“互联网+林业”背景下智能飞防系统设计综述

龙树全 周文安 杨显华 牛颢

摘要 針对当前有害生物飞机防治（以下简称飞防）作业，大多由第三方商飞公司承包实施，仅凭现场的林业监察人员进行肉眼观测，面临“看不到、听不明、说不清、来不及、控不住”等问题，提出了一套基于实时数据采集、分析及远程监管的智能飞防解决方案。该方案基于林区地图进行飞防作业线路规划、实时采集关键的作业参数（经纬度、航速、航高、喷洒状态等）进行远程监管、结合飞防数据开展作业后评估，构建飞防作业前、中、后的闭环管理体系，实现对飞防作业的全面、客观和长效的监管效果。该方案具有很好的可移植性和适用性，与传统管控方案相比，该方案能长期有效地保障飞防工作质量。

【关键词】智能飞防 实时远程监管 闭环管理

飞机防治是现代林业森林防治保护中一项重要的技术措施，在压低虫口密度、控制灾害蔓延及减少灾害损失等方面具有不可替代的作用，具有速度快、效率高、成本低、效果好的优点，是目前发达国家普遍采用的有效方法，己成为我国林业有害生物防治工作中不可或缺的重要手段。

以四川省林业飞防为例，四川省飞防区域计划作业面积逐年增加，2016年的飞防区域包括成都、德阳、绵阳、广元、南充、巴中、资阳、遂宁等市，计划作业面积70余万亩，再创全省历史新高。

由于飞防作业的特殊性与复杂性，林业部门在执行飞防任务时面临以下问题：

（1）缺少科学的规划技术;飞机作业路线由林业人员凭经验绘制，林带施药面积、施药量、飞行架次、作业成本等数据凭经验预估，致使存在较大的误差，且无法电子化归档;

（2）部分林业站采用单机机载采集终端，利用GPS技术再现飞防作业航迹，属于作业后离线分析数据;对不正确的飞机施药线路只能事后纠正，无法对作业中出现的飞机空飞、漏喷、重喷、避让区域喷洒等情况进行及时校正，损失亦无法补救。

（3）作业飞机升空后是否在约定的区域内作业、施药轨迹的间距是否科学、施药药量是否均匀覆盖等信息无法获取，从而无法评价作业效果。

不同于已有的研究工作，本文的目的是设计一套涵盖飞防作业前、中、后的闭环信息化集成解决方案，规范林业有害生物飞机防治作业，提高飞机防治质量和成效，加快推进飞机防治行业的有序健康发展。该方案具有部署方便，操作简易的特点，有较强的可移植性和适用性。

1 系统组成

本文设计的集成解决方案，由三部分组成，分别为：机载系统、地面数据处理系统、中心软件管理系统。

1.1 机载系统

机载系统核心为便携终端一体机，负责实时采集作业过程中飞机的GPS位置数据、飞机航速、飞机航高、飞机航向、与喷洒状态等数据，并将采集的数据进行处理计算（数据降噪、校验并编码）后由COM接口传输至无线数据传输终端。

该系统中，各传感模块实现把对应参数（GPS数值、航高、航速、航向、喷药状态等）转换为电信号。由数据采集模块把传感器的电信号实现模数转换，并进行计算。数据分析模块解码各类参数数据，提取有效信息，通过2.4G和串口方式进行数据传输。

数据采集模块支持4类接口：

（1）传感器接口：接收液体、粉末、电流等电信号信息;

（2） GPS天线接口：接收GPS定位信息;

（3） RS232串口：与电台数据交互通讯，RS232电平，全双工，波特率115200bps;

（4）无线2.4G接口：对接飞机通讯接口，支持802.llb/g/n，支持TCP/IP/UDP协议栈。

1.2 地面数据处理系统

地面数据处理系统负责接收机载系统产生时的实时数据：飞机GPS位置、飞机航速，航高、航向、喷洒状态等数据。经设备身份认证后，将数据还原处理，交由飞防监控中心软件平台，并结合GIS系统，实时呈现飞机作业状态。

为确保记录完整的作业参数，并提高信息的存贮效率和数据的交换速率。系统采用变长的数据流格式，

系统中涉及的数据流格式：

（1）帧头：由1-2个字节定义，例如OX5A， OX5A：

（2）消息体：根据设备标识、GPS数值、航速、航高、航向、喷洒状态等参数定义字节长度;

（3）校验码：由1-2个字节定义，确保数据的准确性;

（4）结束帧：由1-2个字节定义，例如OXAA， OXAA;

1.3 中心软件管理系统

软件平台遵循MVC模式，构建跨平台的高性能Web系统，并采用INNODB存储引擎，可以支撑多作业点的毫秒级实时跟踪及交互。软件管理系统提供：

飞防作业前：施药轨迹规划，（作业区块、作业架次、飞机公司、飞机型号、药物、避让点等）基础数据维护;

飞防作业中：结合GIS系统，实时呈现施药轨迹及喷洒状态，实时预警应避让的禁飞区与障碍物。

飞防作业后：提供多维度的作业效果评估，形成作业报告;

2 软件系统功能设计

2.1 作业规划

根据本地林业有害生物发生情况、发生区、周边环境以及人居、鱼塘等因素，开展防治作业的规划方案。规划设计中包括作业时间和地点、作业范围和面积、防治对象、药剂种类和用量、飞机机型及有关要求、飞机起降点与飞行路线设置、飞防作业图表以及保障措施等。

2.1.1 飞防计划管理

包括计划的作业时间、执飞机型、商飞公司名称、使用药剂、针对病虫种类等数据管理;同时，根据该飞防计划的作业面积，预估飞防作业的施药量及飞行架次。

2.1.2 飞防作业区的禁飞区与障碍物的标注

对飞防作业区内的禁飞区和障碍物进行标注，提供点（高塔等单点障碍物）、线（高压线等线状障碍物）、面（水资源、生活区、养殖区等区域性禁飞区）的标注。同时设定障碍物对应的安全预警距离。为飞防作业中的实时安全预警提供数据支持。

2.1.3 飛防线路智能规划与人工修正

系统根据最优路径算法，基于作业区内林带获得最大的受药面积、飞行作业安全、生态安全与飞行规范等要素自动生成飞防作业线路。同时，对线路提供人工修正的功能，使得规划工作更灵活、便捷。

2.2 飞防作业实时监测跟踪与预警

飞机驾驶员根据飞防区域作业图和己规划的施药作业航线图，确定飞机施药飞行航线，以避免重喷和漏喷。系统实时对飞防作业的航迹开展跟踪，监测喷洒状态。

2.2.1 飞防作业轨迹实时跟踪

根据实时采集的飞机GPS位置、飞机航速、飞机航向等飞行指标，对飞机的作业轨迹进行实时跟踪;结合GIS系统（作业区矢量行政区域地图）及气象指标（气温、湿度、风速及风向等），实时呈现飞机的实际飞行轨迹、航速、航高及药物喷洒状态。

2.2.2 作业偏航预警

结合对作业区辖区范围、规划的航线路径，若飞机在非作业区喷洒药物、或严重偏离规划路径进行施药作业，系统给予及时预警。

2.2.3作业中安全预警

结合己标注的高塔、高压线、水资源区等信息，在飞机作业飞行过程中，其空间位置触及预警阈值时，系统将自动预警，及时提醒执飞人员，避免事故的发生。

2.3 作业成果评估

2.3.1 飞机防治作业质量评估

根据飞行防治作业区面积大小、地形地貌、郁闭度和地被物等情况，采取重点检查和普遍调查相结合的方法，从雾滴粒径、雾滴密度、喷幅内雾滴均匀度、雾滴粒径均匀度、亩用药量、施药覆盖率、重复施药占比率等维度评估飞防作业质量。

2.3.2 飞机防治作业效果评估

通过调查虫口减退率、病情指数下降率确定防治效果。在实施飞防区域，分别选择片林、林网、四旁等不同类型的林分作为样地，每个类型选择3-5个样地，采用对角线或平行线法选取10-20株样株，做好标记。在飞防前后，分别调查样株的虫口密度和病情指数，计算虫口减退率和病情指数下降率。

3 结束语

本文针对当前飞防工作领域内，长期困扰林业监管人员的“说不清、来不及、看不到、听不明、控不住”的工作难题，创新性提出了涵盖飞防作业前、中、后的闭环管理体系的信息集成方案。该方案的实施能提高监管与指挥技术水平，实现全面、客观、长效有效地保障飞防工作质量，形成科学的评估手段;同时可大幅度提高飞防安全，避免事故悲剧，值得在飞防领域开展推广应用。

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