林區通信塔裝載，林區無通信塔的可自建監控塔。各國有林場根據本場特點及實際需求，選擇合適的雙光譜熱成像攝像機，根據監控的范圍選擇鏡頭和云臺。

3.4 林區路面監控

林區路面監控攝像機安裝在林區主要道路路口、標識點和值班室。國有林場結合本林場特點和實際需求，選定合適點位安裝，對林區的亂砍、亂伐、偷盜等違法行為進行實時監控。主要道路路口采用槍式攝像機，標識點采用球型攝像機，值班室采用半球攝像機。

3.5 人工巡護監測

人工巡護APP由湖北省林業局統一開發，授權使用，國有林場根據本場特點及實際需求，自配備一定數量的搭載Android系統的手機或平板等智能手持終端。人工巡護APP可實現離線地圖、實時導航、火情處置、地圖展示與操作、日常巡檢、實時視頻等基本功能。

3.6 林區物聯網生態監測

利用NB-IoT技術、低軌衛星技術、無人機等物聯技術進行國有林場森林資源生態環境因子監測，通過自組織的方式構成無線生態因子傳感網絡，實時監控并獲取林區植被生長情況、火情情況、病蟲害情況、干旱缺水情況及生態環境因子、氣象因子、土壤肥力、土壤酸堿度等因子變化情況，將監測數據傳輸至大數據平臺，為國有林場森林資源綜合評價提供數據和信息，實現國有林場森林資源和環境的精準監測與保護。

（1）資源監測：包括森林面積、森林覆蓋率、森林蓄積量、森林植被類型、森林結構、動植物類型、林地利用與干擾、森林管護人員等。

（2）土壤監測：包括土壤理化性質（pH值等）、土壤微生物等。

（3）水文監測：包括含水量、泥沙量、地表徑流、地下水徑流等。

（4）氣象監測：包括風速、風向、降雨量、溫濕度、負氧離子、PM2.5、CO2等。

4 結論與討論

（1）湖北有200多個國有林場、300多個自然保護地和1個國家公園，在全面完成主體改革任務后，森林防火任務十分繁重，省委、省政府每年投入大量資金進行森林防火設施設備建設，并要求應用新的技術、創新的新模式，進行精準化的森林火災預防，提高林火預警響應能力。應用新一代信息技術，實現全天候、連續性、全時段的森林火災預測預警預報，是確保火情早發現、早報告、早處置的關鍵。

（2）森林火災具有突發性和破壞性的特質，使得不同的林火監測設備在時空監測能力和監測數據采集能力方面存在差異，一種監測技術難以實現所有火災數據的采集，存在著監測方式獨立、監測數據分散、監測不及時、預測不準確等諸多缺點。綜合運用遙感衛星、無人機、高點云臺、護林員等各種監測手段，進行互相補充及對照，可獲得更全面的森林火災監測數據，準確預測森林火災和林火行為，確保森林火災“早預警”“早撲滅”。

（3）建設集衛星遙感、無人機監測、高點云臺監控、地面人工巡護“空天地人”四位一體、節能環保、開放共享的森林防火和資源監管系統，集成森林火災監測、森林資源監管、森林病蟲害監測、野生動物監測以及大數據分析等應用模塊，實現三維場景下的森林火災“災前、災中、災后”全過程、全方位、一體化動態監管和應急指揮，對提高國有林場森林火災監管水平與資源管護工作效率，及時掌握森林資源發展變化情況，為林業資源的精準監管提供重要科技支撐。

（4）構建國有林場森林防火和資源監管信息化應用管理體系，實現國有林場森林火災與森林資源實時、高效、自動、精準監管，為國有林場資源保護與修復的可持續發展有效支撐。通過林火衛星遙感、無人機、高點云臺、巡護APP等，對林區進行全方位監控和火點智能識別，一旦發現疑似火情，監控中心和湖北省林業局指揮中心立即發出報警信號，并在GIS地圖上顯示疑似火情位置。通過林場各個路口、標識點、值班室的智能監控攝像機，對人臉、機動車、非機動車、人體進行實時抓拍，快速查找可疑車輛及人員。

（5）為確保全省“空天地人”防火平臺建設的統一性和防火業務適用性，按照統一接口和功能設計原則，建設一個全省統一的標準的森林防火信息平臺，提供統一數據標準和平臺服務接口，便于防火監測數據的互聯互通和數據共享。同時，建立統一的運維管理平臺，將運維與大數據技術融合，將運維流程在移動終端上完成，包括設備報修、維保管理、快速統計、身份驗證等，基于移動互聯網訪問運維服務平臺，實現數據查詢、業務操作、業務流程管理，實現對運維的可視化及便捷化。

參 考 文 獻

[1]袁傳武，張維，王崇順，等.湖北森林防火監測預警云平臺建設技術研究[J].湖北林業科技，2019，48（2）：50-55.

[2]袁傳武，張維，王崇順，等.空天地一體化森林防火監測關鍵技術及實現[J].湖北林業科技，2021，50（2）：66-70.

[3]張銘晉.森林資源管理中“空天地”一體化技術集成應用[J].花卉，2021（6）：205-206.

[4]王軍.黃河流域空天地一體化大數據平臺架構及關鍵技術研究[J].人民黃河，2021，43（4）：6-12.

[5]邢保振.空天地一體化森林智能防火綜合管理平臺[J].電子技術與軟件工程，2020（20）：140-143.

[6]袁傳武，張維，羅勇，等.無人機在湖北林業的應用現狀及發展途徑[J].湖北林業科技，2020，49（3）：51-54.

（責任編輯：唐 嵐）