青海省河南县天保工程“森林三防”智能管控系统设计

党建喜

(国家林业局西北林业调查规划设计院，西安 710048)

森林防火、森林资源防偷猎滥伐、森林病虫害防治是现阶段和今后一个时期我国森林管护面临的最主要任务，这三方面问题严重影响森林资源安全、破坏生态平衡，制约我国森林的可持续经营与林业可持续发展[1-2]，对应的“森林三防”也成为森林资源保护的首要任务，责任重于泰山[3]。提前发现和及时掌握这些问题发生发展的技术和方法，是目前国内外“森林三防”研究的热点之一。

目前我国森林管护手段主要以瞭望侦察和地面巡查为主，虽起到了较好的森林侦察与管护作用，但面对突发的森林火灾、森林偷盗、森林病虫害现象，很难满足森林资源管护的需求。主要存在以下几个问题：人工瞭望无法保证全天候全时段瞭望侦察与全覆盖无死角巡查[4]；地面巡查、人工踏查、现场判断等人工方法很难实现全面而及时对灾害信息的采集，且工作量大、效率低、信息滞后、预报准确率不高[5]；巡护通讯手段落后，前方与后端信息失联，缺少有效管理平台，严重影响警力调度与决策分析[6-7]；森林防火、防盗、防病虫害分别归属多个职能部门，信息直接互通不足[8]。

近些年，计算机技术和GIS技术已应用于森林火灾的指挥和决策、少数病虫害监测工作上[9-11]，但大部分系统以单一森林防火或森林病虫害防治系统为主，且使用一般关系型数据库软件对图形数据和属性数据进行管理，在空间分析方面有局限性，不利于突发情况的发现与处理。因此，为将信息化与“森林三防”相结合，探索基于GIS技术的森林三防智能管控系统，对森林资源进行大视野、全天候全覆盖侦察，协同联防林区，保证信息互通，通过大数据信息整合与关联分析，及时、准确预测森林火灾与病虫害发展趋势，提供辅助决策方案和应对措施，高效管护森林资源，使森林资源损失降低到最低水平。我们以河南县森林分布特点及人为活动热点等为依据，设计了天保工程“森林三防”智能管控系统。

1 区域概况

1.1 地理区位及森林资源现状

青海省河南蒙古族自治县地处青海省东南部、青藏高原东南边缘，属昆仑山东段的西倾山麓尾段。全县土地总面积652.93×103 km2，海拔3 168～4 539 m，跨度较大。年均降水量606.3 mm，主要集中在5-9月，年均蒸发量1 414.6 mm，旱季较长；年均气温-1.3～1.6 ℃，无霜期90 d左右，年均日照时数2 564.5 h，太阳年总辐射量146.2 MJ·m-2。

河南县林地面积362 460.2 hm2，森林覆盖率33.78%，活立木总蓄积666 103.5 m3，森林蓄积641 563.3 m3。林地面积中有林地、疏林地、国家规定的特别灌木林地、宜林地面积分别占总面积的1.92%、0.12%、58.93%、39.03%。森林以天然林为主体，天然林面积占林地面积的99.42%；林分主要以圆柏和青海云杉为主，组成单一，面积占有林地面积的93.4%，蓄积占96.67%。

1.2 项目区概况

宁木特林区是河南县重点林区和有林地分布中心，也是该县森林“三防”的重点，林地面积81 809.6 hm2，其中有林地面积6 444.3 hm2，占全县有林地面积92.6%，森林覆盖率51.13%。宁木特林区紧邻黄河及其一级支流泽曲河两岸，山地陡峭，海拔高、落差大，是维护黄河、泽曲河中上游地区生态平衡的重要屏障；林区简易道路崎岖难行，森林管护条件极其艰苦，且旱季较长，为防火重点监控区，也是病虫害发生的重灾区。为此，在该地区建立基于“3S”技术的智能管护系统，对保护其森林资源有重要作用。

2 总体布局

2.1 监测点选址的原则

森林三防智能管控系统中监测点的选址关系着监测点可视性的覆盖范围和成本投入。防控目的不同，监测点布设位置和数量应不尽相同；森林火灾视频监控站应尽可能布局在天然林资源集中分布区的制高点；偷盗滥伐抓拍点应在交通要道、紧邻木材检查(管护)站布设；病虫害监测站和森林火险气象监测站，应布设在森林资源重点分布区，兼顾利用火灾视频监控站、偷盗滥伐抓拍点等基础设施。

2.2 监测点选择与数量确定

2.2.1 监测点选择 为在天然林中选择视野开阔、覆盖面积较大的监测点，依据地形图和森林资源分布图，通过空间分析中的地形分析生成森林数字高程模型，并进行可视性分析及不同数量视频监控终端覆盖面积多重比较，再通过现地勘察，最终选择合适的监控终端数量及适当的监测点位置。监测点及其数量选择的具体步骤为：

(1)监测点数量及其控制范围(面积)初选

通过GIS栅格数据邻域分析方法快速从DEM数据中提取山顶点及其数量，通过DEM可视性和通视性分析计算单个与多个监测点的监测面积和盲区面积，确定达到技术指标要求的合理监测点数量为20个。

(2)监测点数量及其控制范围终选

本设计所用系统的云台观测范围为3～5 km，故以监测点为中心、半径3～5 km为范围；结合现地踏查，进行多个监测点数据多重比较分析，合理布局监测点。通过分析计算不同监测点向四周嘹望所能够检测到的最大范围，区域可视面积与盲区面积；通过比较不同数量监测点的可视面积及覆盖率，确认15个监测点的可视面积、盲区面积与16～20监测点结果无显著差异，而14个监测点的效果显著低于16～20监测点结果，不能达到技术要求，故确定赛尔琼、西隆、雷冬等15个监测点及其布设位置，以达到最为科学、合理、经济(图1、2)。

图1 宁木特林区监测点布局图

图2 宁木特林区各监测点检测范围与盲区

2.2.2 监测点位置与监控面积 河南县宁木特林区有林地、疏林地和国特别灌木林面积57 143.8 hm2，经过现地踏查，确定的15个监测点监控面积26 392.7 hm2，监控面积占有林地、疏林地和特别灌木林面积总和的46.2%；其中有林地面积6 444.3 hm2，监控面积6 019.0 hm2、占有林地面积93.4%，盲区面积为425.3 hm2、占有林地面积6.6%，基本达到了对有林地面积的全面覆盖。各监测点因海拔及坐标位置等条件的差异，监控面积及其中的有林地面积等也不尽相同(表1)。

2.3 监控系统设施

河南县宁木特林区监控系统前端视屏监控终端设计15套，微波通讯中继站1套，重要通道人车抓拍监控系统3套，森林火险气象监测系统3套，森林病虫监测系统3套，县级森林“三防”中心监控系统1个，森林“三防”综合管控智能软件1套，国家基础地理数据库、森林资源数据库、森林“三防”专题数据库各1套。

3 系统设计

3.1 系统架构

河南县天保工程“森林三防”智能管控系统架构由前端智能监控系统、传输网络、后端监控管理系统平台及输出展示设备几部分组成。

3.2 后端监控管理软件

详见图3森林三防智能管控平台系统组成逻辑图。

3.3 软件和输出展示硬件设备

PC服务器、存储服务器、监控及报警计算机、指挥中心操控台、大屏幕显示设备等。

表1 宁木特林区各监测点位置信息

图3 森林三防智能管控平台系统组成逻辑图

4 系统技术关键与功能

4.1 林火远程智能监控系统

4.1.1 林火视频管理子系统 视频管理系统是实现前端塔站视频图像实时监控、保存处理，以及控制和管理前端塔站设备的核心。通过视频管理系统配合前端烟火识别系统，在发现疑似烟火后实现向后端管理中心自动报警功能。主要包括联网监控管理软件、服务器以及其它功能附件等构成。

4.1.2 林火扑救辅助决策子系统 辅助决策系统是实现对火情态势进行准确预测预报、火灾决策分析，制定合理扑火方案，自动生成最短路径，实现扑火力量的最优配置。具有林火定位识别报警、火险等级预报与林火蔓延分析、扑火辅助决策、灾损评估及火情标绘等功能。

4.1.3 火险预测预报子系统 依托森林资源空间分布数据和林火影响因子，建立森林火险等级预测专家库，通过物联网技术，将前端森林火灾气象监测站与后台系统连接，实时获取森林火险检测数据，启动林火预警预报子系统，分析预报森林火险等级。

4.2 森林资源偷盗管控系统

4.2.1 前端智能抓拍子系统 前端智能抓拍系统是通过部署在道路、检查(管护)站、瞭望塔台的监控抓拍设备及监控视频，对经过的车辆、人员信息实现动态监测，通过传输网络传回到指挥中心进行管控。

4.2.2 传输网络 传输网络是利用WIFI、3G/4G、有线网络，由前端智能控制系统通过网络向指挥中心发送报警信号。

4.2.3 后台管理平台

(1)护林巡护管理子系统

护林巡护管理系统是通过护林员使用的巡护移动终端，利用公共网络与指挥调度中心互联，发送偷盗等突发事件的报警求助信息。指挥调度中心收到警报通知后，在地图上准确定位，并通过电话通知森林公安进行及时处置。

(2)偷盗案件信息管理子系统

偷盗案件信息管理系统具备立案登记、处理登记、损失登记和处理结果登记的功能。

4.3 森林病虫害管控系统

4.3.1 巡护告警系统 护林员或社会群众发现病虫害情况，利用巡护移动终端、手机等对有害生物及被害病体进行拍摄，通过护林巡护管理系统APP，发送病虫害突发事件的报警信息。

4.3.2 森林病虫害远程诊断子系统 森林病虫害远程诊断系统主要是建立病虫害生物学图片、形态特征描述等物种信息数据库，防治中心收到警报信息后，导入图片、形态特征描述等报警信息，通过系统进行远程诊断，确定森林病虫害种类及防治措施，通知相关部门及时进行防治。

4.3.3 病虫灾害测报子系统 根据历年不同种类病虫害的发生规律，建立病虫害预测预报模型。通过森林病虫害监测站，统计虫口密度，将监测数据导入病虫害测报系统，实现病虫害为害区域和发展趋势预测。

4.4 森林资源管理功能模块

森林资源管理功能模块包括地图工具、查询工具、统计分析、图面修饰等功能模块。将森林资源属性数据与空间分布数据建立关联，实现林火蔓延趋势分析、病虫害发展趋势分析和灾后森林资源损失评估等森林资源信息可视化管理。

5 讨论

森林“三防”监控系统能够实现空间定位精准化、轨迹跟踪实时化、指挥调度科学化的森林资源管理，符合现代林业建设要求。通过先进的监控技术，构建完整的微波+公网数据传输网络体系和物物相联、协同预警、信息共享的智能管控系统平台，实现森林火灾、偷猎滥伐、病虫灾害等紧急事态的实时监控与辅助决策。系统平台的使用将极大提高监控区域的森林安全监管水平，推动林业信息化发展[12-13]。青海省互助北山林场“森林三防”智能管控系统设计，2013年通过青海省林业厅成果审定，达到省级先进水平。监控区域的火警报告率达到95%以上，偷猎盗伐案件抓拍监控率90%以上，病虫灾害预测预报率达到90%以上，实现了无重大森林火灾、偷砍滥伐和盗猎野生动物案件发生的好成绩。

本设计因监测点均处于起伏地势陡峭、高差很大的山区，无线微波直线传输困难。因此，使用三维卫星影像数据进行点位建模，利用监测点的无线微波站点信号进行中继传输，再由梧桐管护站集中传输，对传输路径进行优化。同时，为消除不同气候条件对灰度级的影响，采用气象要素传感器将风速、风向、温度、湿度等气象要素监测信号转换为数据并传输到后端管理平台，通过图像灰度值与图像空间频率分析，最终达到对可疑区域的自动定位和手动定位。

监测点的供电系统是整套三防系统的重点，本次设计采用太阳能供电，对于河南县高海拔、极低温的环境条件，太阳能供电是否能完全满足系统要求，有待检验，今后可设计和检验风电互补供电问题；目前，系统仅录入了青海省主要的森林病虫害种类、预测预报及防治措施，今后随着基础数据的不断积累，可对森林病虫害种类数据库进行升级，并加入在线专家答疑模块，实现用户远程咨询。另外，在河南县“森林三防”智能管控系统应用过程中难免会发现问题、解决问题并对系统优化升级，对此应及时总结和归类，逐步形成理论和设计规范或技术规程，以利于向全省乃至各地推广，为森林资源管理服务。