雷公山自然保护区数字化信息管理平台构建

王泽文 谢镇国李宁 杨胜军 吴必锋 廖佳 古定豪 李登江

(贵州雷公山国家级自然保护区管理局，贵州 雷山 557199)

1 引言

随着我国自然保护区数量的增加和生态文明建设的深化，我国自然保护区的建设模式正逐渐从追求规模向追求质量转变，发展趋势的变化对自然保护区的资源管理水平和管理效率提出了更高的要求[1]。自然保护区的资源分布信息具有高度的复杂性、多样性和海量性，传统的资源管理方法和信息处理手段已经难以满足保护区建设的需要，资源保护的数字化和信息化建设是自然保护区高质量发展的必经之路。

2 雷公山自然保护区概况

2.1 保护区简介

雷公山自然保护区(以下称保护区)于1982年6月建立，2001年6月经国务院批准晋升为国家级自然保护区，是以保护秃杉等珍稀物种为主的森林生态系统类型自然保护区，保护区位于贵州省东南部，地理坐标为E108°5′～108°24′，N26°15′～26°32′，保护区总面积约为47300hm2，森林覆盖率达到92.34%[2]。保护区蕴藏着极其丰富的生物资源，有各种生物物种5084种，是不可多得的野生物种基因库。

2.2 保护区现有能力状况

虽然保护区的成立时间较早，但数字化建设的起步较晚，相关基础设施还不够完善。保护区在资源数据管理和信息系统应用方面进行了一些尝试，具备了一定的资源管理与保护能力，但受到经济因素、地理因素等诸多因素的限制，保护区的管理离规范化、现代化、精细化的要求还有较大的差距。由于缺乏系统化、数字化、集成化的信息管理系统，管理人员难以对大量的巡护监测数据、资源分布数据、地理环境数据和生物信息数据进行统筹管理，数据的共享程度和使用效率较低，数据的处理手段和分析方法比较落后，在一定程度上限制了保护区管理水平的提高。

3 保护区数字化信息管理平台设计

3.1 系统需求分析

需求分析是指通过深入细致的调研和分析明确客户群体对产品的实际需求，并以此制定产品的项目边界、约束条件、功能目标、技术路线和实现路径[3]。近年来，保护区初步建立了一定规模的视频监控系统，各项能力建设项目在不断推进中，但在资源保护数字化和信息化建设方面还存在明显不足。

基于保护区的发展现状，以数据信息互联互通和共享共管为目的，建立了“三合一”数字化信息管理系统，为保护区发展、保护、规划和开发等方面的决策提供支持。保护区数字化信息管理系统需求的逻辑架构如图1所示，根据保护区管理局的管理内容和工作职责建立管理业务模型，并以此为基础设计空间数据库、业务数据库和元数据库，通过数据库实现基本数据的采集、入库、管理、维护、查询、发布、传递和共享。管理系统具备业务拓展接口，可以集成地理信息系统、森林巡护系统和视频监控系统，通过矢量数据对保护区的重点区域进行实时动态监控。管理系统通过地理空间数据可视化渲染技术将所需的数据信息以图象表格、地图实景、多媒体等多种形式呈现出来。

图1 系统需求逻辑架构

3.2 系统体系架构

数字化信息管理系统架构如图2所示，主要包括采集层、传输层、数据库层、应用层等四个层次，各个层次的功能如下：

3.2.1 采集层

通过摄像头、解码器采集视频信号，通过GPS系统采集并上传GPS定位信息，通过储存服务器上传地形图数据、无人机航拍数据等空间数据以及保护区档案、资料等非空间数据。

3.2.2 传输层

通过无线网络传输、有线网络传输、移动基站信号传输等方式将采集的数据传递到数据库。

3.2.3 数据库层

对收集的数据进行分类处理和发布共享，形成视频音频库、图片数据库、档案资料库、元数据库、DEM数据库、GPS定位信息数据库。

3.2.4 应用层

根据实际使用需求对数据库中的数据进行调用、整合和分析，实现监控管理、档案管理、资源管理、在线地图、空间分析、数据维护等功能。

图2 系统体系架构

4 数字化信息管理平台实现及应用

4.1 信息管理平台主界面设计

信息管理平台通过B/S模式(浏览器和服务器架构)搭建[4]，平台主界面如图3所示。保护区数字化信息管理平台集森林巡护系统、地理信息系统和视频监控系统三大系统于一体，包括森林监控、在线地图、生态监测、宣传教育、林区管理、野外巡护等六大功能模块。监控管理模块包括林区人员车辆统计、基建工程监控、违章违法事件监控、生态修复情况监控等功能，生态监测模块包括动植物资源、地质地貌、气候水文、自然灾害、环境监测等方面的资料管理功能，在线地图模块包括地图渲染、图层管理、坐标查询、地理测绘等功能，林区管理包括林区资源统计和林区环境分析等功能，野外巡护包括野外数据采集、巡护信息检索等功能。

图3 雷公山自然保护区信息管理平台

4.2 数据库建立

保护区信息管理系统采集层收集到的数据和信息具有数量大、类型多、冗余量高的特点，选择Oracle数据库作为空间数据和非空间数据的储存空间较为合适。为了提高数据的传输效率、使用效率和通用性，将视频监控数据、气象信息数据、水文信息数据、地质信息数据、巡护信息数据、生物物种数据等非空间数据直接存入Oracle数据库，将矢量数据、格栅数据、元数据等空间数据通过ArcSDE空间数据库引擎存入Oracle数据库[5]。

4.3 地理信息系统功能实现

地理信息系统界面，包括地图显示、测量、标绘、定位、渲染和图层管理等功能。矢量地图具有数据结构紧凑、显示精度高、图形质量好、概括性强、冗余量低的特点，矢量地图非常便于存储、管理、统计与分析，影像地图通常由无人机或卫星拍摄，具有内容真实直观、地图信息丰富、表现力强等特点，但不方便进行统计分析，通过地图显示功能可以将二者的优点结合起来，实现矢量地图与影像地图的对比显示和切换显示。通过地图测量功能可以实现地理距离测量和区域面积计算，通过地图定位功能可以查询地图上任一位置的经度、维度和海拔信息，通过地图标绘功能可以在地图上添加大小可变的点、线、面、箭头、文字等符号，通过图层管理功能可以显示或关闭不同类型的空间数据层或非空间数据层。

4.4 生态监测系统功能实现

利用卫星遥感监测技术、无人机拍摄技术、无线传感器网络技术，生态监测系统可以对保护区的生态资源状况、气象水文信息以及人类活动情况进行动态监控，如图4所示。通过生态监测系统可以搭建“监测发现——地面核查——监督执法”的保护区监管体系，为保护区的资源保护和人类活动监管提供强有力的技术支撑，防止盗猎、盗伐现象的发生。

图4 生态监测系统界面

4.5 森林监控功能实现

森林火灾是保护区需要特别关注的潜在灾害事件，森林火灾的发生具有突发性强、发生地点不确定性强、传播速度快和灾情处理难度高等特点，火灾发生后若不及时加以控制，会对林区生态资源和人民生命财产安全造成难以估量的损害。为了提高森林火灾的检测率和检测准确性，降低检测误报率和检测成本，防止气流、光线、灰尘等干扰因素对火灾监测造成干扰，森林监控系统采用图像识别技术对火灾进行实时监控。在获取监控视频图像数据和无人机航拍图像数据后，森林监控系统通过基于视觉特征和运动特征的火灾识别算法分别对火焰像素区域和烟雾像素区域进行识别，森林火灾识别算法计算流程如图5所示[6]。当火灾被识别后，森林监控系统利用矢量数据将起火点坐标系参数投影到卫星地图，自动在地图上定位并计算出最佳扑救路径。工作人员根据森林监控系统发布的火灾监测信息立即进行灾情分析并采取应急措施。

图5 森林火灾识别算法计算流程

4.6 智慧巡护功能实现

智慧巡护系统包括巡护任务管理、巡护数据管理、巡护人员管理等功能。通过巡护任务管理模块能够自定义巡护任务编号、巡护线路名称、巡视周期、巡视类型和巡视内容，并能够随时跟踪巡视工作的进度和巡视发现的问题。通过巡护数据管理模块能够对巡护过程中采集的原始数据进行储存、管理、查询和维护。通过巡护人员管理模块可以管理和查询巡护人员的授权状况、基础信息和巡护路径，并能够通过WebGIS平台将巡护人员的巡护路径和巡护状态以可视化的方式展示在保护区的影像地图上。

4.7 林区管理功能实现

在保护区各景区交通要道、林区重要路口、林区重点监督区域、重点村寨等位置安装网络球机、红外枪机，实现定点24小时不间断监控，实行前端和中心双备份制度，监控数据自动上传到林区管理系统并提供60天查询；林区管理系统还会对进入景区、林区、村寨的人员和车辆进行数字化管理，自动抓拍进出林区的车辆车牌号，自动统计人流量和车流量。

4.8 宣传教育功能实现

信息管理平台的宣传教育功能可以为保护区的宣传教育工作和应急处置工作提供有力保障。通过信息管理平台能够实现远程广播讲话、播放背景音乐、紧急广播、双向对讲广播等智能宣传模式，在辖区重点区域定时播放与森林防火、资源保护、生态环保、政策法规、景区解说相关的内容，除此之外平台还可以实现广播寻呼、音频采播、消防联动等功能。

5 结语

通过建立集森林巡护系统、地理信息系统、视频监控系统三大系统于一体的“三合一”数字化信息管理平台，实现了数据信息的互联互通和共享共管，有效降低了信息需求成本，提高了资源管理效率，为保护区管理水平提升和数字化建设打下坚实的基础。