北斗林业生态移动巡护平台在森林管护中的研发及应用

李元鸿,孙艳丽,张 英,张运才,庞 奎,李 晖

(1.甘肃祁连山自然保护区管理局,张掖 734000；2.北京市林业勘察设计院,北京 100029； 3.图锐(北京)信息技术有限公司,北京 100193；4.国家林业和草原局调查规划设计院,北京 100714)

随着我国社会经济的持续发展,人民的物质生活水平不断提高,民众对优美的生态环境的需求表现得愈发强烈,国家也对生态环境问题也越来越重视。特别是党的十八大以来,习近平主席曾多次在不同场合提出“两山”理论[1],强调了森林关乎国家生态安全的论断,倡导建设生态文明和美丽中国,使良好的生态环境成为最普惠的民生福祉。因此,森林将在我国生态文明建设中占据重要作用[2-4],这对森林管护工作提出了更高的要求。北斗林业生态移动巡护平台的研发应用,标志着林业资源管护巡检、管护调度全面实现了信息化网络监管,这将大幅提升林业资源的信息化监管水平,进一步提高对我国林区的动态监管时效,实现了森林管护队伍专业化、管护手段现代化、管护设施标准化的“三化”目标。

1 森林巡护管理现状

根据最新的调查数据显示:截至2018年,我国森林面积为2.2亿 hm2,森林蓄积量为175.6亿 m3,实现了森林面积和蓄积量连续30年的增长,森林覆盖率达到22.96%,比第八次清查结果提高了1.33%[5]。在全球新增绿化面积中,我国约占25%,贡献率第一[6]。这表明我国绿化工作取得了显著成绩,这些成绩离不开基层护林员日常的森林管护工作。为了继续巩固和扩大我国绿化成果,需要认清和着手解决林业巡护管理中依然存在的一些问题。

从地形结构来看,我国森林资源多分布在东北、西南、东南等边远的山地丘陵地区[7-8],林区环境复杂多样。如,西南的横断山脉地区,生境多样、物种丰富,林内山路难走,条件恶劣,多数区域网络信号差或者无信号,护林员一旦遭遇危险,将无法快速与外界取得联系,从而影响救援工作的开展,甚至威胁到生命安全。

从巡护工作及护林队伍来看:一是巡护工作量大,主要体现在护林员需要承担宣传和贯彻林业法律、法规、方针、政策,制止和上报滥砍滥伐、乱占林地、偷捕滥猎等多种类型的管护工作,同时还要编写巡护日志；二是工作内容多而辛苦,在2018年2月公布的数据显示,全国选聘的生态护林员人均管护森林面积超过253 hm2[9],管护面积过大[10-12],容易出现立地环境较好的区域重复巡护,而偏远的区域巡护次数较少或者遗漏的情况；三是护林人员年龄结构不合理,通过李涛[13]对2018年陕西省商南县选聘的989名生态护林员的调查,刘怀君[14]等对四川省阿坝州理县所聘用的第一批和第二批生态护林员的研究,以及滁州林业局[15]在2018年9月发布的调研报告可以发现,目前从事护林工作的人员主要为中年人群,且学历多为初中及以下,整体文化水平低,主要表现为巡护日志书写不规范、内容叙述不完整,个别人员甚至不能独立完成巡护日志的填写,存在保护意识不强,专业技能不足[16-17],智能设备及其软件使用困难等问题。

从管理角度来看,目前,在森林巡护管理方面存在不便主要体现在3个方面。一是巡护时间、路线界定较难。在缺乏有效监控的情况下,护林员的巡护日志所记载的巡护路线可信度不高,记录信息不规范,趋于形式化[10],管理人员无法据此实时准确地掌握护林员日常的巡护轨迹及工作完成情况。二是巡护资料多以纸质形式保存。由于纸质材料受环境因素影响较大,容易出现损坏丢失的情况,且保存时间越长,字迹越容易变得模糊不清[18],从而给查阅带来不便。三是巡护监管方法落后。管理人员针对护林员中存在的“出勤不出门”、“出工不出力”[13]和巡护日志记录弄虚作假等现象,常采用抽查方式进行现场突击检查[19],或者采用电话核实的方法,投入的人力、时间成本较高,监管不易到位,力度不强,所取得的效果不佳。

2 北斗林业生态移动巡护的研究背景与平台组成

2.2 研究背景

为了解决上述问题,2017年,国家林业局(现国家林业和草原局)协同中国林业科学研究院等有关单位开展林业生态建设与保护北斗示范应用系统工程项目建设,其中涉及到保护区巡护管理系统及北斗巡护终端。北斗林业生态移动巡护平台(以下简称平台)是在这样的背景下研发的,该平台的应用,为森林巡护提供了信息技术支撑,对实现森林日常管护工作的精准化,提升护林员的工作效率和管护质量,起到了积极作用。同时,使我国森林资源得到了更有效的保护,促进了林业治理体系和治理能力的现代化建设进程。

2.2 平台架构

平台架构由感知层、平台支撑层、平台服务层和用户层4个部分组成,具体情况如图1所示。

图1 平台架构Fig.1 Frame of the platform

1)感知层

该层可分为通讯层和监控层,其中监控层是采集林业相关巡护数据,主要通过北斗移动巡护终端、智能监控终端和无人机等设备进行林业巡护数据采集。通讯层是将采集的数据传输到管理平台,可通过北斗卫星、移动网络、互联网、专网、物联网等方式进行林业巡护数据传输。

2)平台支撑层

主要由计算资源池、存储资源池、网络资源池构成,对护林员上报的数据和自动采集的数据,进行数据标准化加工处理以及数据检查,包括数据完整性检查、属性检查、安全性检查、逻辑一致性检查等,清除其中噪音数据、无效数据,最后建立起林业巡护本底数据库。

3)平台服务层

建立统一的用户管理运维系统,管理用户的功能权限、数据权限等内容,可支持分布式消息调度引擎、数据服务引擎、数据接入服务,并提供位置数据存储、位置数据处理、位置数据共享发布、北斗终端管理、北斗数据服务等功能。为北斗林业生态移动巡护应用系统开发提供运维维护支撑。

4)用户层

该层是应用系统面向不同级别用户,满足省、市、县、乡4级用户的林业巡护管理权限需求,不同的用户级别实现不同的管理功能。其中基层用户可分为管理员用户和护林员用户两个类别。通过应用系统使用,实现森林病虫害、森林防火等多种巡护业务上报以及对护林员的监督、管理,能够为管理员提供可视化的指挥调度。

2.2 平台功能结构图与数据流程图

2.3.1平台功能结构图

平台由北斗林业移动巡护终端和林业巡护管理系统两大部分组成,主要功能结构如图2所示。

图2 北斗林业生态移动巡护平台功能结构图Fig.2 Functional structure diagram of Beidou Forestry Ecological Mobile Patrol platform

1)北斗林业移动巡护终端

北斗林业移动巡护终端是充分利用成熟组件进行程序开发。终端设备基于北斗、移动基站及WiFi热点融合智能,以实现更快更准的定位。使用ROOM和SQLITE 3进行终端数据存储访问,以确保移动巡护终端离线工作数据的安全。

北斗林业移动巡护终端主要是护林员野外巡护时所使用,它为护林员提供包括天地图、谷歌地图等多种类型的矢量和影像地图等服务。护林员只需手持北斗林业移动巡护终端,便可进行日常的巡护工作。

一个移动终端可以开展多种林业巡护任务,采集多种业务数据。如,北斗林业移动巡护终端可实现与植物鉴定、林业昆虫识别等APP软件的对接。护林员在巡护过程中若遇到比较感兴趣但又不了解的植物或昆虫时,可以利用这些专业软件对此加以识别、鉴定,这既能够帮助护林员在工作过程中学习植物、动物、昆虫在形态特征、生长环境、分布范围等方面的知识,又增加了巡护工作的乐趣,调动了护林员完成日常巡护工作的积极性,使其能较为积极主动地配合完成各项林业资源调查任务。

2)林业巡护管理系统

系统设计使用JAVA作为基础编程语言对林业巡护管理系统进行开发。系统可以创建用户,分配角色和权限,编辑护林员信息,对终端设备进行管理,提供自定义设置巡护业务和事件描述的习惯用语等功能。用户在系统上可以划分责任区,配置巡护人员,实现对护林员的考勤统计、实时定位和跟踪,即时完成查询和处置上报事件等任务。该系统实现了对林业巡护人和事的精确化、专业化、标准化监督管理,推进了林业的信息化建设,提升了森林管护的科学化水平。

2.3.2系统数据流程图

1)平台工作流程

管理员在林业巡护管理系统中首先进行巡护区划分和人员安排,然后下发巡护任务。北斗林业移动巡护终端会自动实现数据更新,护林员只要按照接收到的任务,到达指定的巡护区域,开始考勤打卡,完成巡护和事件上报等工作,在当日巡护结束时,巡护终端便会自动生成一条巡护记录以及巡山日志,并将巡护数据自动同步上传至林业巡护管理系统中。管理员可以在系统上查看护林员出勤状况、巡护轨迹,对其进行实时跟踪定位,对上报事件进行查看、处置,及时完成消息发布以及可视化指挥调度等任务,还能够导出巡护业务数据实现共享。平台工作流程如图3所示。

图3 北斗林业生态移动巡护平台工作流程Fig.3 Workflow of the Beidou Forestry Ecological Mobile Patrol platform

2)平台系统数据流程

如图4所示,北斗林业移动巡护终端会将初始的设备注册、登录以及采集的巡护数据等信息上传至服务器存储,经过数据加工、处理,把这些采集和下发的数据进行分类,形成系统管理数据(用户数据、设备数据、角色数据等)、基础数据(习惯用语数据、责任区数据、法规资料数据等)、专题地图数据(展示护林员位置、巡护轨迹、上报事件等信息)、下发信息数据(通知公告文档数据)。平台系统数据流程图如图5所示。

图4 移动终端巡护流程Fig.4 Mobile terminal patrol process

图5 北斗林业生态移动巡护平台数据流程图Fig.5 Data flow chart of Beidou Forestry Ecological Mobile Patrol platform

3 实现的关键技术

3.3 基于北斗短报文,实现一键式紧急通信

在日常巡护中,护林员若遇到失足遇险、森林大火、野生动物袭击等突发事件或紧急情况时,利用北斗短报文通信功能模块,进行接口调用和对接,实现一键式“SOS”紧急呼叫,尤其是在无网络信号情况下,这能有效解决林业巡护过程中存在的通讯盲区问题,能够及时将信息传输到指挥中心,以便决策者做出快速响应和指挥调度。北斗短报文一次最多可传输120个汉字[20],内容科包括终端编号、巡护类型、巡护事件、时间等,具体信息如表1所示。

表1 北斗短报文电文内容Tab.1 Beidou short message content

3.3 基于RNSS技术,实现护林员实时定位

终端设备利用北斗第三代RNSS提供的位置、速度和航行参数计算服务,并采集其数据上传至服务器存储。运用WebGIS技术[21],用户可以从系统浏览器界面向服务器发送服务请求,提取有关护林员位置坐标,上报事件地点、移动轨迹等数据,服务器将这些数据通过网络回传给浏览器端,在系统中加载运行,可瞬间生成反映当时最新护林员的位置、巡护轨迹、上报事件地点等空间分布的专题地图,即实时地图,提供可视化展示,有利于加强对护林员的监管和实时跟踪,提高管理效率。

3.3 基于模板式定制技术,实现多业务支持

针对护林员巡护记录书写困难、内容表述不完整、表述模式不统一等问题,采用模板式定制技术进行上报事件内容描述标准化开发,内容包括:事件类型、上报人、时间、地点等,同时,支持录音、拍照、录像,也支持用户自定义编辑模板内容。这样,护林员在巡护过程中,如发现偷砍盗伐、林地侵占等异常事件时,借助北斗林业移动巡护终端便可实现多种类型的巡护业务事件上报。上报内容自动生成,无需编辑,这样省去了填写步骤,简化了工作流程,减少了护林员的工作压力,提高了工作效率。

表2 多种巡护业务上报Tab.2 Report of a variety of patrol services

3.3 基于主题订阅分发技术,实现法规等信息查阅

数据订阅分发技术,它是将原始数据库中某些主题信息发布到一个公共目录服务器,用户根据自身需求从订阅端获取主题信息,实现在线订阅[22-23]。北斗林业生态移动巡护平台基于此技术进行功能开发,实现了在林业巡护管理系统中编辑和上传各级部门颁布的相关林业法律法规,或者发布一些本单位的通知通告、指挥调度等信息的功能。护林员可借助北斗林业移动巡护终端查看和订阅相关主题信息,学习相关林业政策文件,这有利于加强护林工作者对林业法律法规了解,也能增强巡护工作任务派发时效性、任务快速响应力和执行力。

3.3 应用场景技术组合方式

1)有移动网络信号

护林员在野外开展巡护任务时,通常在有移动网络信号时,采用定位导航+移动互联网+数据同步上传这样的技术组合方式。北斗林业移动巡护终端会每隔一段时间收集终端的位置坐标,并采集异常事件、图片、录音、视频等数据,通过移动互联网将巡护数据实时同步上传到服务器中。林业巡护管理系统系统会对这些数据进行检查、分类和统计分析。

图6 有移动网络信号下移动终端数据上传流程Fig.6 Mobile terminal data upload process under mobile network signal

2)无移动网络信号

在野外巡护过程中会存在网络信号不畅的情况,此时护林员可采用定位导航+数据离线保存+数据上传这样的技术组合方式,按照移动终端设备中已同步呈现的巡护任务数据,沿着规划路线开展巡护工作,终端设备会自动将采集的数据保存在本地,等到有网络信号时自动上传。

4 平台主要特色

4.4 考核统计高效简便化

护林员手持北斗林业移动巡护终端进行林业野外作业时,终端设备会定时采集坐标数据并实时上传。当护林员到达巡护责任区时,可自动实现关键点打卡,记录当时的时间、地理坐标,同时开始野外巡护工作。当日巡护结束时,会自动计算护林员本次巡护有效距离、有效时间,以及生成巡山日志和一条巡护记录,这些数据能够同步上传到林业巡护管理系统中,无网络信号时支持数据离线保存。管理员可通过林业巡护管理系统实时了解护林员的出勤状况,能够快速实现对护林员考核,并能将考勤数据报表导出。

4.4 责任区划分科学化

根据护林员负责管护的林班或小班,运用GIS技术在电子地图上划分为若干个面积大小合适、编号统一的电子围栏,即巡护责任区,整个巡护责任区能够形成闭合。管理员进行护林员分配,操作完成后生成数据包,最后系统统一下发给护林员手持的北斗林业移动巡护终端,终端设备会自动进行数据更新。管理员根据实际的巡护反馈结果和变化,能够随时在林业巡护管理系统上对巡护责任区进行重新划分和人员调整。

4.4 数据统计自动化

护林员每日的巡护信息都会同步上传到林业巡护管理系统中,管理员在系统中能够查看护林员每日巡护工作完成的汇总情况,包括出勤率、异常事件处置率等。同时,能实现对火灾隐患、病虫害、滥砍滥伐等上报的巡护事件自动分类统计,使管理员能够快速获取有价值的信息,如,统计各个责任区巡护次数及时长,各类事件高发期时间、集中发生区域,以便其合理地调整、规划责任区,科学分配相应的护林员人数。根据系统汇集的信息,及时安排人员处理各类林业巡护业务,实现林业管理和治理手段的现代化。

5 结论

针对林业巡护业务流程和管护中存在的问题,研发出北斗林业生态移动巡护平台,该平台包括北斗林业移动巡护终端和林业巡护管理系统两大部分,为森林巡护及监管工作提供了信息化技术支撑。该平台可规范护林员巡护信息填写,实现多种业务上报,支持通讯盲区的林区监测、定位与通讯,提高了林业灾害早期预警、快速应急反应和综合防控能力,从而改变了传统的森林管护方式,有效解决了林业巡护中存在的监管困难问题。该平台将林业巡护落实到责任人,提升了护林员的工作效率和管护质量,使管理员能够及时、准确地掌握林业资源动态变化信息,推动了林业治理体系和治理能力的现代化建设进程,有利于国家森林资源得到科学保护和健康可持续发展。