基于“北斗二号”的武陵山片区林业监控管理研究

陈生海，丁建群

（怀化学院电气与信息工程学院，湖南怀化418008）

基于“北斗二号”的武陵山片区林业监控管理研究

陈生海，丁建群

（怀化学院电气与信息工程学院，湖南怀化418008）

北斗二号卫星导航系统是我国自主建设的全球卫星导航通信系统，可为全球用户提供全天候、全天时的卫星导航信息和通信服务.随着北斗系统民用应用的日益广泛和深入，现有的运营模式已逐渐不能满足用户需求.本文通过对森林防火的需求分析，研发了基于北斗二号导航定位系统、地理信息系统和无线传感器网络的林业监控管理系统，实现了实时监测林区和预防森林灾害的发生及科学扑救的功能.

北斗二号；地理信息系统；林业监控管理；森林防火

1 引言

武陵山片区林业资源十分丰富，森林覆盖率高，且物种多样性丰富，同时也为林业的监控管理带来了很大的挑战和困难.森林是自然界功能最完善的资源库、基因库、蓄水库和能源库，对维持陆地生态环境，维持生态平衡起着重要的作用[1].因此，对森林资源的调查和监测以及森林灾害的监测和防治应该得到高度的重视[2].建设林业资源监测调查系统是基于我国森林与自然环境监测工作的需要，能有效的提高林业资源管理水平，实现林业资源可持续发展，建立林业资源监测体系是改变以往传统的资源及管理方法，减少繁重体力劳动的需要，是保证林业经营单位实现各项生产经营目标的需要[3].

基于“北斗二号”卫星导航定位系统的林业监控管理系统是“北斗”系统基于武陵山片区林业实时监控管理等方面的业务需求，在森林防火、禁止乱砍乱伐、害虫监测、森林沙漠化监测等方面能够发挥监控管理和指导作用，为相关林业部门提供各种监测管理服务；为各级林业监管部门进行实时调度和重大决策提供科学的数据信息支持，一旦发生火灾、虫灾、乱砍乱伐等突发事件时，能迅速预警、定位灾害中心，实施紧急减灾措施[4].

2 系统总体设计

该监控管理系统是建立在北斗卫星导航定位系统、数据信息处理中心和林业部门森林防火办公室林火监测网络基础之上，使用了基于互联网技术的地理信息软件和数据库软件，通过北斗卫星通信链路方式，向各监测站和监测终端等发布各种命令，包括上传数据指令、重置参数指令、短消息、指挥调度指令等等，来对各监测终端进行监控管理，而且也可以通过北斗收发机按一定时间间隔（数据的采集频率是设置好的，监测过程中可以做相应修改）将监测终端采集到的各种温度、湿度、烟雾浓度、光亮度等数据和位置状态信息传送到监控指挥中心，与计算机上的卫星遥感图像和电子地图匹配，在电子地图上显示坐标点的位置，清楚、直观地显示各种状态信息以及数据信息.基于“北斗二号”的林业监控管理系统的示意图如图1.

根据图1可知林业数据采集系统、数据传输与通信系统、综合应用服务系统和一个数据库系统组成了整个林业监控管理系统.通过四大子系统有机的组合级联保证了整个管理平台的正常运行.林业监测管理系统的总体架构如图2.

整个监控管理系统的运行如下：监控指挥中心通过VPN传输通道和北斗卫星地面主控站进行连接从而获得由卫星地面主控站推送的北斗卫星相关通讯信号，通过北斗卫星用户机群的叠加实现地面运营中心的北斗卫星信号的上行通信，同时通过和公用移动通信网络网关的级联提供卫星通信和移动通信的互联互通.此外，所有监控管理系统架构内的北斗应用服务系统，包括相关车辆和人员调度管理等，也都将通过网络与监控管理平台进行相连，从而获得监控管理系统所需要的各种有效信息和数据.

3 子系统的组成及配置

3.1 林业数据采集系统

系统的组成结构如图3.林区的实时监测网主要由无线传感器网络、手持采集终端、车载型采集终端以及机载型数据采集终端组成.

对于林业监测报警系统来说，当有火情发生时，最重要的是能有效地传递火灾预警信息.因此，无线采集传感器应采取多点布配形成网状结构网络.通过布放在林区中的大量传感器来全方位的监测林区中的各种信号，包括温度、湿度、烟感、光照强度等，将数据采集端采集到的温度、湿度、烟感、光照强度等数据现场数据化，再通过RS-485串行通信接口传给相应的处理器，这也是整个网络监测系统的关键所在.串口通信模块将采集的数据按北斗卫星传输格式要求进行编码转换，经另一个RS-232接口将数据发送给北斗收发模块，北斗收发模块将数据经卫星传给卫星地面总站，卫星地面总站将最终数据通过卫星传输至监控中心主机，通过光纤网络传送至信息中心，同时实现精确定位功能.

图1 基于“北斗二号”的林业监控管理系统示意图

图2 林业监测管理系统的总体架构图

图3 林业数据采集系统结构图

3.2 数据传输与通信系统

3.2.1 系统功能

1）数据实时传送与分发

采集终端采集到数据后传输给北斗卫星，北斗卫星将数据传送给地面主控站.地面主控站进行分析处理后再将数据通过北斗卫星发送到相应林业监控室的指挥机；同时将所有数据通过地面链路发送至监控中心.

2）远程参数配置

地面主控站通过逆向流程将监控中心发出的远程终端配置指令通过卫星发送到相应北斗接收机，由北斗接收机传送给数据采集终端，进行系统识别码、时间参数、采集频率等参数的修改.

3）传送指挥调度指令

当有紧急事件或是林业灾害发生时，监控中心结合采集到的数据信息以及数据库中的预测模型等采取紧急措施，及时下达救援指令.通过地面总站——北斗卫星——救援队，或是通过移动网络等指挥救援工作.

3.2.2 系统结构与组成

如图4所示，数据传输系统主要由北斗信号接收模块、北斗信号发射模块、移动通讯模块、增值服务模块和通信、应用服务及管理模块等五大模块组成.

3.3 数据综合应用系统

数据综合应用系统由数据分析处理模块、数据显示模块、数据存储模块、数据应用工作站、网络级联器、网络安全设备、数据交换机等组成.

数据综合应用系统结构图如图5，该系统功能：1）进行数据存储

林业数据库分为基础空间地理数据库、专用数据库、应用模型数据库和元数据库.将接收到的数据按照一定的格式进行入库存储.

2）监测设备的状态监控

对终端采集设备的运行状态进行监控通过基于地理信息系统的接口界面实现.当超过设置的最大时间门限，仍没有数据传送时，则发送状态查询指令，监测设备状态是否正常.出现异常时，进行实时定位、维护.

3）远程参数配置

当发现传送来的数据无法满足要求而需要更改采集频率时，即对采集终端发送重设采集频率指令，实现远程的参数配置；当发现采集终端的时间超过偏差最大上限时，即发送授时指令，对远端设备的时间进行重置，实现远程参数的配置.

4）建立林业数据库

负责对实时林业数据进行报文识别、报文格式检查、要素译码和质量控制等相关数据进行预处理工作.按照所属不同的数据种类分类进行林业数据组织和管理，建立林业数据库.

5）数据查询和实时数据显示

对数据库中的数据进行历史数据查询和实时数据显示，生成指导性的量化数值，是林业数据与预报保障人员的接口，为监测人员提供多种直观形象的可视化数据分析结果，提高林业数据的利用效率.

6）数据变化分析

图4 数据传输系统结构与组成图

图5 数据综合应用系统结构示意图

灾害背景诊断分析，了解全省或区域性的预报对象的时空分布、变化规律、数据异常及突变，为灾害预测提供背景知识.

7）救援

指挥救援中心在获得了灾害信息和精确的灾害地点后，将火情具体情况和扑火队伍动态显示，并根据火灾地区的地形、生态、天气等情况应用科学的分析模型对火灾蔓延情况做出事实预测，以更好的实现远程指挥救援.

4 系统工作模式

对森林防火监测来说，对林火事件的反应速度是第一位的，这样才可把火灾的损失降到最低．在平常的工作中，应该本着预防监测为主的原则，这主要根据气象条件和防火区划来确定火险天气.相关的林业部门通过由系统监控指挥中心转发的无线传感器网络采集的各种温度、湿度等信息，结合防火区划图，可以给火险预报模型提供输入参数.最终计算出的火险天气等级，然后一级一级地传递给相关的负责人员，这样各级部门根据火险天气等级可以提前做好准备工作.

当发现火灾后，后台监控指挥中心立即根据目前掌握的火灾情况，制定应急方案.并向防火队员下达灭火通知，防火队员配备北斗系统卫星移动终端根据实时接收到得指令进行灭火任务，并根据接受到的数据需求向监控中心实时发送所需的信息数据.指挥人员通过接受到的数据，根据相应的模型，做出科学合理的分析和指挥，在最短的时间里扑灭大火，并预防在灭火过程中的突发事件和无法预测的危险.

监测指挥中心的软硬件主要包括大屏幕显示器、GIS数据库、监测终端、现场实时信息数据库等.系统面向各个部门的服务项目包括：监测预警、应急调度、决策分析、移动信息处理等.当灾害发生时，为了使现场救援指挥工作的顺利进行，通常搭建现场应急指挥中心实现与后方监控中心的联动，依托救援指挥系统的硬件设备：装备车、应急指挥车、北斗卫星通信车、救援直升机等，构建海陆空“三位一体”的立体指挥调度系统，实现与决策层的联动指挥.

5 结语

针对武陵山片区林区面积大，移动通信覆盖不全的问题，北斗导航定位系统为此提供了良好的解决方案.利用北斗导航系统提供定位和通信功能，将其应用于森林防火中，它不仅可以解决甚高频或超短波通信中的通信有效距离受限制的问题，还可以为防火队员提供高精度的位置信息，实现定位导航，有效解决了林区人员定位、前线队伍与后方指挥部们的盲区通信问题，极大地提高了森林防火指挥调度能力.该系统可在森林火灾发生时，利用该系统提供的辅助决策功能，制定合理的扑火方案，实现扑火力量的最优配置，缩短扑火出动时间，提高扑火效率，尽可能最大限度的降低森林火灾造成的损失.

[1]何诚，刘柯珍，李艳云，等.北斗卫星导航技术在森林防火中的应用[J].森林防火，2016（2）：31-33.

[2]曹轩.北斗定位在林业行业应用技术探究[J].电子测试，2014（12）：93-94.

[3]李涛，姚树林，谢国钧.北斗导航森林防火监控平台系统[J].绿色科技，2015（11）：234-237.

[4]陈俊，张雷，王远飞.基于北斗和GPS的森林防火人员调度指挥系统[J].软件，2012，33（2）：27-30.

[5]胥小武，田丰.基于CC2430的TinyOS系统移植开发[J].沈阳航空航天大学学报，2009，26（5）：83-86.

Study on Forest Monitoring andManagement System in Wuling Mountain Area Based on Compass II Satellite Navigation System

CHEN Sheng-hai，DING Jian-qun
（College of electrical and information engineering，Huaihua University，Huaihua，Hunan 418008）

Compass II satellite navigation system is the construction of autonomous global satellite navigation and communication system that can provide global all-weather，all-time satellite navigation information and communication services.With the civil applications of the compass system increasing breadth and depth，the existing business model gradually can not meet customers’needs.Based on the analysis of the demand of forest fire prevention，this paper developed a forestry monitoring and management system based on Compass II navigation and positioning system，geographic information system and wireless sensor network to realize the function of real-time monitoring of forest area and prevention of forest disaster and scientific fighting.

Compass II；geographic information systems；forestry monitoring and management；forest fire prevention

TN99

A

1671－9743（2017）05－0046－04

2016-12-19

怀化学院科研项目（HHUY2017-05；ZNKZ2017-3）.

陈生海，1989年生，男，湖南怀化人，助教，硕士，研究方向：移动通信技术.