基于智慧林业巡检管理服务平台的林业信息化管理变革与创新

罗正敏,赵本喜，张兴敏，吴 亮

(贵州师范大学经济与管理学院，贵州 贵阳 550025)

据统计，我国的森林覆盖面积超21%。近年来，由于受现有巡检管理系统的限制，巡护巡检信息反馈不及时、不准确，预警机制不完善等问题，森林火灾、虫灾、盗窃等频频发生，对我国林业生态环境、产业发展构成严重影响，同时，导致巨大人员伤亡和经济损失。据2018年国家统计局统计，森林火灾发生次数为2 478次、受灾面积达16 309 hm2、伤亡人数约39人；2019年3月，四川省凉山州木里县发生特大森林火灾，面积达20 hm2，致31人遇难，再次引发人们对森林灾害防治管理的高度重视。同年8月，亚马逊发生森林火灾，持续燃烧16天之久，森林着火点高达36 711处，较2019年7月激增175%。分析成因发现，森林火灾既有人为因素，还有雷击、自燃等非人为因素，亟需转变传统人工巡检方式，采用“智能+手机App”的方式进行巡护巡检，加强管理，预防灾害事件的发生。

党的十九大报告指出，要加快生态文明建设，保护林草资源，实现美丽中国。同时，习近平总书记在全国生态环境保护大会上提出山水林田湖草是生命共同体。林业在我国国民经济和社会发展中的作用和地位不断攀升，但是林业管理发展的背后也面临着巨大的困难和挑战：传统巡检模式导致林业管理部门对护林员考核方式单一；护林员巡检信息反馈不及时、不准确；无法实时监控护林员的日常巡检工作，不能满足林业部门的日常管理需求。基于此，整个林业巡检工作急需转型求变，对传统林业管理过程中巡护巡检管理模式进行变革与创新。

在《中国林业信息化发展战略研究报告》中，首度提出智慧林业的概念[1]。在《中国智慧林业发展指导意见》中指出：“智慧林业是指充分利用云计算、物联网、大数据、移动互联网等新一代信息技术，通过感知化、物联化、智能化的手段，形成林业立体感知、管理协同高效、生态价值凸显、服务内外一体的林业发展新模式”[2]。智慧林业作为一种新型的林业发展模式，如何通过智慧林业战略，构建林业管理体系、完善林业巡检工作成为林业行业研究的热点问题。在林业行业中，如何构建林业巡检管理服务平台，完成林业巡护巡检工作仍然是一大重点。

1 林业巡检管理中存在的问题

1.1 现有林业管理存在感知能力不足、信息发布滞后、业务体系分散、难以有效协同等问题

在现有的护林工作中，护林员采取的仍然是传统的“巡检模式”，护林方式单一、巡检记录方式滞后，无法准确判断灾害发生率，无统一应急机制；部分护林员文化程度低，对林业部门下发的通知公告无法及时响应，对于巡检过程中发现的问题无法进行及时有效的反馈；大多数的林业部门对护林员考核方式单一、不准确，无法实时监控护林员的日常巡检工作，不能满足林业部门的日常管理需求。林业管理部门采取人工记录护林员巡检信息，对护林信息的收集存在滞后性，无法实时更新。

1.2 传统的护林员培训方式耗时耗力、成本高

据统计，截至目前，贵州省天保护林员(或林管员)、生态护林员及其他护林员共计10万余人。截至2018年2月，全国已选聘生态护林员37万余人[3]。可见，对护林员进行集中培训的难度大、费用高。

1.3 现有的林业管理缺乏有效的隐患预测方式，不能及时预警各类灾害

森林是全球生态系统的重要组成部分，由于气候变暖和人为原因，森林灾害(火灾、虫灾)的发生频率逐年增高。我国森林资源相对匮乏，而频繁发生的森林灾害除了造成巨大经济损失和人员伤亡，更对林业生态环境和林业产业经济构成严重影响，而传统的人工巡检方式对森林灾害不能及时预警响应。

1.4 林业数据收集手段单一、数据利用附加值低

通过实地走访调研得知，多数林业管理部门仍采用传统人工采集的方式收集林业资源数据，信息化程度低。已有的林业信息管理系统存在功能不完善等弊端，收集的林业资源数据存在不完整、不详细、数据相关性差以及数据利用附加值低等现象。

2 技术基础

2.1 物联网技术

谭星等提出，通过无线传感器网络(WSN)和无线射频识别技术(RFID)等物联网相关技术，实现森林资源监管、林业灾害监控、林业生态监测和林产品质量监管[4]。陈凯等认为，物联网相关技术在智慧林业建设中的应用主要包括森林防火系统、道路视频监控系统等六个方面[5]。李岩泉等认为，通过无线传感器网络、GIS等技术对突发性森林火灾进行信息提取、预判、救援[6]。卢书海等人认为，物联网技术还可以应用于木材干燥监测领域，并提出基于无线传感器网络的木材干燥监测系统[7]。

通过在林区布设温度传感器、湿度传感器、红外传感器、前端监控设备等数据采集装置与管理平台相连，实现对森林数据的采集、融合、处理，并能通过操作终端实现林区智能化远程监测。

2.2 大数据技术

汪东等人开发基于大数据的森林防火管理系统，实现森林防火管理的智能化和森林可持续发展[8]。赵伟等认为，大数据将是信息化与林业深度融合、优化林业管理方式、破解林业发展难题的重要手段[9]。余茂源认为，大数据在林业资源监控与管理、综合营造林管理、森林资源管理、林业灾害监控以及林业社会公众服务等方面都能得到广泛应用[10]。罗兴军认为，推动大数据与林业的深度融合是发展智慧林业的重要手段[11]。

通过各类传感器、前端监控设备等数据采集仪器收集气温、风速、湿度状况等结构化、半结构化和非结构化的大量林业数据，进行综合分析，深入挖掘数据的使用价值。通过对森林灾害发生的历史数据进行分析，可以对森林灾害的发生情况进行事前预防，实现对林区火险实时监控和预警。

2.3 3S技术

吴朝辉等认为，RS、GPS、GIS在森林病虫害监测与预警研究中起着举足轻重的作用，同时，3S集成技术能更好地分析林业有害生物发生规律与环境生态因子的关系，形成预测预报模型[12]。汪浩然等利用3S 技术实现对林业有害生物病虫害进行预警预报、缓冲分析、叠分析、预测范围、高亮标识、关联预防方法和防治技术的系统设计[13]。资权伟将智能手机与“3S”技术联合应用在林业调查工作中，能够及时预防及控制森林灾害，提升林业调查工作的效率[14]。张禹认为3S技术应用于森林资源监测与管理中，能及时提供盗伐林木等信息，实现森林资源监测的自动化和集成化[15]。张丽峰认为，可以通过GPS和GIS技术实现对林区护林行为的监督、协调、指派，对偏远林区日常工作严格化、规范化管理[16]。还有学者认为，智能手机已经替代传统纸卡作为森林资源调查的新载体，通过GIS、GPS、RS技术集成的数字数据采集，可以真正实现森林资源调查业务的无纸化和集成化[17]。颜伟等基于GIS技术进行二次开发营造林办公自动化系统，结束了以往逐级上报手动统计的弊端[18]。

3S技术的应用，使林业部门能够及时、准确、高效地了解森林状况。通过遥感图像观测植被等在不同时期不同情况下表现出的差异，管理人员可以及时察觉树木是否受病虫害及其他灾害类型侵扰，对森林病虫害等进行有效的防治管理。

综上，构建基于传感器、遥感网络的智能巡检与嵌入3S等技术的手机移动端，实现无纸化巡检已成为林业行业的发展趋势。随着信息技术的发展，融合物联网、大数据、3S等技术，为林业管理部门提供“智能+手机App”巡检管理方式，以林业资源管理、护林员管理和培训、林区灾害监测预防为主线，对森林火灾、虫灾及盗伐达到事前预测，对林业灾害形成一套监控-防护-预警-应急-预案的闭合综合管理流程，有效提高林业管理效率。同时，进行林业资源的调查统计，实现林业部门对森林资源的全面监管，完成主要的巡护巡检工作。实现对林区管理的实时化、感知化、智能化。

3 智慧林业巡检信息管理平台构建

3.1 平台总体架构

借鉴智慧林业总体架构构建了智慧林业巡检管理服务平台总体架构(图1)。平台总体架构主要包括采集层、数据传输层、应用层、服务层。

1)采集层

采集层是平台的基础，主要利用传感设备、物联网、大数据、3S等技术建立采集层，进行林业(资源)信息采集、简单处理及数据传输，为平台的高效运营提供基础信息及高速通道，实现人与林、林与林之间全面感知和深度感知。平台的感知范围包括林业资源(资源总量、资源结构、资源质量、木质类资源、非木质类资源等)，林业环境(气象、土壤、植被、地形等)。

2)数据传输层

数据传输层包含三大基础数据库，即林业资源数据库、林业地理空间信息库、林业产业数据库，实现数据的共建共享、互联互通。林业资源数据库包括林业资源总量数据、林业资源结构数据、森林资源质量数据、木质类林业资源数据库、非木质类林业资源数据库等；林业地理空间信息库包括地理背景数据、遥感影像背景数据和林业地理编码数据信息；林业产业数据库包括林业宏观经济、林业产业、林业技术、林业基础设施、林业企业等信息。

图1 智慧林业巡检管理服务平台总体架构

3)应用层

应用层主要包括地理信息、林业云、决策支持等平台，负责整个系统的信息加工、海量数据处理、业务流程规范、模型搭建与分析、灾害预测分析等，为实现林业资源监测、应急预防指挥调度、智能诊断等提供平台化的支撑服务和智能化的决策服务。

4)服务层

服务层主要进行信息集成共享、资源交换、业务协同等，主要内容是林业资源管理、护林员管理和培训、林区灾害监测预防及林业资源利用。

3.2 平台功能

1)林业资源管理

林业资源管理主要通过林业资源、智能分析等功能板块进行林业资源数据采集与录入、林业资源管理、林业资源维护范围划分，实现林业资源的有效管理。

2)护林员管理和培训

通过手机App中通知通告、GIS地图、历史轨迹、巡逻路线、巡检计划、在线课堂、专家坐诊、信息推送、信息交互、人员管理、在线统计等功能板块的使用，实现对护林员的管理、在线培训等。

3)林区灾害监测预防

平台借助林区布设的传感器和利用第三方网络技术实时提取气象数据，使用温度、湿度、风速和降水量四个气象指标建立五个等级火灾评估表，形成森林火险预警图，达到林区火灾的事前预测。同时，通过手机App中报警信息、隐患上报、火险气象、事件上报等功能，护林员对巡护巡检过程中的灾害隐患信息及时上报。

3.3 平台分析框架

在林业行业中对巡护巡检已有较多的相关尝试，本文以智慧林业巡检管理服务平台为例，助推林业管理巡护巡检的变革与创新。平台以大数据、物联网、3S等技术为支撑，围绕林业资源管理、护林员管理和培训、林区灾害监测预防为主线，构建了“云管理平台+手机App”的工作模式，为林业管理部门提供“智能+手机App”巡检管理方式(图2)。依托平台，管理人员可以对护林员日常巡检工作进行科学规划。平台能够记录和实时处理相关林区数据信息，实现后台的信息可视化和对灾害、报警事件的及时捕获。

平台共包含两大板块：智能巡检(智能设备)是对重点、高危林区安装视频监控，布设温度、湿度和红外传感器等，通过物联网、大数据、3S等技术支撑。采集该林区范围内的气温、湿度状况和人类活动的实时数据，为灾害预测模型提供气象和人为数据因子，结合预测模型，实现林区大数据监控；手机App巡检主要是护林员依靠App中巡检计划、GIS地图、临时走访、一键报警、火险气象、通知公告、历史轨迹、报警信息、隐患上报、巡检线路、林业资源、在线课堂、专家坐诊、智能分析、信息推送等21个功能板块对林区进行巡护巡检，实现林区灾害实时可视化、直观化。同时，通过平台形成的灾害预测模型，根据智能巡检和手机App巡检收集的气象因子、人为数据因子和植被因子等数据，搭建林区预警、应急机制，形成灾害预测报告。

图2 “智能”+“手机App”结合的分析框架

3.3.1智能巡检

智能巡检通过温度传感器、湿度传感器和视频监控等设备传回林区实时数据信息，实现对林区不间断的安全巡检。

1)视频监控

本平台可实现无人值守全天候监控预警。监控装置作为在林区布置的重要前端采集设备，后台中心管理端可以随时对林区任意监控设备拍摄的图像进行显示与控制。前端设备监测到烟火时，平台自动识别分析，并自动弹出预警画面和发出提示音。

2)传感收集

林区内布置的传感器装置可以实时不间断地采集林区温度、湿度、风速、风向、烟雾等气象信息，并将感知的环境信息、经纬度坐标通过网络(3G/4G/WAN/LAN)传输至平台，实现数据存储、分析、实时显示、报表统计等。平台针对已收集的气象信息，通过对数据进行ETL(Extract-Transform-Load)操作，即对数据从数据来源端经过抽取(Extract)、转换(Transform)、加载(Load)到目的端，然后进行处理分析。用户从数据源抽取出所需的数据，经过数据清洗，最终按照预先定义好的预测模型，来对林区当前危险等级进行判别和对灾害发生可能性进行监控。

3)遥感采集

林业管理人员进行森林巡检时可以使用已经处理好的遥感影像对保护区进行分析处理，如发现森林火灾、珍稀野生动植物、森林病虫害等情况时，将情况发送给护林员前往核查，护林员可以以拍照、视频的方式上传至对应平台数据库，做好备份及分析预判。

3.3.2手机App巡检

通过手机App，护林员可根据地图标注对巡检工作做到有的放矢，利用包括图片、视频、语音等多样化方式与林业部门管理者建立及时的数据通讯。App的使用实现了无纸化巡检，并使林区巡检与后台管理协同并行。GIS模块实现基于行政图及卫星图监控可视范围内人员的在线情况及位置。手机App记录了护林员的巡检轨迹。后台可通过两点间耗时及经过速度等信息来更加精确地分析巡护质量。平台强大的GIS监控管理功能，可实现人员监控、车辆监控、人员轨迹、车辆轨迹、人员巡检轨迹分析等五大功能。人工巡检实现护林员在巡检过程中，发现有火灾、盗采盗伐、虫害、紧急情况时，可以通过照片、视频、语音的方式上报隐患情况给后台中心端进行隐患分析，后台通过GPS快速定位护林员上传信息时所在位置的经纬度，可以快速组织人员赶往现场处理危情。

3.4 平台运作模式

智慧林业巡检管理服务平台是集云服务器+管理平台+智能巡检(智能采集设备)和手机App为一体的服务平台，可以远程跟踪和管理覆盖范围内的特定人员移动，从而记录护林员所巡路线及到达指定位置的时间，并实时上传到管理平台，实现对巡检工作的有效管理。在发生危及护林员人身安全等突发事件时，能使用一键报警功能发送紧急求救信号，标明护林员准确的经纬度坐标，给救援人员提供准确的地理位置。同时，护林员在巡护过程中将实时数据上传至平台。平台具体工作模式如下(图3)：

3.4.1数据来源

平台的数据来源包括林区布设监控设备和传感装置采集的数据，引进第三方网络数据实时提取技术来获取中国气象网上即时气象信息，护林员通过手机App上传巡检过程中的数据。

图3 平台工作模式

1)在重点高危林区布设的传感器可以不间断地传回所在林区的气象数据，为数据加工提供支持。在林区主要卡口设置了人脸识别监控设备，可以采集并识别进入林区的车辆与人员信息，通过与公安部第三研究所数据库信息进行实时比对，快速确认入林人员的基本信息。

2)平台借助第三方网络数据实时提取技术，提取了中国气象网的气象信息，数据来源于中国气象局，从而保证了数据的可靠性，为后续数据利用提供了支持。

3)护林员通过手机App采集数据：护林员携带安装有App的智能手机，巡检过程中手机App能够将实时读取和发送护林员的经度、纬度、时间等位置信息，并显示在管理平台上。护林员到达指定巡检地点后，可以就该点火灾、盗伐、病虫等实时状况通过语音、图片、视频的方式上传至平台，然后将定位信息及事件状况信息通过网络实时发送至云服务器，再传至管理中心的服务器数据库中，供管理人员进行分析、处理、统计、制作报表，提供决策依据。

3.4.2数据传输

对采集的数据设置异常阈值，当布设在林区内的各种传感器和视频监控采集到的数据超过预先设置的阈值时，传感器和视频监控将自动通过WiFi/3G/4G/5G网络上传至平台。对于在阈值内的数据，设备自动存储到自身所携带的内存中，15天后将自动覆盖之前数据，实现存储空间的循环高效利用，同时也解决了上传数据量大的问题。

3.5 平台促进林业管理实践创新

平台引入文字播报、语音转写、在线林业课堂、在线专家坐诊的功能，优化林业部门管理方式，有效地解决护林员管理和培训问题。

1)文字播报

平台率先实现将文字转换成语音。林业部门下发通知通告，平台可以直接将通知通告内容自动转换成语音，使其能及时获悉上级指示。

2)语音转写

采用先进的人工智能方式进行护林管理。在智慧林业巡检管理服务平台中，率先实现将语音转换成文字，电脑端或者手机端App将通知内容用说话的方式讲出来，自动将说话的内容转换成文字，然后形成文件通知下发给护林员，能有效地提高工作效率，便利护林员和林业部门的沟通交流。

3)在线林业课堂

通过在线林业课堂功能模块，护林员可以随时随地用手机学习护林知识。护林员只需在家听语音和看视频，就能学习护林知识，这解决了上万的护林员无法全面培训护林知识的问题，并可节省大笔集中培训的费用。

4)专家坐诊

针对森林病虫害等问题，引入专家坐诊的功能模块，护林员可以通过手机App视频集群功能，在手机App上与专家进行一对一的咨询，专家通过远程视频指导林业病虫害的防治工作。

4 灾害智慧预警

4.1 林区火灾预防

对采样处理后的气象信息进行归一化处理使得数据适用于建立模型。其次，结合遥感影像处理和GIS技术获取植被覆盖信息，形成植被因子和DEM数据(数字高程模型)整合得到的地形因子，以及林区实时视频监控和红外传感器获得的人为活动因子，实现林区大数据的获得，最后将地形、气象、植被因子以及人为因素等信息进行整合分析，将以往各个部门间的数据充分利用，建立林业森林火灾预测模型(图4)，实现每月对火灾进行评估预测。在火灾高危季节(春季和冬季)，做到每周预测，确保森林防火安全。

图4 火灾预测模型

针对林区火灾预防，采用智能巡检+手机App巡检的手段。借助智能巡检设备来检测火灾，如当视频监控画面中出现烟雾、明火或其它火灾隐患现象时，系统自动识别林区位置等相关信息，后台管理平台屏幕将自动弹出该画面并发出声光报警，提醒管理人员做出判断和处理。当布设于森林中的智能传感设备监测温度、湿度、烟感等参数，后台通过将其与森林火险等级评估表(表1)的标准进行比对，当出现有较大偏差时，系统可按预先设定的参数阈值实现黄色、红色预警提醒。当出现预警提醒后，后台管理平台将自动弹出相应报警设备所处位置，并下发临近的护林员进行临时巡检确认现场情况。同时，结合日常巡检来及时规避引发火灾的人为因素，实现林区火灾的事前控制。

4.2 林区虫灾预防

在林业病虫害防治方面，平台主要运用了3S技术与手机App巡检相结合。RS(遥感)主要通过感知植物受到病虫害侵袭时，植物自身会反射或发射出异于健康时的波谱值，然后从遥感波谱中提取有

表1 森林火险等级评估

用的信息，通过一系列的传输、加工和解译过程，快速、精准、实时地确定病害虫源、灾情分布等；利用GIS进行时空动态数据分析，精准地预报病虫害的集中爆发区域和病虫侵扰状况；使用GPS进行精度更高的定位来确定受害林区范围，及时采取相应的灾害防治措施。同时，平台在林区布设的传感器也可以对监测区域的林木生长情况进行信息搜集和分析，以此作为林木健康现状的凭证。病虫害有很强的潜伏期，而且会不定时爆发，非常难以预判，3S技术的应用能大大减轻林业病虫危害。

4.3 灾害响应机制

林业部门借助智慧林业巡检管理服务平台对林业资源数据进行调查、统计、分析，对林区区域内“山、林、树、动物、人员、组织”等进行管理，实现对区域内林区进行网格划分；平台集林区责任制、地理信息展示、日常工作管理、林区风险评估、人员组织管理、统计分析、考核评估等实用功能于一体，整合整个区域的资源和事件，以“信息采集、任务建立、任务派遣、任务处理、处理反馈、核查结案”六个闭环流程，创新服务管理工作体系，构建“一体化网格化林业管理”灾害响应机制(图5)：

图5 灾害响应机制

5 研究结论

5.1 巡检管理智能化

通过智慧林业巡检管理服务平台的应用，实现森林状况的实时可视化与直观化，完成对森林资源的日常巡检工作，实现林业资源管理信息化。林业部门工作人员通过远程操作就可以实时查看森林资源、巡护力量、火灾危险、虫灾危险等信息，在灾害发生之后，各级管理部门能够在最快的时间内通过监控图像，了解现场态势，紧急调动资源以及协同其他部门进行救援行动，增加林业管理部门所获信息的直观性和客观性，提高森林防火、防盗、防虫工作的效率。同时，通过手机App中巡检记录和巡检计划考核功能，可实现对护林员的培训和巡检工作绩效考核等。

5.2 巡检信息数字化

平台通过文字播报、语音转写、在线林业专家坐诊、在线林业课堂等功能模块，建立了林业部门与护林员之间的沟通渠道，解决了护林员无法全面接受护林知识培训的问题。通过OA办公系统，实时将通知、公告下发给护林员，护林员可通过语音转写等功能及时查收林业部门下发的指令，保证了指令执行的时效性。同时，平台通过培训，可提高护林员对风险认定的能力，并在发现隐患时可通过平台及时上报林区风险。

5.3 巡检管理感知化

通过对重点、高危林区布设温度、湿度和红外传感器等，采集该范围内的气温、湿度和人类活动的实时数据，为灾害预测模型提供气象和人为数据因子，形成森林火险等级评估表，构建灾害预测模型，实现林区智能远程监控。