北斗卫星导航系统在林业领域应用的发展探讨

徐晓峰

（航天恒星科技有限公司，北京 100086）

北斗卫星导航系统是我国自主发展、独立运行的重要战略空间基础设施。2012年12月27日起，北斗系统在继续保留北斗卫星导航试验系统有源定位、双向授时和短报文通信服务基础上，向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务。到2020年将覆盖全球，北斗卫星导航系统已逐步启动交通公路运输、海上运输、气象、渔业、公共安全、民政减灾救灾、林业等12个行业示范。

1 卫星导航林业应用现状

导航系统作为林业管理的基本工具得到广泛应用，尤其在我国林业工程的测绘、资源调查、林业灾害监测与应急处理等工作中发挥了非常重要的作用。近年来以GPS为代表的卫星导航技术在林业业务中应用广泛，并且发展迅速，用户量已达到10万以上。林业当中涉及到导航功能的项目主要有野外调查、勘界测量、野外巡护、动物跟踪、机载导航、火情跟踪监测和林产品跟踪等。目前我国北斗卫星导航的应用主要包括森林资源监测、森林防火监控与应急指挥和野生动植物保护三大业务。

（1）森林资源监测。我国森林资源监测业务主要涉及国家森林资源连续清查（一类清查）、地方森林资源规划设计调查（二类调查）以及造林作业调查设计与伐区调查规划设计（三类调查）。卫星导航系统在森林资源调查方面的研究与应用主要涉及林业野外调查、林政案件审理、采伐设计与验收等方面。卫星导航技术作为重要的空间定位应用技术与作业工具，主要应用模式包括野外调查导航定位、数据采集、地图测绘等，能够有效提高监测工作的精度和效率。目前，已实现了在巡护终端中使用北斗芯片，集成3S+C技术，支撑林业巡护通信。例如，在云南中缅边境地区，实现巡护人员配置北斗终端，打击盗伐盗猎活动。

图1 森林资源监测业务逻辑关系与业务流程图

（2）森林防火监控与应急指挥。目前，北斗卫星导航系统在林业中的应用，最主要集中在森林防火业务中的林火监测和火灾应急指挥领域。应用模式主要有野外调查导航定位、数据采集、扑火队伍与车辆等跟踪监控、货场信息采集传输等，以提供地图基础功能、火势标绘、火灾定位、火灾分析、扑救指挥、路径分析、扑火队跟踪指挥、资源管理、火险预警、火情推演、预案管理、辅助决策、应急指挥和灾后评估功能。现已在黑龙江省、天津蓟县、吉林红石国家森林公园等多地建有基于北斗的森林火灾监测及调度指挥系统，实现了低成本、高效率、高精度、全天候的获取森林内部信息，利用北斗短报文的通信能力解决林区通信盲区快速定位与预警，并根据森林防火调度的实际需要，确定了人员和林火的定位技术。

图2 森林防火监控和应急指挥业务管理流程图

（3）野生动植物保护。在野生动植物保护方面，主要应用模式有野外调查导航定位、数据采集、珍稀野生动植物跟踪。目前，基于北斗芯片的野生动物定位项圈在对藏羚羊的研究中已有了利用。在不影响野生动物日常生活的情况下，对其活动时间和活动范围进行实时了解和跟踪，利用收集的数据，研究分析其迁徙产仔等活动。使用北斗卫星提高定位精度、加快数据获取速度、保证野生动物监测数据的安全性。

图3 野生动植物资源保护业务逻辑关系与业务流程图

2 北斗导航林业应用存在的主要问题

目前林业卫星导航技术应用主要采用美国的GPS系列产品，而北斗系列产品除了林火方面还没有广泛使用。从而导致在应用中存在野外信息通信难、业务融合度低、本土化程度低、标准规范缺乏低等问题，同时设备与信息资源难以共享、利用率低，应用难度大、效率低；成为林业3S技术（卫星导航、遥感、地理信息系统）综合应用的短板。

（1）缺乏适合林业应用的北斗芯片卫星导航终端。林业资源位置分布范围广，环境复杂，需要多时空尺度监测。我国林业分布范围广、自然环境多样，空间跨度巨大，受地形约束和限制显著，多在树冠浓密的林内或偏远地区开展，尤其在峡谷地带、林冠层厚度较大或郁闭度0.8以上的林下，卫星导航定位信号较易受到影响，需要环境适应能力强的高精度的终端产品；由于林业工作涉及千山万水，工作人员需要携带多种测量设备跋山涉水，长期奔波于多种艰苦自然环境中连续工作，需要集成度高、功耗低、携带方便的工作设备；林业资源调查人员工作任务繁重，不同级别、不同类型的林业资源业务对精度要求不同，广大林业工作人员难于掌握操作复杂、技术水平要求高、适合专业人员使用的终端设备与应用软件。

（2）缺乏北斗卫星导航业务支撑与综合管理服务平台。北斗卫星导航技术的应用，一方面需要与GIS、RS以及通信技术等紧密结合，共同为林业业务信息化提供支撑，另一方面需要统一规划、综合考虑与业务系统建设的融合，才能更好的发挥报北斗卫星导航技术优势，提升业务管理水平。我国林业业务信息系统建设普遍存在目标单一、资源割据、共享困难、效能低下、重复建设等问题，导致林业信息化资源得不到充分、合理、有效地利用，一定程度地制约了林业信息化健康、协调、可持续发展。北斗卫星导航技术的在林业的广泛应用，需要统筹规划，建立综合平台，提供公共服务，共享各类信息资源，才能发挥北斗卫星导航对林业各项业务的支撑能力。

（3）缺乏北斗卫星导航与林业业务深度融合的应用系统。我国林业目前应用的主要卫星导航产品为GPS，GPS在我国的占有率达到了95%左右，由于严重依赖国外技术与产品，难于自主制定应用发展规划与计划；北斗卫星导航技术在我国应用处于开始阶段，仅在个别领域作了技术探索，离应用需求有较大差距，尚未得到国家与相关部门的行业应用重点投入，北斗芯片较GPS芯片价格上略贵，技术支撑能力弱，对于推广应用造成一定阻碍；各业务部门应用分散，导致目前林业卫星导航应用数量快速增加的同时应用广度与深度滞后，难于适应林业大量业务对卫星导航技术的迫切应用要求。

（4）缺乏通信盲区数据采集和应急求助信息传输的有效途径。林业资源位置分布范围广，多分布于人迹罕至的通信盲区。当遇到森林火灾等紧急情况，由于缺乏有效通信手段会延误救火时机，同时影响指挥扑救效率与效果，在巡护员遇到危险时，缺乏应急救助信息的快速传输，缺乏和家人通信的有效通信手段。另外在通过传感器监测森林状况时，也需要有效的信息传输以定期获得监测数据，实现灾害的预测预报。

（5）缺乏北斗卫星导航林业应用的标准规范。我国林业生态建设与保护由林业资源监管、综合营造林管理、灾害监控与应急响应、社会公共服务等各类业务组合而成。各业务对导航定位技术的应用模式与要求各异，各业务之间相对独立又彼此存在一定的关联性。因此在应用中不同业务对导航、定位和通信的要求各有侧重，同一设备只能用于特定业务，存在大量重复购置；业务系统彼此独立，大量公共、基础信息难于共享；各类测量设备之间以及业务流程涉及业务协同时，信息互动效率低。

3 北斗导航林业应用发展思路

本着先示范，后推广的原则，面向国家林业生态建设与保护管理过程中的森林资源监管、森林防火监控和应急指挥、野生动植物保护等核心业务需求，充分利用北斗卫星导航系统的定位和短报文功能，实施北斗示范应用项目建设，有效提高林业信息化保障能力，全面提升国家林业信息化管理与决策水平，完善林业信息服务应用体系。同时，通过示范省林区的示范作用推进北斗卫星导航系统在林业行业的应用，加快促进北斗示范应用系统及其配套终端设备的产业化发展。

（1）大幅提高林业信息网络覆盖率。为示范省份各级林业局门工作人员和巡护人员分别配置手持型北斗林业终端。示范省份内位于地面通信盲区的林区，其巡护人员将优先装备具备北斗短报文功能的林业北斗终端，消除林业信息网络盲区，实现示范省份90%以上林区的全覆盖，示范省份示范业务的林业信息化率达到80%以上。

（2）提高巡护现场采集信息上报的时效性。在示范省份的公益林巡护、保护区巡护和林火巡护过程中，将现有的采集信息报送网络延伸至巡护现场，采集信息报送时间可缩短为1小时以内、报送效率提高2～3倍，彻底解决示范省份发生森林火灾、盗猎盗伐等紧急事件后，因地面通信网络中断或未覆盖导致现场情况无法及时上报的问题。

（3）提高林火应急指挥和巡护监管信息化保障水平。示范省份省、地（市）、县（区）林业管理人员和林火专用车辆林业北斗终端装备率均达到100%，实现现场地面通信网络完全中断的条件下，各级政府对护林员、林火巡护员和林火现场应急指挥行动的全覆盖监控与实时指挥调度，将护林员、林火巡护员、扑救人员定位和通信保障能力提升2倍。

（4）保障林业生态安全。林业承担着保护森林、湿地、荒漠三大生态系统和维护生物多样性的重要职责，是生态文明建设的关键领域，是生态产品生产的主要阵地，是美丽中国构建的核心元素。通过推广典型业务应用，为林业生态文明建设保驾护航。

（5）满足林业业务对高精度定位需求。针对林业勘界测量等业务对高精度定位功能需求，本项目提供林业勘界测量型终端和高精度伴侣，将勘界测量工具定位精度由米级提高到亚米级，提高林业高精度设备占有率，为样地精准定位导航和林地勘界测量提供高精度定位服务。

4 北斗卫星应用推广的建设原则

4.1 标准先行、统一规范

（1）与现有标准体系有机结合：紧扣卫星导航技术在林业的业务化应用主题，充分复用现有国际、国内相关标准规范，不贪大求全，不重复建设。

（2）与林业业务紧密结合：从我国林业森林资源监管、生态公益林和保护区巡护、林业灾害应急、林业公众服务的业务实际出发，基于资源整合、流程规范、科学高效的原则，研究并设计相应的标准规范。

（3）为北斗在林业的业务化应用提供标准规范支撑。基于体系化、专业化、实用化的原则，研究并设计北斗林业综合应用框架体系及相应的特色规范。

4.2 需求牵引、应用主导

（1）需求牵引。全面分析整理当前及今后林业现代化发展过程中对卫星导航技术的需求，重点研究、分析并满足国家及林业重大发展战略实现、推动社会经济发展与产业化过程中要求迫切、条件成熟的相关需求，并开展应用示范，同时兼顾培育并引导其他潜在的需求。有急有缓、有所侧重、避免出现需求分散、全面开花的问题。

（2）应用主导。以大力促进北斗在林业的深入、业务化应用为“出发点”和“落脚点”，突出应用、注重实效，不搞面子工程和政绩工程。

4.3 技术推动、着眼未来

（1）设计完善的体系：做好顶层设计，促进资源共享。

（2）功能完备：针对林业对卫星导航定位的突出需求，以系统集成为手段，结合相关领域先进技术，研制具有集多传感器的、“多网合一”的林业终端产品。

（3）性能优越：依托一片化的北斗模块，在业内占据领先地位，大大减小整机的体积和功耗，降低产品成本，为北斗导航产业在林业应用发展作出突出贡献。

（4）便于使用：针对林业四大业务特色和应用需求，结合现有技术、产品基础，定义北斗林业终端型谱，为不同的业务类型、应用平台以及使用场合生产相应的林业终端产品，降低技术装备应用的门槛。

4.4 资源整合、共建共享

（1）资源整合。依据应用需求，资源共享为核心，用系统科学的方法对各个相对独立的系统中的数据对象、功能结构及其互动关系进行融合、聚类和重组，形成一个新的、效率更高的有机整体。充分利用和整合国家和地方已有的信息资源，对目前的数据（信息）资源和系统资源进行整合。达到数据的高度共享，实现集中管理。

（2）共建共享。改变当前林业数据系统独立、自治、重复开发的局面，促进互联互通，有效调控增量资源，优化信息资源配置，建立满足多种应用需求的林业数据共享平台，提高信息资源效益。

4.5 点面结合、全面推广

（1）点面结合：从林业业务里选择具体的业务领域，结合北斗卫星导航定位的应用特点进行示范应用，在此基础上，向整个林业业务领域进行推广。（2）横向集成、纵向贯通：选取林业应用特点突出、需求强烈的典型示范省区，基于国家-省-市（县）-乡的体系结构进行示范推广，确保示范推广的纵深。

（3）形成平台、形成装备：逐步形成覆盖林业四大业务的林业应用终端产品平台，便于构建后续应用；通过型谱的研究，形成林业手持巡护型终端、林业手持智能型终端、林业勘界测量型终端、林业车载型终端、林业应急指挥型终端和北斗林业RD 通信终端谱，在行业内部进行装备，便于推广应用。

5 结束语

充分借鉴“北斗+”和“互联网+”思维，利用林业行业现有的信息化建设的设施、数据、平台、应用系统，遵循“资源整合、共享共建，技术推动，便于推广”的发展思路，集成卫星导航、云计算、移动互联网、大数据、物联网等先进技术，广泛利用各种资源，依照行政推动与市场运作相结合的机制，发挥各方优势，采用典型示范引路、以点带面、整体推进的建设策略，实现北斗在林业的规模化应用，提高林业资源监管能力和信息化水平。