农林区域特征信息智能采集与生态预警系统设计与实现

焦方源,焦小洋,李 薇

(1．西华师范大学 计算机学院，四川 南充 637009；2．成都信息工程大学 信息安全工程学院，成都 610225)

0 引言

近年来，以“互联网+”和大数据为基本特色的智能信息化建设进程在我国不断进深入推进；以生态农业和生态林业为中心的生态环境建设也得到了国家的大力支持与提倡。陈威、周志艳等人对中国农业信息化的现状与问题进行了一定程度的研究，并强调了农业航空技术在农业生产中的重要作用[1-2]；邹茜、陈振伟和张凤荔等人对WSN农林业相关信息传输模型领域进行了论述[3-5]；吴旭、彭佳红和张江等人对农林业生态指数的构建，指标体系与决策支持系统建立等方面深入地进行了分析和论述[6-8]，但都未曾论述以“互联网+”和大数据为基本特色的智能信息化技术在生态农林业中的应用，智能信息化技术在生态农林业发展中的应用还处于起步阶段。另一方面，我国在无人机系统和机器人系统领域研究获得了突破性的发展，李鹏等人对无人机在航拍、航测、侦察、甚至中小型运输业务中的应用进行了深入研究[9]，取得了巨大的进步；但仅有徐涵秋就遥感技术在生态指数构建中的应用时行了一定程度分析和论述[10]。综上，迄今尚无针对以大数据为背景的智能信息化技术在农林区域生态信息智能采集、传输、融合与预警相关领域进行深入研究。本论文着重对以无人机搭载的遥感农林特征信息智能采集与生态预警系统(下文简称生态信息采集系统)在农林区域特征信息提取、计算、分析及生态预警等相关领域进行深入研究，并对其关键生态指标及性能参数进行仿真分析，以达到提高生态预警过程的智能化水平的目的。

1 农林区域生态性能指标体系与参数设置

生态信息采集系统进行特征信息采集与生态预警的过程，其实质就是对当前地面区域中的农林植物进行遥感测量、适时传输、优化处理并与相应的网络大数据信息进行融合分析，进而发出相应预警信息的过程。根据生态信息采集系统在信息采集、计算、分析及预警过程的需要，现在对其静态与动态参数作如下分析和设置。

1.1 静态性能指标与参数设置

生态信息采集系统对地面农林区域进行适时采集获取的性能参数信息，其中一部分参数信息是不随时间变化的，它们是对农林区域生态基本特点的描述[10]，故称作静态参数。为准确描述生态信息采集系统对地面农林区域进行的信息采集过程，现将下文将涉及的静态参数意义和参数符号表示分别如表1所示。

表1 农林静态特征信息参数意义说明表

1.2 动态性能指标与参数设置

生态信息采集系统对农林区域进行适时采集获取的性能参数信息中有一部分参数信息则是随时间动态变化的，它们是农林区域生态瞬时或局部特性的描述[10]，故称作动态参数。为准确描述生态信息采集系统对农林区域进行的信息采集过程，现将下文将涉及的动态参数意义和参数符号表示分别如表2所示。

表2 农林动态特征信息动态参数说明表

2 农林区域微域生态特征信息提取

为更准确地采集遥感区域的生态特征信息，现用做如下定义：

定义1 微域：指为准确获取生态特征信息，将被测量区域人为划分而产生的更小的子区域(通常视为矩形)；而且整个农林区域可以视为按照遥感测量的顺序，由许多微域构成的序列。因此，每个微域必有自己独特生态特征信息，设置为如表2所示。

设当前农林区域可划分为N个微域，则其中第i个微域的植被面积、土壤湿度、病害面积等主要生态特征信息可表示为：

ΔSveg(i),ΔSdis(i),ΔSwat(i),ΔSani(i),ΔSfam(i),ΔHsoi(i),i=1,2,…,N

再假定遥感系统在无人机的承载下按时变的轨迹扫描宽度和飞机速度运动，则由表2中的参数设置，则可得到当前微域的面积特征信息为：

ΔSmic(i)=ΔVnav(i)·ΔWsca(i)·ΔTnav(i),i=1,2,…,N

于是，整个农林区域的生态特征信息可由各微域按(1)式产生后，再进行整理提取。

3 本地生态特征信息参数的动态计算

随着遥感测量过程的不断推进，被测量的农林微域不断地切换，各种生态特征信息必然会不断变化和适时更新，遥感测量的农林总面积也会不断增加。设当前已经完成第q个微域的测量,1≤q≤N。此时遥感测量系统采集到的特征特征暂态信息为：

经过上述遥感测量过程，整个农林区域本次测量完成以后生态信息采集系统可以根据测量得到的上述生态特征信息，进一步分析计算得到本农林区域的全局生态指标。

4 农林特征信息智能采集与生态预警系统

基于特征信息的生态预警，其实质就是适时查询相关的生态指标信息作为参考，根据生态信息采集系统得到的最新生态数据信息与之比较，从而对当前农林区域的生态状况进行评价，对超出参考标准的指标与大数据记录进行融合更新，并同时向有关方面发出相应生态灾害预警的过程[11]，本系统以表2的最新生态信息为基本数据，运用前2节定义的公式的计算方法，对当前农林区域的全局生态信息进行统计分析和数值计算，再将其与本区域相应指标参考值相结合，评价当前农林区域的生存状态是否作健康，以发出相应的预警控制信息。系统详细工作流程如图1所示。

5 仿真实验设计与数据分析

5.1 仿真实验设计

由于生态信息采集过程就是本预警系统对农林区域的连续遥感测量过程，因此得到的一系列微域生态特征参数采样值随时间不断变化，具有一定的随机特性[12]。但是，其中某一次采样得到的微域生态特性参数则处于相对稳定状态，为恒定值。于是，现假定某农林区域有个不同特征参数的农林微域，取本次遥感测量的各种生态特性信息如表3所示，运用前2节定义的公式的参数计算方法，通过Matlab仿真平台编写仿真程序，对农林生态参数中的农耕占比、植被占比、林牧占比、水域占比和病害占比等特征参数进行仿真，得到仿真结果图2和图3所示。

表3 微域生态仿真原始数据信息表

5.2 仿真数据分析

为正确分析仿真结果，微域和全局采用相同的农林生态指标参考值如表4所示。

随着生态信息采集系统在农林区域持续航行，必然会面对具有不同植被情况、农耕占比和水域占比等生态信息的微域，这决定了遥感测量系统输出的性能参数信息必定随之而变化。从图2可以看出，生态信息采集系统输出的性能参数信息随着微域的切换而改变，体现了其本身具有的变化规律；而且，对各个微域超过了相应参考值的指标及时进行了相应的预警提示，达到了本系统在遥感测量过程中对生态特性参数进行精确捕捉的效果。

表4 农林生态指标参考值表

随着生态信息采集系统测量过程的不断推进，在精确捕捉各微域生态特征信息的同时，本算法对先后来自于不同微域、而且不向种类与数值的信息进行快速统计，并按照相应生态参数的大数据参考值进行评价和预警。从图3可以看出，生态信息采集系统输出的性能参数信息的累计统计平均值随着微域的改变而按其本身具有的规律变化，从总体上对本次测量的全局生态特征进行了评价，而且对超过相应安全参考值的性能指标，向相关的农林部门发出了生态预警信息，达到了本系统在生态参数信息遥感测量过程中智能数据分析与及时生态预警的目的。

6 结论

本论文针对生态信息采集系统在农林区域生态参数信息采集实践，分析了农林区域微域生态特征性能参数特点；设置了能够精确表征生态特征的性能参数；提出了有效的参数更新计算方法；设计了基于微域理论的生态特征信息分析与预警系统，并通过精确的分析、计算和仿真，证实了本系统有效提高农林区域生态特征信息智能采集与生态预警过程智能化水平。生态信息采集系统与地面WSN系统的完美结合，实现施肥、浇灌等农林施工作业过程的全面智能控制是本论文所论述领域的进一步研究方向。

参考文献：

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[3] 周 茜.地理信息监测中的能量有效无线传感网络路由算法研究[D].成都：成都理工大学,2014.

[4] 陈振伟，凌海波.基于WSN监测的水质预报系统模型[J].电脑知识与技术，2016，12(12)：225-227.

[5] 张凤荔.移动对象数据智能处理模型研究[D].成都：电子科技大学,2006.

[6] 吴 旭.藏东南流域生态决策支持系统研究[D].成都：成都理工大学,2011.

[7] 彭佳红.湖南省生态公益林服务功能价值评价智能决策支持系统研究[D].长沙：湖南农业大学,2013.

[8] 张 江.森林健康经营空间途径与评价系统研究[D].长沙：中南林业大学,2014.

[9] 李 鹏，胡 梅.国外军用机器人现状及发展趋势[J].国防科技，2013，34(5)：17-22.

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[11] 焦方源，李 佳，李 薇.流域型灾害特征信息提取及动态预警系统[J].计算机应用，2015，35(1)：294-298.

[12] 焦方源，李 薇，李 佳.自适应MIMO-OFDM通信系统中基于CPSO-PF的状态优化与性能仿真[J].计算机工程与科学，2013，35(8)：52-59.