● 文| 中国林业科学研究院资源信息研究所 刘鹏举



北斗林业示范应用框架与技术

● 文| 中国林业科学研究院资源信息研究所 刘鹏举

林业作为生态建设的主体，肩负着建设和保护森林生态系统、保护和恢复湿地生态系统、治理和改善荒漠生态系统以及维护生物多样性的重要职能。截至2014年，全国荒漠化土地面积261.16万平方千米，占国土面积27.20%；沙化土地面积172.12万平方千米，占国土面积17.93%；有明显沙漠化趋势的土地面积30.03万平方千米，占国土面积3.12%。截至2015年，林业系统保护区总数达2174处，总面积1.25亿公顷，占全国国土面积的12.99%。

我国林业管理对象多、分布范围广、地域分布特征明显，林业管理存在盲区多、效率低、应急反应能力弱等问题。卫星导航技术主要用于林业资源调查、野外巡护、林火扑救指挥等方面，对于提高林业管理水平、保护生态安全、提供丰富生态产品发挥了非常重要的作用，用户量已达10万以上，并在迅猛发展。

一、林业卫星导航应用需求

林业部门涉及林业资源监管、综合营造林管理、灾害监控与应急、公众服务四大职能，涵盖13类业务。北斗卫星导航定位技术具有导航通信一体化的特点，可以为林业四大类业务的机械化、信息化、科学化提供支撑。其中林业资源监管、森林防火监控与应急指挥、野生动植物保护3个业务应用卫星导航技术，具有基础性、应用迫切性和带动性的特点，选择这三个业务进行北斗示范应用，有利于北斗在林业的全面推广。

林业资源监管是林业工作的基础，包括森林资源监管、荒漠化与沙化土地资源监管、湿地资源监管和生物多样性资源监管。森林资源监测是森林资源管理的重要基础，其目的是为加强森林资源管理和监督工作，是开展森林资源监管、综合营造林管理、林业灾害监控和应急管理以及社会公共服务等各项管理和生产活动的基础性工作。该业务对卫星导航的需求主要为野外调查与勘界测量，这与营造林管理、林业生态工程管理及集体林地林权服务等业务对卫星导航应用需求很相似，具有很强的代表性。在森林资源管理保护中应用手机型卫星导航终端，可以有效提高林场对护林人员的监管、了解日常护林防火巡护情况，避免由于通信不畅导致重要信息无法及时上报等情况的发生。监控中心通过定位考勤系统，对所有护林员的出勤情况、巡护路线、方位、地理坐标等信息便了如指掌。利用北斗系统,结合护林员的巡护报告，运用计算机管理系统，详细准确地记录护林员巡护位置和巡护区域所发生的事件，使责任区得到动态管理，森林资源安全得到有效保障，林政案件逐年大幅度下降，森林火灾受害率和森林病虫害成灾率均明显下降。生态环境明显改善，林分质量明显提高，野生动物种类明显增多，充分显现森林的社会、经济、生态三大效益，使护林员真正成为“森林卫士”，真正成为“七个员”：清除火灾隐患的防火员、森林病虫害的预报员、林政资源管理的信息员、维护林地安全的治安员、野生动物保护的宣传员、科技入户的技术员、林权纠纷的调解员。

森林防火监控与应急指挥是主要的森林资源保护措施，在国家生态保护和防灾减灾中具有重要的地位，该业务对卫星导航的应用需求主要为野外巡护与应急指挥，具有应用范围广、数量大、场景多等特点，卫星导航应用十分迫切，且该业务对卫星导航的应用需求与其他林业灾害监控和应急管理业务以及森林旅游业务相似。在森林防火监控和应急指挥系统中应用具有北斗短报文通信功能的北斗3S+C型与应急指挥型终端，具有卫星通信无地域限制、远程通信、经济实用等特点，能够解决森林防火监控和应急指挥中通信盲区多、火点定位难、上报不及时等难题，保障森林消防队伍灭火作战时能够及时采集和传输火场信息，实现各级指挥员与火场一线人员语音、数据通信，并随时跟踪掌握扑火队伍定位信息，确保指挥通信不间断，达到“火场通”、“动中通”的目的。

野生动植物保护对卫星导航的应用需求主要为野生动物跟踪监控、野外调查、巡护，具有独特的卫星导航应用模式；同时由于监测跟踪的物种多样、形态各异，将会成为另一个林业应用卫星导航的重要方面，具有卫星导航应用的广阔前景。在野生动植物保护方面，通过建立自然保护区，实现了对珍贵的、稀有的动物资源，以及代表不同自然地带的自然环境生态系统的保护。要想保护这些珍稀动物，不仅要进行环境保护，还要了解动物的活动范围，跟踪它们的行迹。应用卫星导航跟踪设备，可以及时了解野生动物活动的情况，避免人和野生动物的冲突，对于保护稀有动物族群非常重要。

我国林业分布范围广、自然环境多样，空间跨度巨大，在峡谷地带、林冠层厚度较大或郁闭度0.8以上的林区，卫星导航定位信号较易受到影响，需要环境适应能力强的高精度终端产品。同时，林业资源多分布于人迹罕至的通信盲区，当遇到森林火灾等紧急情况，由于缺乏有效通信手段会延误救火时机，同时影响指挥扑救效率与效果；在巡护员遇到危险时，缺乏应急救助信息的快速传输，缺乏和家人通信的有效通信手段。另外在通过传感器监测森林状况时，也需要有效的信息传输以定期获得监测数据，实现灾害的预测预报。

由于林业特殊的应用环境和工作状态，对北斗终端的精度、集成度、成本、功耗、三防等性能有独特的要求，目前仍缺乏适合林业应用的专用终端。为加强北斗导航与林业业务融合，需要梳理各业务与北斗导航应用的关系及要求，解决业务流程中遇到的实际问题，针对应用需求，结合现有技术、产品基础，研制适合林业业务应用的北斗林业专用终端，为北斗导航在林业规模化应用奠定装备基础。

作为我国自主研制的卫星导航系统，北斗系统具有导航通信一体化的应用优势，能够满足我国林业应用范围广、数量大、精度需求多样、终端应用环境复杂的要求，具有广阔的应用推广前景。因此，北斗林业应用示范工作需要以林业信息化规划与《国家卫星导航产业中长期发展规划》为指导，设计和开发符合林业需求的北斗终端，开展林业资源监管、森林防火监控与应急指挥、野生动植物保护与管理等典型应用，建设林业北斗应用综合服务平台，在示范区开展应用示范，探索北斗系统林业应用的新模式，带动北斗系统在林业的全面推广应用。

二、林业北斗应用示范框架

林业北斗示范建设充分借鉴“北斗+”和“互联网+”思维，将北斗示范应用工程建设和林业行业现有的信息化建设的设施、数据、平台、应用系统相结合，遵循“资源整合、共享共建，技术推动，便于推广”的建设思路，集成卫星导航、云计算、移动互联网、大数据、物联网等先进技术，广泛利用各种资源，依照行政推动与市场运作相结合的机制，发挥各方优势，采用典型示范引路、以点带面、整体推进的建设策略，实现北斗在林业的规模化应用，提高林业资源监管能力和信息化水平。

林业生态建设与保护北斗示范应用系统的总体架构与全国林业信息化建设纲要相一致，采用“四横两纵”式的体系结构。系统总体架构如图1所示。

图1　林业生态建设与保护北斗示范应用系统总体架构图

北斗林业综合应用服务平台为北斗系统在林业应用中提供基础地理数据与空间信息服务、数据采集与汇集、数据存储与展示、综合通信服务、综合信息服务、数据共享与交换、应用服务管理等服务。

通过对已建国家和示范省相关林业资源信息服务和将研建的北斗林业各类服务进行有机整合，使北斗系统与各类林业应用无缝集成，形成北斗林业应用综合管理服务平台，为北斗林业业务应用系统的建设提供所需的资源共享、信息交换、业务访问、业务集成、流程控制、安全管理、应急保障和系统管理等各种基础性和公用性的支撑服务，同时也是应用系统开发、部署和运行的技术环境。

综合应用服务平台是北斗林业示范应用建设的重点，在构建一体化云端服务平台的基础上实现四类通信的融合；以北斗林业应用智能终端为平台构建面向森林资源监管、森林防火与应急、野生动植物保护的多功能智能终端；通过政务外网实现国家与示范省的联动管理，向政府、企业以及个人提供林业信息(生态)服务。示范业务系统的建设以公共服务平台所提供的各类服务为基础，根据业务管理需求，采用B/S架构进行开发和建设。

综合应用服务平台以云平台系统为基础构架，平台自底向上分为四层：采集感知层、基础设施层、平台支撑层和应用开发层，如图2所示。

三、林业北斗导航示范建设主要技术与策略

林业北斗示范建设主要技术包括应用模式、综合服务平台建设、终端建设三个方面内容。

图2　北斗林业综合应用服务平台系统架构

1．林业北斗应用模式

林业北斗应用示范主要包括林地年度更新系统、生态公益林巡护管理系统、林火巡护管理系统、林火应急指挥系统、保护区巡护管理系统共五个业务。该业务按照应用模式可分为三类，分别是调查勘测类、巡护监管类、应急指挥类。

（1）调查勘测类应用

调查勘测类应用包括森林资源、湿地资源、沙化与荒漠化土地资源、生物多样性保护等业务定期开展的全国性调查以及专项调查；各类林业作业设计调查及林权勘界调查。该类业务对终端定位精度要求高、实时性要求不高、平台依赖度低、前端功能要求高，需求迫切。要满足该类需求涉及北斗卫星导航系统、北斗林业终端、地基增强系统、林业业务网以及移动通信网络等。利用北斗地基增强系统及差分技术，提高北斗林业专用终端的定位精度。业务系统一般采用CS/BS混合架构，需要强大的终端APP调查因子输入与数据采集功能，平台应用需要数据汇总、数据检查分析、报表统计、专题图制作等功能支持。该类业务开展需充分利用多种精度增强技术与服务，建立数据采集与交换接口规范，规范APP数据采集与各级平台数据传输、交换、分析共享服务。

（2）巡护监管类应用

巡护监管类应用包括生态公益林巡护、野生动植物保护巡护、森林防火巡护等各类业务。该类业务对终端定位精度要求不高、实时性要求较高、平台依赖度高，系统安全要求不高，应用数量大。该类应用一般采用基于Web服务架构，终端APP应用功能简捷，需要提供简单数据采集、报警等功能，平台提供终端监控与接警分发等功能，适合集中统一数据管理与分析。该类业务开展需构建基础地理数据共享与大数据管理服务，统一规范APP采集传输接口。

（3）应急指挥类应用

应急指挥类包括森林防火应急指挥、林业有害生物防治管理、野生动物疫源疫病监控、沙尘暴灾害应急和监测管理等业务。该类业务对终端定位精度要求不高、实时性要求高、平台依赖度高，系统安全要求高，需求迫切。业务系统一般采用基于专用网络Web服务架构，客户终端（APP）应用简捷，主要支持简单数据采集与实时通讯功能；平台需要强大网络通信集成能力、平台数据管理与分析功能。该类业务开展需以现有应急平台系统为基础，集成服务平台基础数据共享与终端应用，规范APP数据采集与命令传输接口规范。

2．综合服务平台

林业北斗导航综合服务平台以云平台框架为基础，实现基础地理数据、林业专题数据、终端采集数据的统一管理与共享。服务平台具有来源数据多样、数据量大、用户量大、通信多样、安全需求多样的特点，需求迫切。通过采用集中管理的云服务架构，集成已有数据资源与网络服务，采用统一门户与分级管理，规范数据共享交换接口与规范，构建开放的公共资源共享与管理服务、高精度导航服务、综合通信服务，在此基础上实现林业的位置信息服务，同时为各业务应用系统提供高效的数据共享与分析服务。综合服务平台采用国家、省两级架构，实现数据的交换与共享。

3．终端建设

（1）总体原则

林业北斗终端涉及林业应用的多种场景，具有需求多样，对精度、通信、耗能、便携性、环境适应性要求明确的特点。终端建设采用硬件型谱统一制定、数据采集与传输接口统一规范、产品统一测试、统一招标与自主采购相结合的原则。

（2）设计方案

林业北斗终端设计为林业应急指挥型、林业手持型、林业车载型、林业勘界测量型、林业微型共5类型谱（见表1）。

表1　林业终端型谱功能表

四、总结与展望

建设生态文明是时代赋予林业的新的历史使命,迫切要求林业发挥更大的作用。加快林业信息化,带动林业现代化,离不开以北斗卫星导航技术为支柱的高新技术的支持。

北斗在林业的应用推广需要通过标准制定、综合平台搭建、终端研发解决应用标准、技术、平台等限制性因素；通过制定的资金、项目配套政策鼓励推动终端采购，从而实现北斗导航终端的规模化应用，降低终端价格，实现北斗卫星导航技术在林业的大规模应用。

北斗卫星导航系统在林业的应用，首先，需要与移动通信、网络技术、GIS等信息技术的融合才能提供更好的服务。其次，信息技术只有融入到林业业务的各个环节，才能真正提高林业资源监管与公共服务能力，使林业发展离不开卫星导航。最后，通过建立北斗导航国家—省—市多级林业综合应用服务平台，提供北斗的业务服务和增值服务。集成多种共享资源，如基础地理数据、遥感、林业专题、网络、通信、云计算；开发业务服务系统与终端APP，以综合应用平台为支撑，根据业务需求，建设国家、省、市、县连通的多级业务系统是解决与业务融合的关键。

随着北斗卫星导航系统的日渐完善,北斗卫星导航系统在林业生态保护与建设中还可以发挥很多作用，只要使用者发挥想象力，研发人员发挥创造力，插上想象的翅膀，北斗系统独特的技术优势在林业行业一定会有更大的作为，北斗卫星导航系统的应用可以飞得更高。