北斗林草综合应用服务平台建设与应用

文|林泽攀 武红敢

1.中国林业科学研究院

2.中国林业科学研究院资源信息研究所

3.国家林业和草原局林业遥感与信息技术实验室

北斗卫星导航系统是我国自行研制的全球卫星导航系统，是重要的时空信息基础设施。林草业是北斗系统应用较早的行业之一[1]，早在2001年就开始了北斗在森林防火中的技术应用研究，2002年完成了森林防火中人员、车辆、飞机的终端设备应用试验，2003年应用于森林防火实战，对及早扑灭火灾、减少火灾损失发挥了重要作用[2]。2014年国家发展改革委支持开展了森林资源调查、管护、林火和林业有害生物野外调查数据集中管理的应用示范[3-4]。通过这些项目的实施，有力推动了卫星导航技术在林草业的深入应用，但信息孤岛、数据资源割据、共享困难、效能低下、重复建设等问题依然没得到缓解，亟须建立综合应用平台，提供公共服务，共享即时数据资源，充分发挥北斗系统对各项林草业务的支撑和融合能力。

一、北斗林草平台功能架构设计与实现

2017年，中国第二代卫星导航系统重大专项行业示范项目“林业生态建设与保护北斗示范应用系统工程”启动实施，由中国林业科学研究院牵头实施。该项目编制了北斗林业应用标准规范，针对森林资源监管、森林火灾巡护监管和野生动植物保护等3项业务，开展了林地年度变化更新、林政执法监管、森林火灾监控、森林火灾扑救联合调度和保护区巡护等5个典型林草业务与北斗系统的深度融合应用；开发了6类林业北斗终端（手持巡护型、手持智能型、车载型、勘界测量型、应急指挥型和RDSS通信终端），并在内蒙古、辽宁、吉林、黑龙江、江西、湖南、广东、四川、贵州、甘肃与内蒙森工集团等11个示范区推广10.54万台（套）。利用林地“一张图”、遥感信息服务和北斗LBS服务等，建成了北斗林草综合应用服务平台（以下简称北斗林草平台），为北斗林草业务应用赋能[5]。

图1展示了北斗林草平台的总体架构，采用了“四横三纵”式的云服务体系结构，按照“统一用户管理、统一数据服务、统一终端接入（注册、位置采集、事件上报）、统一短报文通信转发”的“四统一”要求，开展了林业用户需求迭代、总体设计和优化完善工作。2019年底，完成了平台的软硬件环境建设，初步实现了野外巡护、扑救、林地变更数据的采集、传输与管理。2021年10月，根据林草业发展的新形势、新使命，调研广东、辽宁、内蒙森工、吉林等示范单位业务应用新需求，围绕位置、事件（照片、视频、语音、文字等信息）采集服务于相关业务应用系统这一典型场景，对北斗林草平台涉及的支撑系统、应用系统和APP等进行了全面升级改造，进一步实现北斗技术与林业业务深度融合应用。目前，北斗林草平台注册终端已达10万余台，实现了林业业务事件的实时上报和全方位共享，累积获得巡护数据近5亿条，已成为守护祖国青山绿水的“定海神针”。

图1 北斗林草综合应用服务平台总体架构

二、北斗林草平台深度融合典型林草业务管理服务

国家林草局肩负着林业生态保护修复、国土绿化、林业有害生物防治与检疫、森林资源管理与经营、草原保护与利用、湿地资源监管、荒漠化防治、野生动植物保护、自然保护地管理、国有林场和种苗管理、森林草原防火巡护与早期火情处理等职责。北斗林草平台的数据服务技术流程设计（图2），立足于林草业上述业务相互依存、互为支撑、紧密关联的耦合关系，支撑建立合纵连横、部门协同、上下贯通、业务联动、任务明晰的管理机制，实现了野外数据即时采集、快速传输、海量存储和智能分析，极大提升了林草行业的资源管理水平和能力，践行了“共建、共享、共用”的林草生态网络感知系统理念。

图2 北斗林草综合应用服务平台的数据服务流程图

三、北斗林草平台显著促进科研成果集成转化落地

在北斗林草平台上集成了林草领域遥感监测与信息化建设成果，使平台功能得到不断扩充完善，目前已经形成了图3所示的林草即时数据通导遥综合服务能力，其中白色框为北斗林草平台原有设计功能，橙色框为新增业务功能模块。该平台极大提升和拓展了北斗系统的林草业务服务范畴和技术保障能力，充分展示了“北斗+”“+北斗”的应用潜力，实现了示范项目的辐射引领作用，突显出北斗系统的基本服务能力与特色服务优势已经在林草时空数据的即时采集、快速传输和林草湿荒资源的高效管理等方面发挥重要作用。

图3 北斗林草平台的即时数据通导遥综合服务功能图

新增业务应用的服务功能如下：

1.三北防护林体系工程管理服务应用

2019年，基于北斗林草平台，以三北工程管理与动态评估需求为目标，运用高分遥感、卫星导航、移动互联网等信息技术，整合三北防护林生态修复相关信息资源，构建了统一的三北防护林生态修复综合数据库与工程管理服务系统，实现了三北防护林体系建设的在线协同管理、宏观监测评估与综合分析，提高了工程建设科学决策能力，为推进新时期三北工程建设和提升三北防护林工程建设信息化服务水平发挥了重要技术支撑作用。

2.林火卫星遥感监测系统应用

在北斗林草平台提供的技术数据支撑和地面管护业务能力基础上，基于自20世纪80年代开始的森林火灾卫星遥感监测与评估技术研究，集成法国SPOT、中国风云系列、中国环境系列、美国陆地卫星TM系列、日本Himawari等卫星遥感数据的林火监测评估模型，为国家相关部门提供遥感监测评价产品服务，实现了历史系列化成果的集成落地，提升了科研服务的质量效率。

3.林火无人机遥感监测系统应用

2021年1月，中国林业科学研究院资源信息研究所承担了张家口市崇礼区森林防火综合体系中无人机林火巡护监测系统的建设，基于北斗林草平台的软硬件保障条件，该系统集成了烟火识别、人员检测等智能算法，并结合无人机的精准操控、快速获取和实时传输地形地貌特征、森林植被及可燃物载量信息的特点，实现林火高效巡护，及时掌握和排查相关隐患状况。该系统圆满完成了北京冬奥会和冬残奥会崇礼赛区森林草原防灭火工作科技保障，并在为后奥运时代持续为崇礼森林生态安全保驾护航。

4.林火地面遥感监测系统应用

中国林业科学研究院在“十一五”期间就开展了森林灾害的远程视频遥感监测技术研究。以北斗林草平台为支撑，集成升级了森林资源管护视频系统，在所属的华北林业实验中心（北京门头沟）、亚热带林业实验中心（江西大岗山）和热带林业实验中心（广西凭祥），共计部署了163个视频监控和130个卡口的森林防火“千里眼”，实现了视频监测数据的共享、共用与管理，守护了宝贵的森林资源和研究基地。

5.三维可视化林火蔓延模拟应用

基于平台的高精度时空动态数据，运用虚拟现实和三维可视化技术，结合遥感热点和三维可视化数据服务发布的林火蔓延模型计算，实现了林火热点附近的林火蔓延模拟。即在系统中选择林火热点，通过林火蔓延功能，展示该林火热点位置处的火线分布情况，支持按时间序列展示火线蔓延效果，并辅助火焰、烟雾、树三维模型等三维特效。

6.林长制管理系统应用

研建了林长制管理系统，利用北斗林草平台的资源巡护系统辅助林业生态资源的位置、范围、边界进行全面感知，实现五级林长责任制。通过林业生态网格化管理，做到责任上图，能够对工作任务进行实时跟踪，重大事件督办管理。具备不同业务的融合管理能力，强化各级林长、部门之间的协同管理功能，并且能够通过绩效考核，可测评各级林长的业务能力以及林业生态的治理效果。

四、北斗林草平台支撑构筑良性循环的科研生态链

“十四五”期间，林草业重大病虫害数字化精准监测预警系统、森林立地质量定量评价与适地适林决策系统、森林全周期多功能经营决策系统和森林大型动物无人机智能监测技术系统等陆续开展论证建设。基于北斗林草平台建设成果，一方面，可高效共享和利用现有软硬件环境资源，为技术验证和模型优化完善提供基础保障；另一方面，随着北斗林草平台的持续运行和业务融合，指数级增长的平台数据的清洗、智能分析利用所衍生的技术问题，也将为科研攻关提出新课题、新任务，进一步促进北斗技术的融合应用。图4展示了从生产实践和社会需要中发现问题，做实科研的源头，解决可持续发展创新和持续性产出科技转化成果的途径，形成了选题（技术痛点）、研发、验证完善、业务化应用的良性循环“链条机制”。

图4 林业空间信息技术应用研究良性循环图

林草业作为空间信息技术的重要应用行业，作为北斗专项示范项目的建设成果，北斗林草平台充分发挥了其引领、辐射和带动作用，彻底打破了各业务间的信息孤岛，实现了纵向到底、横向到边的即时数据获取与共享，火情预警、决策、处置响应时间从小时级缩短到分钟级，极大促进了林业信息化技术成果落地生“金”，为林业高质量发展贡献了北斗力量。