国有林场森林防火和资源监管“空天地人”四位一体监测系统建设

袁传武 张维 罗勇 林虎 王怡 曹国

摘 要： 针对国有林场现状以及森林资源监管需求，构建了国有林场森林防火和资源监管“空天地人”四位一体监测系统体系框架，提出了“空天地人”四位一体监测平台建设架构及建设内容。旨在通过构建立体化资源监管体系，弥补传统监管方式的不足，提高国有林场信息化现代化水平，为增强国有林场森林生态功能，推动国有林场森林资源总量持续增加提供科技支撑。

关键词： 国有林场;森林防火和资源监管;“空天地人”四位一体监测系统

中图分类号：S757.1   文献标识码：A   文章编号：1004-3020（2021）05-0071-05

Four-in-one Monitoring System of “Space，Sky，Earth and Human” for

Forest Fire Prevention and Resource Supervision of National Forest Farms

Yuan Chuanwu（1） Zhang Wei（1） Luo Yong（2） Lin Hu（2） Wang Yi（1） Cao Guo（3）

（1.Hubei Academy of Forestry Wuhan 430075;2.Hubei Forestry Information Center Wuhan 430072;

3.Hubei Institute of Science and Technology Information Wuhan 430070）

Abstract：

According to stituation and forest resource supervision requirements of national forest farms，the authors constructs a four-in-one monitoring system framework for forest fire prevention and resource supervision of national forest farms，and proposes a four-in-one monitoring platform system architecture for the four-in-one monitoring platform for forest fire prevention and resource supervision.The aim is to build a three-dimensional monitoring system for forest resources in national forest farms，to make up for the shortcomings of the traditional forest resource supervision methods of national forest farms，to improve the modernization level of national forest farms，to enhance forest ecological functions of national forest farms，and to provide the technology support for continuous increase in the total forest resources of national forest farms.

Key words： national forest farm;forest fire prevention and resource supervision;four-in-one monitoring system of “space，sky，earth and human”

前言

国有林场是生态建设和林业建设的主力军，在改善生态环境与防灾减灾方面发挥着无法替代的重要作用。加强国有林场数字化、网络化、可视化、智能化建设，提高国有林场资源监管效能和水平，对保护和利用国有林场森林资源具有十分重要的意义。湖北省有200多个国有林场，在全面完成国有林场主体改革任务后，面临着保护生态资源、加强森林经营、发展林业产业、加强科技支撑、加强基础建设和创新制度建设等方面的难点。其中，保护生态资源和加强科技支撑是关键。采用高科技手段，创新国有林场资源监管模式，全方位监测国有林场森林资源，是未来国有林场发展的必须趋势。

当前，以云计算、物联网、移动互联网、大数据为代表的新一代信息技术正成为推动森林防火及资源监管科技化、智能化转型升级的新动力。采用基于卫星遥感、无人机、智能烟火识别、多光谱热红外成像等信息技术进行国有林场森林火灾及资源监管监测系统建设，构建国有林场森林火灾及资源监管“空天地人”四位一体监测系统，既能弥补传统森林资源监管方式的不足，又能对国有林场森林资源形成有效保护，是当前国有林场森林防火及资源监管智慧化发展的必然选择[1]。

本研究针对国有林场现状和森林资源监管需求，通过建设集卫星遥感、无人机监测、高点云台监控、地面人工巡护“空天地人”四位一体、节能环保、开放共享的森林防火和资源监管系统，构建国有林场森林防火和资源监管信息化应用管理体系，实现国有林场森林火灾与森林资源实时、高效、自动、精准监管，为国有林场资源保护与修复的可持续发展提供有效支撑。

1 建设思路

按照全省森林资源监管“一中心四系统”建设规划，“一中心”是指湖北省林业局、地方林业部门、国有林业等各级部门森林防火和资源监管应急指挥中心;“四系统”是指“空天地人”四位一體监测手段，由卫星遥感监测、无人机巡护、视频监控和人工巡护等四大系统构成，利用各类技术手段自身特点，在时效性和空间维度上相互补充，构建全省特别是重要区域和重点部位的森林火灾及森林资源立体监测网络，补齐林业自然灾害防范、资源监管及应急指挥短板，提升森林防火及资源监管信息化应用水平和保障能力。

由于森林火灾具有突发性和破坏性的特质，使得卫星遥感监测、无人机巡护、视频监控和人工巡护等不同的林火监测设备在时空监测能力和监测数据采集能力方面存在差异，一种监测技术难以实现所有火灾数据的采集[2]，需要对各种监测技术进行组合，才能实现全天候、全覆盖的森林火灾实时有效监测与火情及时分析研判。因此，利用遥感卫星、无人机等获得的整体监测资料与高点云台、护林员等获得的地面监测数据，进行互相补充及对照，可获得更全面的森林火灾监测数据[3-5]。

具体来说，就是通过“空、天、地、人”四个角度对国有林场森林资源进行实时监测，在林区建设空（卫星遥感）、天（无人机监测）、地（高点云台监控）、人（地面巡护）四位一体监测网络，对国有林场森林火灾及森林资源进行全域、全天候高效监测，完善国有林场森林火灾及森林资源监测预警体系，为国有林场森林火灾的预防、控制和扑灭及森林资源的保护、研究和利用提供数据支撑和决策辅助。

2 系统框架

2.1 总体框架

国有林场森林防火和资源监管“空天地人”四位一体监测系统，主要由监测中心平台及“空天地人”四位一体数据采集系统构成。数据采集系统实时采集各类监测数据，数据类型包含视频、图像、音频、地理信息等，通过网络传输至监测中心平台，经规约、转换、清洗后入库存储，通过接口访问、数据集成、统计分析等方式实现各项应用。

监测中心平台。接入全省林火卫星遥感监测系统，建设森林防火预警管理模块、森林资源监管模块、无人机监测预警模块、视频监控管理模块、人工巡护模块、大屏应用模块、运维管理模块、林业数据库、林业生态监测管理模块、病虫害监测管理模块、旅游资源管理模块、大数据分析模块、智能云广播模块及配套指挥中心等。

“空天地人”四位一体数据采集系统。对接湖北省林火衛星遥感监测服务平台，建设无人机监测、林区高点云台及路面监测、人工巡护监测及智能云广播、网络与安全等配套设施。

2.2 平台架构

根据系统架构，根据国有林场森林资源监管的业务职能，分为数据采集层、网络传输层、数据资源层、应用支撑层、应用层、用户展示层等层次。其中数据采集层和应用层是最重要的功能层。

（1）数据采集层：主要包括卫星遥感监测、无人机监测、高点云台监控、道路卡口监控、巡护终端、生态监测站、病虫害监测站、野生动物监测等。主要实现前端各类数据的采集，是平台的眼睛和触手，是融合遥感技术、无人机技术、视频监控技术、物联网传感技术等高新技术手段构建的“空天地人”一体化立体感知网络。

（2）网络传输层：林业专网、互联网、移动4G/5G、NB-Iot等，主要实现感知数据的传输，是连接前端采集设备和后端数据资源层的纽带，承担着数据传输、整合通信、控制指令上传下达的任务。

（3）数据资源层：基础库、地图库、视频图像库、专题库、林业资源库，主要是实现数据服务功能，按照数据标准要求，将各类自然资源监测数据、业务管护数据、外部共享数据进行统一汇聚、整合，建立专题数据库，实现一体化管理和数据资源信息的共享和互操作。

（4）应用支撑层：主要包括统一身份认证、统一权限管理、数据交换服务、报表引擎、计算/储资源、日志/录服务、应用中间件、GIS平台，主要实现平台用户的操作服务及管理，为平台提供稳定的软件支撑环境。

（5）应用层：主要包括卫星遥感监测系统、无人机监测预警系统、视频监控管理系统、人工巡护系统、森林防火预警与管理系统、森林资源监管系统、林业生态监测管理系统、病虫害监测管理系统、旅游资源管理系统、智能云广播系统、大数据分析系统、运维管理系统等，主要是主要实现各类数据的融合、挖掘和应用，基于感知监测、病虫害防控、巡护管理等方面定制开发业务应用系统，同时，利用数据分析技术开展专项分析和评价。

（6）用户展示层：主要包括大屏展示、移动终端、PC端，主要实现数据可视化展示与结果呈现，支持LED大屏幕、PC端和移动端、电子沙盘等的展示。

3 建设内容

防火监测中心平台采用分级管理模式，通过统一登录入口访问和使用权限范围内的所有数据及功能。平台集成多路告警来源，形成“空天地人”四位一体预警监测网络，实现国有林场森林火灾与森林资源全域、全天候监测预警。

3.1 林火卫星遥感监测

湖北省林火卫星遥感监测服务平台是全时段、反应迅速、交互简便、多种监测卫星并行的火情监测预警平台，可实现火点信息准确推送、火情信息自动报警、火情信息查询等功能。国有林场建设时，提供本场范围矢量图，由湖北省林业局统一对接，获取使用授权，并获取卫星火点实时数据。

3.2 无人机监测

国有林场根据本场特点，建设无人机监测系统，并与监测中心平台对接。林区面积0.33万hm2以下可选配多旋翼无人机，林区面积0.33万hm2以上的可选配垂直起降固定翼无人机，用于大范围林区巡护、森林防火、资源监管、病虫害实时监测[6]。经济条件好林场，可建设无人机自动停机坪，实现无人机自动起降、存放、自动充/换电、远程通信、数据存储、智能分析等功能。无人机监测系统与全省无人机云管制平台对接，平台提供无人机设备统一注册、分配唯一设备编号和唯一识别码，记录无人机使用情况、飞行情况、维修保养情况，支持扫描二维码或输入无人机编号进行查询和追溯，国有林场按照组织结构和权限分级管理模式使用。

3.3 林区高点云台监测

林区高点云台监测主要由双光谱热成像摄像机、镜头、防护罩、云台等组成，高点云台应借助林区通信塔装载，林区无通信塔的可自建监控塔。各国有林场根据本场特点及实际需求，选择合适的双光谱热成像摄像机，根据监控的范围选择镜头和云台。

3.4 林区路面监控

林区路面监控摄像机安装在林区主要道路路口、标识点和值班室。国有林场结合本林场特点和实际需求，选定合适点位安装，对林区的乱砍、乱伐、偷盗等违法行为进行实时监控。主要道路路口采用枪式摄像机，标识点采用球型摄像机，值班室采用半球摄像机。

3.5 人工巡护监测

人工巡护APP由湖北省林业局统一开发，授权使用，国有林场根据本场特点及实际需求，自配备一定数量的搭载Android系统的手机或平板等智能手持终端。人工巡护APP可实现离线地图、实时导航、火情处置、地图展示与操作、日常巡检、实时视频等基本功能。

3.6 林区物联网生态监测

利用NB-IoT技术、低轨卫星技术、无人机等物联技术进行国有林场森林资源生态环境因子监测，通过自组织的方式构成无线生态因子传感网络，实时监控并获取林区植被生长情况、火情情况、病虫害情况、干旱缺水情况及生态环境因子、气象因子、土壤肥力、土壤酸碱度等因子变化情况，将监测数据传输至大数据平台，为国有林场森林资源综合评价提供数据和信息，实现国有林场森林资源和环境的精准监测与保护。

（1）资源监测：包括森林面积、森林覆盖率、森林蓄积量、森林植被类型、森林结构、动植物类型、林地利用与干扰、森林管护人员等。

（2）土壤监测：包括土壤理化性质（pH值等）、土壤微生物等。

（3）水文监测：包括含水量、泥沙量、地表径流、地下水径流等。

（4）气象监测：包括风速、风向、降雨量、温湿度、负氧离子、PM2.5、CO2等。

4 结论与讨论

（1）湖北有200多个国有林场、300多个自然保护地和1个国家公园，在全面完成主体改革任務后，森林防火任务十分繁重，省委、省政府每年投入大量资金进行森林防火设施设备建设，并要求应用新的技术、创新的新模式，进行精准化的森林火灾预防，提高林火预警响应能力。应用新一代信息技术，实现全天候、连续性、全时段的森林火灾预测预警预报，是确保火情早发现、早报告、早处置的关键。

（2）森林火灾具有突发性和破坏性的特质，使得不同的林火监测设备在时空监测能力和监测数据采集能力方面存在差异，一种监测技术难以实现所有火灾数据的采集，存在着监测方式独立、监测数据分散、监测不及时、预测不准确等诸多缺点。综合运用遥感卫星、无人机、高点云台、护林员等各种监测手段，进行互相补充及对照，可获得更全面的森林火灾监测数据，准确预测森林火灾和林火行为，确保森林火灾“早预警”“早扑灭”。

（3）建设集卫星遥感、无人机监测、高点云台监控、地面人工巡护“空天地人”四位一体、节能环保、开放共享的森林防火和资源监管系统，集成森林火灾监测、森林资源监管、森林病虫害监测、野生动物监测以及大数据分析等应用模块，实现三维场景下的森林火灾“灾前、灾中、灾后”全过程、全方位、一体化动态监管和应急指挥，对提高国有林场森林火灾监管水平与资源管护工作效率，及时掌握森林资源发展变化情况，为林业资源的精准监管提供重要科技支撑。

（4）构建国有林场森林防火和资源监管信息化应用管理体系，实现国有林场森林火灾与森林资源实时、高效、自动、精准监管，为国有林场资源保护与修复的可持续发展有效支撑。通过林火卫星遥感、无人机、高点云台、巡护APP等，对林区进行全方位监控和火点智能识别，一旦发现疑似火情，监控中心和湖北省林业局指挥中心立即发出报警信号，并在GIS地图上显示疑似火情位置。通过林场各个路口、标识点、值班室的智能监控摄像机，对人脸、机动车、非机动车、人体进行实时抓拍，快速查找可疑车辆及人员。

（5）为确保全省“空天地人”防火平台建设的统一性和防火业务适用性，按照统一接口和功能设计原则，建设一个全省统一的标准的森林防火信息平台，提供统一数据标准和平台服务接口，便于防火监测数据的互联互通和数据共享。同时，建立统一的运维管理平台，将运维与大数据技术融合，将运维流程在移动终端上完成，包括设备报修、维保管理、快速统计、身份验证等，基于移动互联网访问运维服务平台，实现数据查询、业务操作、业务流程管理，实现对运维的可视化及便捷化。

参 考 文 献

[1]袁传武，张维，王崇顺，等.湖北森林防火监测预警云平台建设技术研究[J].湖北林业科技，2019，48（2）：50-55.

[2]袁传武，张维，王崇顺，等.空天地一体化森林防火监测关键技术及实现[J].湖北林业科技，2021，50（2）：66-70.

[3]张铭晋.森林资源管理中“空天地”一体化技术集成应用[J].花卉，2021（6）：205-206.

[4]王军.黄河流域空天地一体化大数据平台架构及关键技术研究[J].人民黄河，2021，43（4）：6-12.

[5]邢保振.空天地一体化森林智能防火综合管理平台[J].电子技术与软件工程，2020（20）：140-143.

[6]袁传武，张维，罗勇，等.无人机在湖北林业的应用现状及发展途径[J].湖北林业科技，2020，49（3）：51-54.

（责任编辑：唐 岚）