林草智慧巡护管理系统设计与应用

汪 帅,郑 红,卢 楠,李 晖,彭检贵,董雅雯

(1.国家林业和草原局中南调查规划院,长沙 410014；2.国家林业和草原局林草调查规划院,北京 100714)

森林和草原是重要的自然生态系统,是水库、钱库、粮库、碳库,对于维护国家生态安全、推进生态文明建设具有基础性、战略性作用。中共中央办公厅、国务院办公厅《关于全面推行林长制的意见》[1]指出,为全面落实林长制改革,省、市、县、乡、村分级设立林(草)长；加上全国现有超过100万名各类护林员,巡林(草)的队伍日渐壮大[2-3]。与此同时,大数据、物联网、云计算、“3S”(RS,GIS,GNSS)等技术的飞速发展和日渐成熟,为林草行业现代化建设提供了新兴技术手段和创新发展机遇[4]。随后,各地基于林草资源“一张图”数据成果[5],依托地理信息平台、数据库和移动互联网等技术,采用“APP移动端+网页管理端”开发模式,建设了一批巡护管理系统[6-7],并提供实时定位、考勤打卡、事件上报、数据展示等功能,基本改变了传统手工记录巡护日志面临的无法客观界定巡护时间、巡护距离等问题,一定程度上提高了信息化管理水平,在自然保护地[8-9]、国有林场[10]等重点区域的应用中取得了长足进步。

然而,随着时空数据的激增、管理标准的提升、技术的快速迭代,巡护管理系统发展,在林草网格化管理、巡护任务管理、时空数据分析、系统共享服务等方面面临新的矛盾与挑战。例如,基层管理者人员少、工作内容多,日常巡护产生的数据量大,而系统运维管理与分析决策服务能力不强,增加了基层负担。系统建设各自为政、互相割裂,形成数据孤岛资源不共享、标准不一致问题。巡护人员巡护内容日渐复杂、责任重大,上报事件得不到及时有效处置,巡护积极性受挫等。本文针对现有巡护系统面临的问题,在全面推行林(草)长制改革的背景下,以简单实用、管理高效、决策优化为目标,依托林草行业技术标准、规程规范和管理办法,采用新兴技术手段,设计林草智慧巡护管理系统,以期为巡林、护草人员(巡护人员)提供科学图件工具,助推林草巡护工作向高质量、智慧化方向发展。

1 系统设计原则

1) 从管理角度,系统实现“一网统管”。为管理者提供业务全面、动态更新、决策优化的智慧化服务,降低基层运维负担,缓解巡护工作压力。

2) 从用户角度,系统实现“一网通用”。系统功能简单实用、维护方便,满足各级用户的需要,同时对接国家标准规范体系,数据一次采集、全网通用。

3) 从技术角度,系统实现“一网感知”。系统技术选型先进、架构设计合理、应用安全可靠,且具备较强的扩展性,达到可持续式建设目的。

4) 从成本角度,系统实现“一网统筹”。充分整合现有资源(数据、平台、终端),控制开发成本,且具备较好的资源(包括算法效率等)控制能力。

2 系统框架设计

在政策法规与标准规范体系、组织机构与安全保障体系下,林草智慧巡护管理系统框架由感知层、数据层、应用层和用户层4部分组成,如图1所示。

图1 系统框架设计Fig.1 System framework design

1) 感知层。感知层主要基于巡护人员、传感器、云广播、视频监控、无人机、人工智能等感知终端,建立“天空地人”一体化立体感知网络,实现林草数据的即时动态采集,为系统提供科学、客观、多样的数据。感知层经通讯网络将数据传输至数据层,并接收感知终端调度指令,更新各终端状态。

2) 数据层。数据层包括感知网络交换数据库、空间数据库和非空间数据库。感知网络交换数据库存储高带宽、大容量的多媒体数据、感知终端数据,经人工智能、云计算等处理,形成可供决策分析和业务应用的成果数据；空间数据库存储基础地理数据、网格化数据、林草数据、经营档案数据等；非空间数据库存储政策文件、终端台账、组织体系、巡护事件等数据。数据层整合多源数据形成林草“一套数”服务于应用层。

3) 应用层。应用层分为林草网格化管理、巡护任务管理、时空数据分析和数据共享服务。该层抽取多源数据,经标准化处理、模型映射与可视化分析,形成供用户使用的林草智慧巡护决策信息。

4) 用户层。用户层包括业务人员、管理人员和运维人员。用户在电脑端或手机端使用林草智慧巡护管理系统,每类用户权限根据政区或组织机构进行分级控制。

3 功能设计

林草智慧巡护管理系统采用“APP移动端+网页管理端”一体化服务模式,主体功能设计如图2所示。

1) APP移动端。APP移动端以用户手机为载体开发,突出简单实用,降低技术门槛、减轻外业负担、保障工作安全,主要功能包括轨迹采集、定位导航、感知网络、事件管理、一键求救、辅助决策、工作提醒和通讯录等。

2) 网页管理端。网页管理端采用“浏览器/服务器(B/S)”模式开发,满足林草智慧巡护管理需求,具备可扩展性,主要功能包括巡护实况地图、巡护记录地图、事件闭环管理、林草网格管理、巡护任务管理、感知网络管理、巡护考勤统计和辅助决策分析等。

图2 系统功能设计Fig.2 System function design

4 主要应用

4.1 林草网格化管理

林草网格化管理是以行政区、地类、权属等为区域范围,以林草资源、巡护人员、巡护事件、感知设备等为管理内容,运用GIS、信息化手段,通过信息耦合建模,实现多层级、多维度空间网格数据的有机融合、资源共享管理新模式。

1) 组织体系。实现对林草智慧巡护管理系统“一长N员”组织体系的管理。“一长”指林(草)长,由党政主要领导担任；“N员”由林长办成员单位构成,包括巡护人员、技术员、警员、消防人员等。在充分调研的基础上,建立体系完整、角色清晰、权限分明的组织体系,同时考虑到基层人员流动性强、兼职情况多、人员类型复杂等特点,各级管理员均有权限动态维护本层级范围内的所有用户信息。

2) 网格建设。网格建设分为林长网格和巡护网格(“N员”管护区)2部分。林长网格为责任体系,辖区范围通常为林长网格责任范围；“N员”为管护体系,依据资源属性、土地权属、巡护面积的差异对林长网格进行动态调整。在网格建设过程中,以林长网格为框架,综合考虑林草资源图、地籍图、管护区面积要求,建立巡护网格,进而确定“N员”规模、巡护事件处置流程、巡护考核框架等。

3) 信息耦合。耦合“组织体系”和“网格建设”,叠加林草资源数据,巡护业务数据,实现林草巡护网格化管理。横向上,各级网格管理网格面积、“一长N员”、林长公示牌等结构化信息,动态管理巡护轨迹、事件和考勤等实时业务数据。纵向上,顶层网格数据由底层网格数据聚合而来,从顶层网格能逐级下钻至底层网格,实现业务数据可视化。信息耦合为林长网格赋予业务生命力,为林草智慧巡护管理系统奠定数据基础。

4.2 巡护任务管理

巡护任务管理以规范任务管理、减轻基层负担为导向,实现任务分配与提醒、巡护路径规划和事件闭环处置。

1) 任务分配与提醒。采用“网页端+移动端”任务协同管理模式,实现定时任务、非定时任务的分配与提醒。定时任务包括巡林次数、出勤率、巡护距离等定时提醒,在网页端根据人员类型、政区级别,配置不同角色的定时任务清单,设置定时提醒策略,并下发到用户移动端；每当定时提醒策略触发时,网页端和移动端会自动告警。非定时任务包括巡林区域(巡护网格、巡护路线、打卡点)规划、发送通知公告等,网页端编辑非定时任务内容、空间位置、接收对象等信息并下发至移动端。

2) 巡护路径规划。针对林草变化图斑监管、有害生物疫区巡检、古树名木日常管护等动态巡护任务,为巡护人员提供巡护路径动态规划功能,实现按最短路径遍历所有目标图斑,快速完成巡护任务。故上述问题可抽象为“旅行商问题(Traveling Salesman Problem,TSP)”,即给定点的集合(线索位置点集),求算遍历所有点的最短路径问题。对此,国内外学者先后开展了大量的研究[11],包括启发式算法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、禁忌搜索算法等。考虑到巡护人员众多,实际工作中对于时效和性能要求高,故在实践中采用最邻近算法求解TSP近似解。

3) 事件闭环处置。在巡林过程中,巡护人员可在移动端选择通过文字、语音、照片、视频等多媒体手段上报事件的时间、位置、事件类型等信息。巡护事件具有多样性、时效性、专业性等特征,类型包括林草地类变化、破坏林草资源、野生动植物保护、林草防灭火、林业有害生物防治等。事件闭环处置管理,首先需明确用户角色,充分发挥了部门协同优势,调动林草系统各部门、非林草系统各行业(如应急部门、公安部门、检察部门等)人员参与；其次,需控制业务流程精准流转,巡护人员上报巡护事件,经专业技术人员进一步复核确认事件类型、内容、性质等详细信息后,分发至各业务部门处置,涉及非林草系统各行业间流转的提供“一键移交”功能,处置结果及时反馈上报人员和有关部门；最后,为保障事件得到及时有效处理,需要主动向有关人员告警,并实现全流程监督管理。

4.3 时空数据分析

随着林草巡护工作趋于常态化,“出勤不出门”、“出门不巡林”、“出行不上山”、“出工不出力”等问题给巡护监管带来新的挑战,传统突击检查、电话抽查等方式难以监管到位、人力物力投入大、监管效果不佳。通过巡护时空数据分析,实现有效巡护统计、轨迹分布评估和巡护效果评估,有利于降低人工投入、改进巡护方式、客观评价巡护效果、全面提升事中事后监管水平,提升智慧化水平。

1) 有效巡护统计。巡护距离和巡护时长是巡护人员绩效考评的重要指标,巡护人员“出勤不出门”或“出门不巡林”,采用简单累加巡护距离和巡护时长的统计指标无法满足巡护监管需要。对此,基于巡护网格数据,叠加林草巡护轨迹,利用GIS空间分析方法统计某一时段在巡护网格范围内的巡护距离与巡护时长,计为有效巡护距离和有效巡护时长,达到指定阈值的巡护记录记为有效出勤。

2) 轨迹分布评估。先验知识认为始终沿固定线路往返巡护的方式,巡护轨迹分布集中,遗漏问题的概率更高；反之沿不同路线、网格全覆盖巡护的方式,轨迹空间分布均匀,发现问题的概率更高。针对“出行不上山”的问题,提出轨迹均匀指数M评估轨迹时空分布的均匀程度。如图3所示,系统采集巡护轨迹的原理是周期记录移动端定位信息,并依据采样时间将轨迹点前后连接为线性轨迹。将研究区范围划分为K×K的单元格网,对落入单元格范围内的轨迹点进行计数,并利用式(1)计算轨迹均匀指数。

(1)

图3 轨迹分布评估Fig.3 Trajectory distribution evaluation

轨迹均匀指数与时间参数T和尺度参数K相关。在林草巡护管理系统中T可由用户根据实际情况自定义评价工作周期(1天,1周或1月等),而单元格长度K则根据系统中地图切片比例尺确定,例如,12级切片比例尺为1∶>5 000m,则K为 5 000m；16级切片比例尺为1∶>200m,则K为200m。

3)巡护效果评估。针对“出工不出力”的问题,以用户输入的评估对象的点、线、面图层为线索图层,融合巡护事件图层、巡护轨迹图层,利用GIS空间分析方法评估巡护人员是否未发现线索、发现线索未上报事件、发现线索并上报事件。

如图4所示,以系统巡护轨迹为中心创建线性缓冲区,叠加线索图层,利用GIS空间分析方法判断线索图层中是否与巡护轨迹缓冲区相交,未相交图斑表示巡护人员未发现该线索,相交图斑继续叠加巡护事件缓冲区。利用GIS空间分析方法判断相交图斑中是否与巡护事件缓冲区相交,未相交图斑表示巡护人员发现线索但未上报事件,相交图斑表示巡护人员发现线索并上报事件。例如,以森林督查图斑为线索图层,评估森林资源监管巡护效果,对于未发现线索的巡护人员建议合理规划巡护路线,对于发现线索但未上报事件的巡护人员开展调研回访和现地复核,对于发现线索并上报事件的人员纳入日常绩效考核。

图4 巡护效果评估Fig.4 Patrol effect evaluation

4.4 系统共享服务

全国林草资源“一张图、一套数和一张网”[5]为林草智慧巡护管理系统提供数据基础和技术支撑,以系统整合和共享为突破口,实现林草智慧巡护管理系统共享服务,有利于打破数据孤岛,避免各系统间标准不一、数据滞后、重复建设、各自为政的问题,对充分发挥林草巡护时空大数据价值、提升林草综合管理水平、提供林草资源管理决策服务、加快林草事业创新发展具有重要推动作用。如图5所示。

图5 系统共享服务Fig.5 System sharing service

1) 多源数据输入。依托物联网、大数据、“3S”等新兴技术,传感器、云广播、视频监控、无人机、遥感卫星、人工智能(AI)等感知终端为林草智慧巡护管理系统提供多源数据输入。传感器类型丰富、用途多样,便携式GPS定位卡片可有效解决巡护轨迹定位不准问题,生态定位站实现温度、湿度、气压、降雨量、风速、风向、空气质量、太阳总辐射等生态环境因子的实时监测等。云广播协助巡护人员开展语音宣传、远程喊话。视频监控基于可见光和热红外波段,实现全天候、无人值守式的实时监测、定期抓拍、调查取证和主动预警。无人机拍摄照片或视频的通视条件好、受地形限制小、监测频率高,极大地提高了巡护效率。遥感卫星采集的卫星影像覆盖广、成本低、技术可靠,是林草巡护管理重要的基础数据。人工智能技术降低巡护人员使用门槛,为动植物识别、图斑变化检测、火点识别等功能提供技术支撑。

2) 巡护数据输出。林草巡护时空大数据具有实时性、海量性、多样性、客观性等特征,将巡护人员上报各类事件作为林草湿调查监测、林草资源监督管理、森林草原防灭火、野生动植物保护、林草有害生物防治等业务的驱动数据,变传统定期监测为实时动态更新,形成林草智慧巡护管理新模式；对林草巡护轨迹、巡护事件等大数据进行整合优化与空间分析,识别巡护热点、事件热点,探索林草巡护大数据演变规律,提供客观精准的林草决策服务,为政府决策、行业发展提供科学依据。

5 结语

建设林草智慧巡护管理系统是实现巡林(草)工作现代化的重要举措,有助于提升巡护人员巡林效率；增强地方护林工作技术力量；规范护林管理工作,变被动发现为主动监管,减轻基层负担；调动林长办成员单位积极性,由林业部门“独奏曲”变为各成员单位的“大合唱”；促进制度与技术的有机融合,实现网格化、实时化、智慧化决策管理；为加快推进生态文明建设,推动林草事业高质量发展奠定坚实基础。