陳生海，丁建群

（懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南懷化418008）

基于“北斗二號(hào)”的武陵山片區(qū)林業(yè)監(jiān)控管理研究

陳生海，丁建群

（懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖南懷化418008）

北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航通信系統(tǒng)，可為全球用戶提供全天候、全天時(shí)的衛(wèi)星導(dǎo)航信息和通信服務(wù).隨著北斗系統(tǒng)民用應(yīng)用的日益廣泛和深入，現(xiàn)有的運(yùn)營(yíng)模式已逐漸不能滿足用戶需求.本文通過(guò)對(duì)森林防火的需求分析，研發(fā)了基于北斗二號(hào)導(dǎo)航定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)林區(qū)和預(yù)防森林災(zāi)害的發(fā)生及科學(xué)撲救的功能.

北斗二號(hào)；地理信息系統(tǒng)；林業(yè)監(jiān)控管理；森林防火

1 引言

武陵山片區(qū)林業(yè)資源十分豐富，森林覆蓋率高，且物種多樣性豐富，同時(shí)也為林業(yè)的監(jiān)控管理帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn)和困難.森林是自然界功能最完善的資源庫(kù)、基因庫(kù)、蓄水庫(kù)和能源庫(kù)，對(duì)維持陸地生態(tài)環(huán)境，維持生態(tài)平衡起著重要的作用[1].因此，對(duì)森林資源的調(diào)查和監(jiān)測(cè)以及森林災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和防治應(yīng)該得到高度的重視[2].建設(shè)林業(yè)資源監(jiān)測(cè)調(diào)查系統(tǒng)是基于我國(guó)森林與自然環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的需要，能有效的提高林業(yè)資源管理水平，實(shí)現(xiàn)林業(yè)資源可持續(xù)發(fā)展，建立林業(yè)資源監(jiān)測(cè)體系是改變以往傳統(tǒng)的資源及管理方法，減少繁重體力勞動(dòng)的需要，是保證林業(yè)經(jīng)營(yíng)單位實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)目標(biāo)的需要[3].

基于“北斗二號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng)是“北斗”系統(tǒng)基于武陵山片區(qū)林業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控管理等方面的業(yè)務(wù)需求，在森林防火、禁止亂砍亂伐、害蟲監(jiān)測(cè)、森林沙漠化監(jiān)測(cè)等方面能夠發(fā)揮監(jiān)控管理和指導(dǎo)作用，為相關(guān)林業(yè)部門提供各種監(jiān)測(cè)管理服務(wù)；為各級(jí)林業(yè)監(jiān)管部門進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度和重大決策提供科學(xué)的數(shù)據(jù)信息支持，一旦發(fā)生火災(zāi)、蟲災(zāi)、亂砍亂伐等突發(fā)事件時(shí)，能迅速預(yù)警、定位災(zāi)害中心，實(shí)施緊急減災(zāi)措施[4].

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該監(jiān)控管理系統(tǒng)是建立在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)信息處理中心和林業(yè)部門森林防火辦公室林火監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，使用了基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地理信息軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，通過(guò)北斗衛(wèi)星通信鏈路方式，向各監(jiān)測(cè)站和監(jiān)測(cè)終端等發(fā)布各種命令，包括上傳數(shù)據(jù)指令、重置參數(shù)指令、短消息、指揮調(diào)度指令等等，來(lái)對(duì)各監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行監(jiān)控管理，而且也可以通過(guò)北斗收發(fā)機(jī)按一定時(shí)間間隔（數(shù)據(jù)的采集頻率是設(shè)置好的，監(jiān)測(cè)過(guò)程中可以做相應(yīng)修改）將監(jiān)測(cè)終端采集到的各種溫度、濕度、煙霧濃度、光亮度等數(shù)據(jù)和位置狀態(tài)信息傳送到監(jiān)控指揮中心，與計(jì)算機(jī)上的衛(wèi)星遙感圖像和電子地圖匹配，在電子地圖上顯示坐標(biāo)點(diǎn)的位置，清楚、直觀地顯示各種狀態(tài)信息以及數(shù)據(jù)信息.基于“北斗二號(hào)”的林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng)的示意圖如圖1.

根據(jù)圖1可知林業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸與通信系統(tǒng)、綜合應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)和一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成了整個(gè)林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng).通過(guò)四大子系統(tǒng)有機(jī)的組合級(jí)聯(lián)保證了整個(gè)管理平臺(tái)的正常運(yùn)行.林業(yè)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2.

整個(gè)監(jiān)控管理系統(tǒng)的運(yùn)行如下：監(jiān)控指揮中心通過(guò)VPN傳輸通道和北斗衛(wèi)星地面主控站進(jìn)行連接從而獲得由衛(wèi)星地面主控站推送的北斗衛(wèi)星相關(guān)通訊信號(hào)，通過(guò)北斗衛(wèi)星用戶機(jī)群的疊加實(shí)現(xiàn)地面運(yùn)營(yíng)中心的北斗衛(wèi)星信號(hào)的上行通信，同時(shí)通過(guò)和公用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的級(jí)聯(lián)提供衛(wèi)星通信和移動(dòng)通信的互聯(lián)互通.此外，所有監(jiān)控管理系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)的北斗應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，包括相關(guān)車輛和人員調(diào)度管理等，也都將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控管理平臺(tái)進(jìn)行相連，從而獲得監(jiān)控管理系統(tǒng)所需要的各種有效信息和數(shù)據(jù).

3 子系統(tǒng)的組成及配置

3.1 林業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3.林區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)主要由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、手持采集終端、車載型采集終端以及機(jī)載型數(shù)據(jù)采集終端組成.

對(duì)于林業(yè)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)有火情發(fā)生時(shí)，最重要的是能有效地傳遞火災(zāi)預(yù)警信息.因此，無(wú)線采集傳感器應(yīng)采取多點(diǎn)布配形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò).通過(guò)布放在林區(qū)中的大量傳感器來(lái)全方位的監(jiān)測(cè)林區(qū)中的各種信號(hào)，包括溫度、濕度、煙感、光照強(qiáng)度等，將數(shù)據(jù)采集端采集到的溫度、濕度、煙感、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)化，再通過(guò)RS-485串行通信接口傳給相應(yīng)的處理器，這也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵所在.串口通信模塊將采集的數(shù)據(jù)按北斗衛(wèi)星傳輸格式要求進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換，經(jīng)另一個(gè)RS-232接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給北斗收發(fā)模塊，北斗收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)經(jīng)衛(wèi)星傳給衛(wèi)星地面總站，衛(wèi)星地面總站將最終數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星傳輸至監(jiān)控中心主機(jī)，通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳送至信息中心，同時(shí)實(shí)現(xiàn)精確定位功能.

圖1 基于“北斗二號(hào)”的林業(yè)監(jiān)控管理系統(tǒng)示意圖

圖2 林業(yè)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖

圖3 林業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 數(shù)據(jù)傳輸與通信系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)功能

1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送與分發(fā)

采集終端采集到數(shù)據(jù)后傳輸給北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳送給地面主控站.地面主控站進(jìn)行分析處理后再將數(shù)據(jù)通過(guò)北斗衛(wèi)星發(fā)送到相應(yīng)林業(yè)監(jiān)控室的指揮機(jī)；同時(shí)將所有數(shù)據(jù)通過(guò)地面鏈路發(fā)送至監(jiān)控中心.

2）遠(yuǎn)程參數(shù)配置

地面主控站通過(guò)逆向流程將監(jiān)控中心發(fā)出的遠(yuǎn)程終端配置指令通過(guò)衛(wèi)星發(fā)送到相應(yīng)北斗接收機(jī)，由北斗接收機(jī)傳送給數(shù)據(jù)采集終端，進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別碼、時(shí)間參數(shù)、采集頻率等參數(shù)的修改.

3）傳送指揮調(diào)度指令

當(dāng)有緊急事件或是林業(yè)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，監(jiān)控中心結(jié)合采集到的數(shù)據(jù)信息以及數(shù)據(jù)庫(kù)中的預(yù)測(cè)模型等采取緊急措施，及時(shí)下達(dá)救援指令.通過(guò)地面總站——北斗衛(wèi)星——救援隊(duì)，或是通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等指揮救援工作.

3.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

如圖4所示，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由北斗信號(hào)接收模塊、北斗信號(hào)發(fā)射模塊、移動(dòng)通訊模塊、增值服務(wù)模塊和通信、應(yīng)用服務(wù)及管理模塊等五大模塊組成.

3.3 數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)

數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)由數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)應(yīng)用工作站、網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)器、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、數(shù)據(jù)交換機(jī)等組成.

數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5，該系統(tǒng)功能：1）進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

林業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)分為基礎(chǔ)空間地理數(shù)據(jù)庫(kù)、專用數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用模型數(shù)據(jù)庫(kù)和元數(shù)據(jù)庫(kù).將接收到的數(shù)據(jù)按照一定的格式進(jìn)行入庫(kù)存儲(chǔ).

2）監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控

對(duì)終端采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控通過(guò)基于地理信息系統(tǒng)的接口界面實(shí)現(xiàn).當(dāng)超過(guò)設(shè)置的最大時(shí)間門限，仍沒(méi)有數(shù)據(jù)傳送時(shí)，則發(fā)送狀態(tài)查詢指令，監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)是否正常.出現(xiàn)異常時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)定位、維護(hù).

3）遠(yuǎn)程參數(shù)配置

當(dāng)發(fā)現(xiàn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)無(wú)法滿足要求而需要更改采集頻率時(shí)，即對(duì)采集終端發(fā)送重設(shè)采集頻率指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的參數(shù)配置；當(dāng)發(fā)現(xiàn)采集終端的時(shí)間超過(guò)偏差最大上限時(shí)，即發(fā)送授時(shí)指令，對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備的時(shí)間進(jìn)行重置，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程參數(shù)的配置.

4）建立林業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)

負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)林業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)文識(shí)別、報(bào)文格式檢查、要素譯碼和質(zhì)量控制等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理工作.按照所屬不同的數(shù)據(jù)種類分類進(jìn)行林業(yè)數(shù)據(jù)組織和管理，建立林業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù).

5）數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示

對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，生成指導(dǎo)性的量化數(shù)值，是林業(yè)數(shù)據(jù)與預(yù)報(bào)保障人員的接口，為監(jiān)測(cè)人員提供多種直觀形象的可視化數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提高林業(yè)數(shù)據(jù)的利用效率.

6）數(shù)據(jù)變化分析

圖4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成圖

圖5 數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

災(zāi)害背景診斷分析，了解全省或區(qū)域性的預(yù)報(bào)對(duì)象的時(shí)空分布、變化規(guī)律、數(shù)據(jù)異常及突變，為災(zāi)害預(yù)測(cè)提供背景知識(shí).

7）救援

指揮救援中心在獲得了災(zāi)害信息和精確的災(zāi)害地點(diǎn)后，將火情具體情況和撲火隊(duì)伍動(dòng)態(tài)顯示，并根據(jù)火災(zāi)地區(qū)的地形、生態(tài)、天氣等情況應(yīng)用科學(xué)的分析模型對(duì)火災(zāi)蔓延情況做出事實(shí)預(yù)測(cè)，以更好的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程指揮救援.

4 系統(tǒng)工作模式

對(duì)森林防火監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，對(duì)林火事件的反應(yīng)速度是第一位的，這樣才可把火災(zāi)的損失降到最低．在平常的工作中，應(yīng)該本著預(yù)防監(jiān)測(cè)為主的原則，這主要根據(jù)氣象條件和防火區(qū)劃來(lái)確定火險(xiǎn)天氣.相關(guān)的林業(yè)部門通過(guò)由系統(tǒng)監(jiān)控指揮中心轉(zhuǎn)發(fā)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的各種溫度、濕度等信息，結(jié)合防火區(qū)劃圖，可以給火險(xiǎn)預(yù)報(bào)模型提供輸入?yún)?shù).最終計(jì)算出的火險(xiǎn)天氣等級(jí)，然后一級(jí)一級(jí)地傳遞給相關(guān)的負(fù)責(zé)人員，這樣各級(jí)部門根據(jù)火險(xiǎn)天氣等級(jí)可以提前做好準(zhǔn)備工作.

當(dāng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后，后臺(tái)監(jiān)控指揮中心立即根據(jù)目前掌握的火災(zāi)情況，制定應(yīng)急方案.并向防火隊(duì)員下達(dá)滅火通知，防火隊(duì)員配備北斗系統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)終端根據(jù)實(shí)時(shí)接收到得指令進(jìn)行滅火任務(wù)，并根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)需求向監(jiān)控中心實(shí)時(shí)發(fā)送所需的信息數(shù)據(jù).指揮人員通過(guò)接受到的數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的模型，做出科學(xué)合理的分析和指揮，在最短的時(shí)間里撲滅大火，并預(yù)防在滅火過(guò)程中的突發(fā)事件和無(wú)法預(yù)測(cè)的危險(xiǎn).

監(jiān)測(cè)指揮中心的軟硬件主要包括大屏幕顯示器、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)終端、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)庫(kù)等.系統(tǒng)面向各個(gè)部門的服務(wù)項(xiàng)目包括：監(jiān)測(cè)預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度、決策分析、移動(dòng)信息處理等.當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，為了使現(xiàn)場(chǎng)救援指揮工作的順利進(jìn)行，通常搭建現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮中心實(shí)現(xiàn)與后方監(jiān)控中心的聯(lián)動(dòng)，依托救援指揮系統(tǒng)的硬件設(shè)備：裝備車、應(yīng)急指揮車、北斗衛(wèi)星通信車、救援直升機(jī)等，構(gòu)建海陸空“三位一體”的立體指揮調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與決策層的聯(lián)動(dòng)指揮.

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)武陵山片區(qū)林區(qū)面積大，移動(dòng)通信覆蓋不全的問(wèn)題，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)為此提供了良好的解決方案.利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位和通信功能，將其應(yīng)用于森林防火中，它不僅可以解決甚高頻或超短波通信中的通信有效距離受限制的問(wèn)題，還可以為防火隊(duì)員提供高精度的位置信息，實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航，有效解決了林區(qū)人員定位、前線隊(duì)伍與后方指揮部們的盲區(qū)通信問(wèn)題，極大地提高了森林防火指揮調(diào)度能力.該系統(tǒng)可在森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，利用該系統(tǒng)提供的輔助決策功能，制定合理的撲火方案，實(shí)現(xiàn)撲火力量的最優(yōu)配置，縮短撲火出動(dòng)時(shí)間，提高撲火效率，盡可能最大限度的降低森林火災(zāi)造成的損失.

[1]何誠(chéng)，劉柯珍，李艷云，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在森林防火中的應(yīng)用[J].森林防火，2016（2）：31-33.

[2]曹軒.北斗定位在林業(yè)行業(yè)應(yīng)用技術(shù)探究[J].電子測(cè)試，2014（12）：93-94.

[3]李濤，姚樹(shù)林，謝國(guó)鈞.北斗導(dǎo)航森林防火監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)[J].綠色科技，2015（11）：234-237.

[4]陳俊，張雷，王遠(yuǎn)飛.基于北斗和GPS的森林防火人員調(diào)度指揮系統(tǒng)[J].軟件，2012，33（2）：27-30.

[5]胥小武，田豐.基于CC2430的TinyOS系統(tǒng)移植開(kāi)發(fā)[J].沈陽(yáng)航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，26（5）：83-86.

Study on Forest Monitoring andManagement System in Wuling Mountain Area Based on Compass II Satellite Navigation System

CHEN Sheng-hai，DING Jian-qun
（College of electrical and information engineering，Huaihua University，Huaihua，Hunan 418008）

Compass II satellite navigation system is the construction of autonomous global satellite navigation and communication system that can provide global all-weather，all-time satellite navigation information and communication services.With the civil applications of the compass system increasing breadth and depth，the existing business model gradually can not meet customers’needs.Based on the analysis of the demand of forest fire prevention，this paper developed a forestry monitoring and management system based on Compass II navigation and positioning system，geographic information system and wireless sensor network to realize the function of real-time monitoring of forest area and prevention of forest disaster and scientific fighting.

Compass II；geographic information systems；forestry monitoring and management；forest fire prevention

TN99

A

1671－9743（2017）05－0046－04

2016-12-19

懷化學(xué)院科研項(xiàng)目（HHUY2017-05；ZNKZ2017-3）.

陳生海，1989年生，男，湖南懷化人，助教，碩士，研究方向：移動(dòng)通信技術(shù).