基于北斗位置服务的森林管护及系统研发

胡 鸿，杨雪清，吴东亮

（1.国家林业局 调查规划设计院，北京 100174；2.北京联合大学，北京 100101）

基于北斗位置服务的森林管护及系统研发

胡 鸿1，杨雪清1，吴东亮2

（1.国家林业局 调查规划设计院，北京 100174；2.北京联合大学，北京 100101）

长期以来，我国卫星导航应用过渡依赖 GPS，风险巨大。近年来，国家大力支持并积极推动我国自主研发的北斗卫星导航系统的应用。与此同时，我国林业对卫星定位导航的需求也日益增加，采用自主知识产权的北斗卫星导航系统符合目前我国林业的要求。以基于位置服务的理念，采用北斗卫星导航技术，结合森林管护业务流程，研发出新型的森林管护管理系统。该系统将定位导航等位置服务融入到日常管护人员的工作中，完成诸如电子围栏、有效管护、定点打卡、巡护路线、巡护轨迹、以及管护考核等一系列新的管理模式，有效地防止森林管护不规范、不到位等问题的发生，实现对森林管护工作的精细化管理，加强对森林管护的检查与监督力度，提高了森林管护工作的效率和质量。

北斗卫星 ；位置服务； 森林管护 ；考核

北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用[1]。

近年来，国家大力支持兼容型北斗终端以及新技术的研发，积极推动北斗在交通、渔业、农业、林业等领域的应用。2012年9月发布的《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》提出要“发展北斗兼容型导航终端以及数字化综合应用终端等产品”。2013年8月，国务院出台《国务院关于促进信息消费扩大内需的若干意见》，再次将北斗产业、应用及基础设施建设指导意见等相关内容写入正式文件，明确指出要“加快推动北斗导航核心技术研发和产业化，推动北斗导航与移动通信、地理信息、卫星遥感、移动互联网等融合发展，支持位置信息服务（LBS）市场拓展”。

基于位置的服务（Location Based Service）简称位置服务，是利用定位技术获得移动终端的位置信息，并通过通信网络向移动终端提供与位置相关的信息服务，目的是可以随时（Anytime）、随地（Anywhere）为所有的人（Anybody）和事（Anything）提供实时的“4A”服务[2]。目前常见的定位技术主要有卫星定位、GPRS/CDMA移动通讯技术定位、WIFI网络定位等[3]。

我国林业正在推广和实施北斗卫星导航的应用，包括天保工程、退耕还林工程、长江中上游防护林工程、环京津防沙治沙工程、三北防护林工程、沿海防护林等建设工程。在各项工程中，森林管护是其中一项重要的工作，它涉及面广，用户量大，任务繁重。但是，目前采用的多为人工巡护的方式[4]，存在着森林管护工作的管理和考核不规范、不到位的问题[5]。因此，笔者提出一种基于位置服务的森林管护思路，结合研发一套新的森林管护管理与考核系统，以实现对森林的高效、科学管理。

1 基于位置服务的森林管护应用

1.1 电子围栏

电子围栏概念和实际应用来自欧美，电子围栏可分为安防电子围栏、畜牧业电子围栏和动物园专用电子围栏。目前，畜牧业电子围栏应用最为广泛的是澳洲，也是最先进的周界防盗报警系统，它由电子围栏主机和前端探测围栏组成，通过控制键盘或控制软件，可实现多级联网。

因此，在森林管护中，引用电子围栏的概念，特指为管护人员制定的管护责任区。管护责任区主要是根据林区森林资源状况和管护难易程度合理地划分出每个护林员的巡护区域，并与之签订管护责任书，明确责任，做好巡山护林、巡护记录，严格考核考勤和奖惩制度，将森林管护工作按人落实到山头地块，以便充分发挥监管与护林员的互动作用。

1.2 有效管护

有效管护是指护林员在巡护过程中，要求在自己所管护的森林区域（管护责任区）内巡查，除完成巡护任务外，需将每天的巡查情况上报。有效管护的具体实现用有效管护距离和有效管护时间来衡量。有效管护距离是在巡护过程中，要达到管护责任区内所指定的一些特定地点（定点），以避免巡护不到位；有效管护时间是指护林员在管护责任区内所花费的时间，即扣除了在管护责任区以外的时间。利用这两个指标可以确保管护的有效性。

1.3 定点打卡

“打卡”是目前企事业单位员工上下班用的一种工作考勤办法。由员工的考勤卡和门禁的磁卡机组成，磁卡机记录每人每天的上下班记录。

在森林管护中，借用“打卡”的概念，特指管护人员在巡护过程中的有效管护，即通过基于位置的服务，实现定点打卡，保证巡护区域最大，为森林管护考勤提供精确数据。

而“定点”的实现是根据给护林员划分的责任区和道路情况，可以事先规划出所要达到的关键点，并在关键点上按照顺序生成管护路线，以帮助护林员在一线巡护中定点打卡。

2 系统研发与实现

2.1 北斗森林管护系统

2.1.1 系统结构

系统由北斗综合服务平台、管护区区划子系统（桌面端）、巡护管理子系统（桌面端）和管护系统（移动端）组成，即

（1）北斗综合服务平台：主要是数据中心，为整个系统的数据集中处理、统计和展示；

（2）管护区区划系统（桌面端）：主要是管护责任区划、区划信息查询、管护人员信息管理和考勤数据统计等功能；

（3）巡护管理系统（桌面端）：主要是查看野外终端位置、报警、事件管理、管护人员信息采集和业务处理与等；

（4）管护系统（移动端）：主要是用于护林员巡护时所用，有地图导航、报警、事件上报、数据采集、轨迹查看、有效管护距离和时间等功能。

具体系统结构如图1所示。

2.1.2 森林管护系统流程

护林员手持终端获取北斗卫星经纬度数据[7]，实现将定位与数据采集（包括业务类型、事件描述、拍照视频等）、火警、巡护轨迹的绑定，并通过移动互联网实时将数据回传给北斗综合服务平台，并按照优先级作处理，一旦发现森林资源遭到破坏的情况，可将案发位置连同案件情况上报[8]，实现森林管护中的报警、事件以及数据采集的及时上报和基于位置的准确信息。系统后台实时定位与跟踪，做好应急反应与预案防止事态扩大和造成重大损失。同时，也防止监管巡护不到位等情况发生，增强对巡护工作的监管力度。

图1 北斗森林管护系统结构Fig.1 Systematic structure of forest management in Beidou application

具体流程如下：

（1）在森林管护区划子系统（桌面端）中绘制每个护林员的管护责任区和管护路线的关键点，进行统一编码。完成后上传给综合管理服务平台，并由移动端接收从平台接收各自的管护责任区与关键点；

（2）护林员手持终端从平台上获取自己的管护责任区与管护路线（包含关键点）。同时，也获取北斗定位数据与地图服务数据，如天地图。在巡护过程中，将报警、事件、数据采集、轨迹信息等数据上传。

森林管护系统流程如图2所示。

图2 管护业务流程Fig.2 Flow chart of management business

2.2 电子围栏的制作（管护责任区）

为了掌握森林资源现状，对森林资源的保护、培育、利用实行管理和监督，基层林业部门实行了管护责任区经营。

生成电子围栏的制作是在森林管护区区划子系统（桌面端），以每位护林员负责管护的林班为单元，有时也可以细分到小班，将它们进行合并，统一命名编号，成为电子围栏，即管护责任区。并将这一电子围栏以文件形式上传至综合服务平台，再由平台统一分发给护林员的移动终端。具体操作是在移动终端上一键获取。

2.3 管护路线规划（关键点）

管护路线规划是有效管护的具体实施，是在森林管护区区划子系统（桌面端）中，按照管护的顺序首先生成关键点，即护林员在巡护过程中必须达到的地点。如果将各个关键点按照顺序连接起来，可以形成一条管护路线[6]。通常这些工作是以遥感影像、管护责任区为依据，并按照护林员日常巡护的道路进行规划，以保证护林员的巡护范围最大程度地覆盖管护责任区，从而避免巡护时发生遗漏和路线重复等情况。

2.4 定点打卡

定点打卡分为两种方式：

第一种是自动匹配。在到达关键点附近后，护林员手持终端获取关键点坐标，并上传至平台。

第二种是手动打点。到达关键点附近后，护林员手持终端主动触发关键点上传功能，将获取的坐标与关键点匹配，上传至平台。

这两种方式各有优缺点，自动匹配有时会出错，造成误判；手动打点不会出错，但需要人为操作。

2.5 有效管护距离和时间计算

护林员使用手持终端开始巡护后，系统自动开始记录距离和时间，并将数据上传给综合服务平台或者巡护管理子系统（桌面端），再对该护林员的轨迹进行判断，是否落在其管护的责任区内。

2.5.1 有效管护距离

森林管护手持终端以每5 s的间隔采集手持终端移动的北斗卫星定位坐标，并通过大圆劣弧求距离判断是否在过滤区域内。如果是，则累计有效距离并结束。否则，返回舍弃该距离。

上述算法包含了一个距离过滤机制，即如果护林员没有移动或者移动距离很短，都会过滤点，这个过滤距离系统设定为100 m。

设S为总距离（m）；Si为第n次采集的距离；Smax为单次采集有效距离最大值（m）；n为过程采集次数，等于T/5秒（系统以5秒为一个间隔）；T为总时间（秒）；（xn，yn）为第n次采集的大地坐标。

因此，

其中：

有效管护距离的算法流程如图3所示：

图3 有效管护距离流程Fig.3 Flow chart of effective management distance

2.5.2 有效管护时间

护林员使用手持终端开始巡护为起始时间，选择结束巡护记为结束时间。有效时间是在管护责任区内巡护起始时间与结束时间的间隔为有效时间。

设T为为总有效时间（秒）；Ti为某一有效距离的起始时间；T′I为某一有效距离的结束时间。

有效管护时间流程如图4所示。

图4 有效管护时间流程Fig.4 Flow chart of effective management time

3 森林管护案例分析

3.1 电子围栏（管护责任区）

电子围栏，即管护责任区，当在管护区区划子系统（桌面端）中制作完成后，在综合服务平台可以展示，护林员手持终端下载保存，以便护林员在巡护过程中了解自己的管护责任区范围，电子围栏如图5所示。

图5 电子围栏-管护责任区Fig.5 Electronic fence-duty area for management

3.2 关键点与管护路线

在管护区区划子系统（桌面端）中，选取某一护林员的管护责任区，以高清影像图为地图，制作该护林员的关键点，并生成管护路线。该关键点与管护路线可在综合服务平台上展示，护林员可下载保存，结果如图6所示。

3.3 手持终端上的管护责任区与管护路线

当护林员在手持终端上下载自己的管护区与管护路线后，可以随时将自己的巡护轨迹与定制的管护路线进行比对，以保证自己在管护责任区内巡护（如图7所示）。

图6 管护路线与关键点Fig.6 Duty route for management and key points

图7 管护责任区与轨迹定制Fig.7 Duty area for management on terminal

3.4 森林管护管理与考核

3.4.1 上岗人数与位置

野外终端上线位置功能实现了对使用过森林管护终端进行森林管护工作的设备位置信息的展示。在综合服务平台上，可以看到当天森林管护的上线的人数。图8中的2是以聚合显示方式表达在该地区有两人在上岗，可以再行放大，看到每个人的具体定位地点，结果如图8所示。

3.4.2 报警、事件与数据采集

护林员在巡护过程中，将火警、事件和数据采集等通过手持终端上传给综合服务平台。这样，在平台上可对上报的数据定位，及时做出处理，结果如图9所示。

3.4.3 管护人员轨迹

上级管理者可在综合服务平台上，对护林员信息的详情进行查看（如图10所示）。

图8 野外终端位置Fig.8 Terminal location in wild on platform

图10 用户信息Fig.10 User information

点击详情，在平台上可以查看护林员的巡护轨迹状况（如图11所示）。

3.4.4 管护考勤表

有效管护时间和距离是系统中针对某个管护责任区设定最小的有效管护时间和距离。有效管护时间和里程设定如图12所示。

最后，可对所有护林员进行森林管护工作的完成情况进行统计，结果如图13所示。

这样，通过基于位置服务的森林管护流程，利用管理系统完整地完成了对野外巡护的报警、事件和数据采集的定位绑定与上报，并对护林员进行考核管理。

图11 轨迹回放Fig.11 Playback for track

图12 有效管护时间和里程设定Fig.12 Effective management time and mileage setting system diagram

图13 管护工作完成度统计Fig.13 Statistics of duty process for management

4 结论与讨论

（1）基于北斗位置服务的森林管护系统与传统的森林管护巡山日志相比，可以实时地掌握巡护人员位置，及时地发现管护问题，方便地查看巡山轨迹，有效地防止森林管护不规范、不到位等问题的发生，实现对森林管护工作的精细化管理，

（2）基于位置服务的森林管护管理通过电子围栏的方式，可以切实掌握日常管护的情况，防止管护不规范、不到位。将管护责任区和管护人员关联起来，切实将森林管护落实到人、到山头地块。

（3）基于位置服务的森林管护考核通过关键点打卡、有效管护时间和距离设定等方式，可以加强对森林管护的检查与监督力度，提高森林管护工作的效率和质量，保证管护范围有效覆盖责任区，从而避免巡护时发生遗漏和路线重复等情况。

（4）与同类应用系统相比，不仅仅是位置信息的记录和上报，通过与森林管护业务紧密结合，更符合森林管护业务的实际需要，最大限度地优化系统功能从而方便巡护人员在野外环境中的的使用。

（5）虽然GPS实现了全球覆盖，北斗卫星应用也比较广泛，但是在诸多森林地区，由于遮挡等原因容易导致卫星弱信号甚至无信号，继而造成无法获得定位信息或位置点漂移的问题，需要通过进一步研究来解决。

[1]张先为. 基于北斗多模导航定位系统在林业中的应用研究[J].测绘与空间地理信息,2016,39(7):106-109.

[2]百度百科. 2016. LBS(基于位置服务) http://baike.baidu.com

[3]百度百科. 2014. 卫星定位技术 http://baike.baidu.com.

[4]马艳丽. 基于互联网的GPS定位、跟踪、预警系统在森林管护中的应用[J]. 卫星应用,2010,38(4):132-136.

[5]李伯周,邓志平. 天然林保护工程中森林管护存在的问题及对策[J]. 北京农业 , 2014 (36) :15-17.

[6]林 闯,苏文博,孟 坤,等. 云计算安全：架构、机制与模型评价[J]. 计算机学报,2013,36(9):1765-1784.

[7]洪加凤,梅 浩,戴前石. 天然林保护工程中森林管护存在的问题及对策[J]. 中南林业科技大学学报,2011,31 (4):15-17.

[8]查东平,林 辉,孙 华,等. 森林资源信息外业采集移动平台关键技术研究[J]. 中南林业科技大学学报,2012,32(9):32-36.

[本文编校：谢荣秀]

Forest manage and protect with location based service and system research and development

HU Hong1, YANG Xueqing1, WU Dongliang2
(1. Academy of Forest Inventory and Planning, State Forestry Administration, Beijing 100174, China;2.Beijing Union University, Beijing 100174, China)

For a long time, China’s satellite navigation applications rely on GPS transition and the risk is enormous. In recent years, the state has vigorously supported and actively promoted the application of the Beidou satellite navigation system independently developed by the country. At the same time, the demand for satellite positioning and navigation in China’s forestry is increasing day by day and the Beidou satellite navigation system with independent intellectual property rights is in line with the requirements of forestry in china.Withthe concept of location based service ofthe Beidou satellite navigation technology and combined with the forest management business process,the new forest management system was developed.The system involved and location services and navigation into the daily management work, such as electronic fence, effective management, point card, patrol route, patrol track, evaluationetc., which formsa series of new management mode.It effectively prevents the problems thatthe forest management is not standardized and noton-the-right-place of out-door-work, strengthensthe inspection and supervision of forest management, and improves the quality and efficiency of forest management work.

Beidou satellite; location based service; forest manage and protect; check on work

S771.5

A

1673-923X(2017)09-0012-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.09.003

2017-04-10

国家发展改革委北斗卫星导航产业重大应用示范发展专项“北斗卫星导航在林业中的示范应用工程项目”（发改办高技〔2014〕2563号）

胡 鸿，工程师

吴东亮，博士；E-mail：314543494@qq.com

胡 鸿，杨雪清，吴东亮.基于北斗位置服务的森林管护及系统研发[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(9): 12-19.