空間信息技術(shù)賦能?chē)?guó)家公園監(jiān)管

文 | 史文石 武紅敢 桑愛(ài)洋 沈訓(xùn)

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

4.北京華辰北斗信息技術(shù)有限公司

一、引言

2019 年中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于建立以國(guó)家公園為主體的自然保護(hù)地體系的指導(dǎo)意見(jiàn)》，充分肯定了國(guó)家公園在我國(guó)自然生態(tài)系統(tǒng)中的資源價(jià)值；2021 年正式設(shè)立首批5個(gè)國(guó)家公園，開(kāi)啟了國(guó)家公園建設(shè)實(shí)踐的新篇章。黨的二十大報(bào)告提出要建設(shè)人與自然和諧共生的中國(guó)式現(xiàn)代化，國(guó)家公園體系建設(shè)是人與自然和諧共生現(xiàn)代化的重要組成部分，作為我國(guó)自然生態(tài)系統(tǒng)中自然景觀最獨(dú)特、自然遺產(chǎn)最精華和最具國(guó)家代表性的部分，國(guó)家公園需要實(shí)現(xiàn)自然資源的科學(xué)保護(hù)和合理利用，兼具教育、游憩、科研等功能[1]。國(guó)家公園的時(shí)空信息感知是其保護(hù)和開(kāi)發(fā)利用的科學(xué)基礎(chǔ)和高質(zhì)量發(fā)展的重要助推器，將時(shí)空信息技術(shù)與林草資源業(yè)務(wù)深度融合，構(gòu)建新一代國(guó)家公園時(shí)空信息技術(shù)體系，提供動(dòng)態(tài)感知、精準(zhǔn)認(rèn)知和智慧管控等先進(jìn)手段[2]，推動(dòng)林草濕荒資源治理能力的現(xiàn)代化建設(shè)，支撐林草濕荒資源科學(xué)管理和高質(zhì)量發(fā)展，已成為各級(jí)林草主管部門(mén)關(guān)注的話題。

綜合運(yùn)用時(shí)空信息技術(shù)賦能智慧國(guó)家公園建設(shè)，助力布局規(guī)劃、本底調(diào)查、資源監(jiān)管、巡護(hù)巡查、保護(hù)評(píng)價(jià)、生態(tài)修復(fù)于一體的國(guó)家公園體系建設(shè)，以先進(jìn)理念和創(chuàng)新技術(shù)助推林草行業(yè)的信息化和智能化。

二、空間信息技術(shù)發(fā)展概況

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，空間信息技術(shù)在我國(guó)得到快速發(fā)展，空間信息技術(shù)是以全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）、遙感（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）等理論與技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，進(jìn)行時(shí)空數(shù)據(jù)的采集、量測(cè)、分析、存儲(chǔ)、管理、顯示、傳播和應(yīng)用等，已經(jīng)成為林草濕荒資源準(zhǔn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)管的技術(shù)支撐手段。

1.衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)

以美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）為代表的GNSS技術(shù)近三十年來(lái)得到廣泛應(yīng)用，它可在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)，為用戶(hù)提供全天候的三維坐標(biāo)、速度以及時(shí)間信息。我國(guó)北斗三號(hào)系統(tǒng)2020年7 月31 日開(kāi)始提供全球服務(wù)，采用了混合星座模式、全新導(dǎo)航信號(hào)體制以及提供短報(bào)文通信和精密單點(diǎn)定位（PPP）服務(wù)，北斗與GPS 等其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力更強(qiáng)，確保了在我國(guó)及周邊區(qū)域可以獲得更為優(yōu)質(zhì)的高精度定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)[3-4]，為各行各業(yè)和大眾用戶(hù)打造了完善的中國(guó)時(shí)空服務(wù)體系。

2.衛(wèi)星遙感技術(shù)

1999 年中國(guó)成功發(fā)射的首顆陸地觀測(cè)衛(wèi)星資源一號(hào)，填補(bǔ)了自主遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)的空白，拉開(kāi)了國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)應(yīng)用的大幕。特別是實(shí)施的高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專(zhuān)項(xiàng)，以及 北京系列、天繪系列、高景衛(wèi)星星座、珠海一號(hào)衛(wèi)星星座、吉林一號(hào)衛(wèi)星星座、珞珈系列 等小衛(wèi)星系列的快速發(fā)展，使我國(guó)形成覆蓋從全色、多光譜到高光譜，從光學(xué)到雷達(dá)，從太陽(yáng)同步軌道到地球同步軌道等多種類(lèi)型遙感衛(wèi)星，以及高時(shí)空分辨率、高光譜分辨率、高精度觀測(cè)能力的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，可為自然資源調(diào)查、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)評(píng)估等提供全面的數(shù)據(jù)服務(wù)和技術(shù)支撐。

3.衛(wèi)星傳輸技術(shù)

地球同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)和低軌衛(wèi)星系統(tǒng)因其廣域覆蓋、高速率傳輸、抗干擾強(qiáng)、成本低，以及可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和視頻等信息傳輸?shù)莫?dú)特優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在國(guó)防、航空航天、電視廣播、移動(dòng)通信等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。林草濕荒資源多分布在人煙稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)，其監(jiān)管數(shù)據(jù)的采集和傳輸需要衛(wèi)星通信手段的保障。

4.時(shí)空數(shù)據(jù)分析技術(shù)

數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等融合技術(shù)手段可以更好地理解多源數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和規(guī)律，可視化技術(shù)可以更好地展示多源數(shù)據(jù)，以應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)。

因此全面感知和獲取多源、全域信息，并利用智能計(jì)算框架和智能數(shù)據(jù)處理算法對(duì)信息進(jìn)行處理[5]是構(gòu)建林草生態(tài)感知體系的技術(shù)支撐與保障。

三、國(guó)家公園精準(zhǔn)監(jiān)管對(duì)感知技術(shù)的特殊需求

1.多平臺(tái)感知

國(guó)家公園地形條件復(fù)雜、地貌形態(tài)多樣，單一、傳統(tǒng)的遙感監(jiān)測(cè)手段難以滿足復(fù)雜惡劣環(huán)境多尺度、連續(xù)性、整體性監(jiān)測(cè)和多要素信息異常智能感知的實(shí)際需求，因此人工地面調(diào)查和驗(yàn)證一直是林草資源監(jiān)管不可或缺的重要手段。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了“天—空—地—人”多平臺(tái)協(xié)同監(jiān)測(cè)理論研究。張良培等[6]提出了空天地一體化對(duì)地觀測(cè)傳感網(wǎng)理論，構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多傳感器資源的動(dòng)態(tài)管理、事件智能感知體系。曹林等[7]利用天空地一體化+物聯(lián)網(wǎng)傳感器監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)了森林生物與環(huán)境因子的全方位、長(zhǎng)時(shí)序監(jiān)測(cè)。因此“天—空—地—人”協(xié)同監(jiān)測(cè)技術(shù)在監(jiān)管信息提取與智能感知、異常變化識(shí)別等領(lǐng)域具有巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力。

2.多業(yè)務(wù)感知

林草濕荒等自然生態(tài)系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歲月形成的高度復(fù)雜而又十分精巧的生物體系，無(wú)數(shù)植物、動(dòng)物、微生物相互利用、相互依存，構(gòu)建起生生不息的食物鏈、生物鏈。對(duì)其監(jiān)管和修復(fù)治理也必將是個(gè)復(fù)雜工程，必須多要素或全要素精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)才能為耦合效應(yīng)科學(xué)分析提供基礎(chǔ)保障。

3.多時(shí)相感知

林草、有害生物、火情、生態(tài)環(huán)境等的發(fā)生發(fā)展規(guī)律和生育周期各不相同，其感知的時(shí)間分辨率差異懸殊，如林火要求秒級(jí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，而林木生長(zhǎng)可以年來(lái)考量。這種周期性、間斷性或連續(xù)性業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)監(jiān)管數(shù)據(jù)獲取是林草時(shí)空信息采集的重要特點(diǎn)。

4.多尺度感知

就活立木而言，目前各業(yè)務(wù)部門(mén)管理粒度有單木（古樹(shù)名木、松材線蟲(chóng)罹病木）、塊狀林、片林、林分、群落等空間尺度的巨大差異。當(dāng)然從森林經(jīng)營(yíng)的角度來(lái)講，小班是森林經(jīng)營(yíng)管理的最小單元。

總之不同類(lèi)型傳感器的協(xié)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(lèi)開(kāi)發(fā)利用活動(dòng)往往具有特定的時(shí)間周期、生長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)或其他時(shí)空特性，必須實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測(cè)并動(dòng)態(tài)獲取數(shù)據(jù)，才能滿足精準(zhǔn)管理需求。隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，多傳感器協(xié)同動(dòng)態(tài)感知一定會(huì)成為人工智能的發(fā)展方向，多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合也是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。2020 年，國(guó)家林業(yè)和草原局啟動(dòng)以生態(tài)資源監(jiān)測(cè)、生態(tài)災(zāi)害預(yù)警防控為重要內(nèi)容的“生態(tài)感知”建設(shè)，已經(jīng)成為林草行業(yè)數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和生態(tài)數(shù)字化服務(wù)保障的目標(biāo)之一，也是形成科學(xué)布局、高效便捷、先進(jìn)實(shí)用、穩(wěn)定安全的林草數(shù)字化體系的重要牽引[8]。

四、國(guó)家公園場(chǎng)景變化預(yù)警感知系統(tǒng)研制

遙感、導(dǎo)航、GIS 等時(shí)空信息技術(shù)是我國(guó)國(guó)家公園時(shí)空動(dòng)態(tài)信息獲取的重要手段。其中遙感技術(shù)可用于測(cè)定資源的空間分布、狀態(tài)信息、時(shí)間變化，反演其物理參數(shù)；北斗技術(shù)可用于資源的空間定位和信息傳輸；GIS 技術(shù)可用于時(shí)空信息的綜合分析、評(píng)價(jià)和管理。基于北斗三號(hào)和地基攝像機(jī)構(gòu)建的野外固定位置場(chǎng)景變化預(yù)警感知系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)異常目標(biāo)物（如動(dòng)物、人、鳥(niǎo)類(lèi)等移動(dòng)物體的活動(dòng)，以及植物葉片變色等靜態(tài)變化）的圖像采集、圖像壓縮、圖像傳送、圖像解壓，滿足邊遠(yuǎn)區(qū)域的無(wú)人化預(yù)警監(jiān)測(cè)服務(wù)需求。

1.系統(tǒng)構(gòu)成

國(guó)家公園場(chǎng)景變化預(yù)警感知系統(tǒng)以北斗三號(hào)短報(bào)文數(shù)據(jù)通信為基礎(chǔ)，結(jié)合高倍率圖像壓縮、邊緣計(jì)算處理、云平臺(tái)處理等遙感和GIS 最新技術(shù)成果，可實(shí)現(xiàn)對(duì)固定場(chǎng)景內(nèi)景物變化的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)智能監(jiān)控，圖1 為系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖1 國(guó)家公園場(chǎng)景變化預(yù)警感知系統(tǒng)框架圖

本系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，即前端野外數(shù)據(jù)采集組件、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)短報(bào)文數(shù)據(jù)傳輸和后端數(shù)據(jù)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(yáng)能板+電池，內(nèi)置嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器的數(shù)據(jù)處理終端，可日夜全彩、晚間自動(dòng)補(bǔ)光的移動(dòng)偵測(cè)（僅拍照不錄像）攝像頭，滿足惡劣環(huán)境工作要求的北斗數(shù)傳發(fā)送終端，以及立桿、機(jī)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(jiàn)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(shù)傳接收終端、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)管理與服務(wù)平臺(tái)等構(gòu)成。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)圖像的準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸。

2.系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要工作流程分以下幾個(gè)步驟。

· 場(chǎng)景內(nèi)有異常目標(biāo)物后，智能啟動(dòng)圖像抓拍操作。

· 選擇圖像并確定裁剪比例和壓縮率。

· 確認(rèn)圖像發(fā)送后，發(fā)送終端內(nèi)置的壓縮庫(kù)將圖片分割為N 包，并通過(guò)北斗三號(hào)短報(bào)文發(fā)送到后端。

· 后端接收數(shù)據(jù)包后，通過(guò)壓縮庫(kù)解壓并實(shí)時(shí)顯示最新圖像效果。由于采用漸進(jìn)式傳輸方式，故在收到2 ～3 包數(shù)據(jù)后就能看清“異常目標(biāo)物”大概輪廓，且收到數(shù)據(jù)包越多則越清晰；在接收數(shù)據(jù)的后期即使丟掉1 ～2 包數(shù)據(jù)也不會(huì)對(duì)圖片質(zhì)量造成較大影響。

智能預(yù)警監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、處理和分析流程見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)據(jù)流程圖

3.系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

系統(tǒng)采用了圖像的高時(shí)效識(shí)別技術(shù)，可在收到2 ～3 包數(shù)據(jù)后就能看清目標(biāo)大概輪廓，收到數(shù)據(jù)包越多則越清晰，能分層次滿足用戶(hù)對(duì)圖像質(zhì)量的要求；其次應(yīng)用分包傳輸?shù)膱D像漸進(jìn)式顯示技術(shù)，可最優(yōu)化利用寶貴的信道帶寬，實(shí)現(xiàn)窄帶寬下抗誤碼、高壓縮比圖像傳輸比，極大提高圖像數(shù)據(jù)的傳輸能力和效率；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的短報(bào)文功能保障了廣袤且偏遠(yuǎn)林草濕荒分布區(qū)域的準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，為快速、精準(zhǔn)監(jiān)管提供了技術(shù)支撐。

五、應(yīng)用潛力

國(guó)家林業(yè)和草原局正在進(jìn)行國(guó)家公園感知監(jiān)測(cè)的頂層設(shè)計(jì)，并著手制定統(tǒng)一的國(guó)家公園感知監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系，開(kāi)展旗艦物種跟蹤識(shí)別技術(shù)攻關(guān)，提升精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)保護(hù)能力，建設(shè)最高水平、最先進(jìn)技術(shù)的國(guó)家公園感知監(jiān)測(cè)體系，進(jìn)而拓展到全林草行業(yè)。無(wú)信號(hào)或弱信號(hào)區(qū)域的野生動(dòng)植物、人類(lèi)活動(dòng)、生物入侵、植被生長(zhǎng)脅迫、火情隱患等的一體化智能監(jiān)測(cè)，是國(guó)家公園監(jiān)管體系建設(shè)的重要內(nèi)容，更是未來(lái)應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境少人化（或無(wú)人化）野外值守發(fā)展趨勢(shì)的解決方案。基于北斗三號(hào)短報(bào)文通信功能，將外業(yè)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、異常事件等預(yù)警信息及時(shí)傳到管理中心，既彌補(bǔ)了現(xiàn)有通信手段的局限性，又可擴(kuò)大監(jiān)管范圍，減少管控盲區(qū)，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(yè)生態(tài)建設(shè)與保護(hù)北斗示范應(yīng)用系統(tǒng)”的國(guó)家公園或自然保護(hù)區(qū)準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)管類(lèi)數(shù)據(jù)匯集、分析、管理與服務(wù)功能。

圖4 自然保護(hù)區(qū)即時(shí)數(shù)據(jù)通導(dǎo)遙綜合服務(wù)系統(tǒng)

六、結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多年的創(chuàng)新與發(fā)展，以遙感、GIS 和GNSS 為核心的時(shí)空信息技術(shù)迅猛發(fā)展，極大地?cái)U(kuò)展了人類(lèi)對(duì)生存環(huán)境的感知、認(rèn)知與管控能力，為林草濕荒資源時(shí)空信息技術(shù)的集成研發(fā)與應(yīng)用提供了良好技術(shù)基礎(chǔ)。推動(dòng)時(shí)空動(dòng)態(tài)信息與國(guó)家公園主責(zé)主業(yè)的深度融合，必將是國(guó)家公園體系建設(shè)和本土化發(fā)展重要舉措。只有加大時(shí)空信息技術(shù)的研究與應(yīng)用力度，才能確保高質(zhì)量的時(shí)空信息、高層次的時(shí)空分析和高水平的時(shí)空賦能，才能實(shí)現(xiàn)“全地域、全方位、全時(shí)域、全要素”的感知，才能破解“動(dòng)態(tài)感知－精準(zhǔn)認(rèn)知－智慧管控”的技術(shù)難題，也才能滿足數(shù)據(jù)保障實(shí)時(shí)化、調(diào)查監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)化、監(jiān)管服務(wù)知識(shí)化、決策治理智慧化[2]的國(guó)家公園建設(shè)需求。