文|林澤攀 武紅敢

1.中國林業(yè)科學研究院

2.中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所

3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)遙感與信息技術實驗室

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是重要的時空信息基礎設施。林草業(yè)是北斗系統(tǒng)應用較早的行業(yè)之一[1]，早在2001年就開始了北斗在森林防火中的技術應用研究，2002年完成了森林防火中人員、車輛、飛機的終端設備應用試驗，2003年應用于森林防火實戰(zhàn)，對及早撲滅火災、減少火災損失發(fā)揮了重要作用[2]。2014年國家發(fā)展改革委支持開展了森林資源調查、管護、林火和林業(yè)有害生物野外調查數(shù)據(jù)集中管理的應用示范[3-4]。通過這些項目的實施，有力推動了衛(wèi)星導航技術在林草業(yè)的深入應用，但信息孤島、數(shù)據(jù)資源割據(jù)、共享困難、效能低下、重復建設等問題依然沒得到緩解，亟須建立綜合應用平臺，提供公共服務，共享即時數(shù)據(jù)資源，充分發(fā)揮北斗系統(tǒng)對各項林草業(yè)務的支撐和融合能力。

一、北斗林草平臺功能架構設計與實現(xiàn)

2017年，中國第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)重大專項行業(yè)示范項目“林業(yè)生態(tài)建設與保護北斗示范應用系統(tǒng)工程”啟動實施，由中國林業(yè)科學研究院牽頭實施。該項目編制了北斗林業(yè)應用標準規(guī)范，針對森林資源監(jiān)管、森林火災巡護監(jiān)管和野生動植物保護等3項業(yè)務，開展了林地年度變化更新、林政執(zhí)法監(jiān)管、森林火災監(jiān)控、森林火災撲救聯(lián)合調度和保護區(qū)巡護等5個典型林草業(yè)務與北斗系統(tǒng)的深度融合應用；開發(fā)了6類林業(yè)北斗終端（手持巡護型、手持智能型、車載型、勘界測量型、應急指揮型和RDSS通信終端），并在內蒙古、遼寧、吉林、黑龍江、江西、湖南、廣東、四川、貴州、甘肅與內蒙森工集團等11個示范區(qū)推廣10.54萬臺（套）。利用林地“一張圖”、遙感信息服務和北斗LBS服務等，建成了北斗林草綜合應用服務平臺（以下簡稱北斗林草平臺），為北斗林草業(yè)務應用賦能[5]。

圖1展示了北斗林草平臺的總體架構，采用了“四橫三縱”式的云服務體系結構，按照“統(tǒng)一用戶管理、統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務、統(tǒng)一終端接入（注冊、位置采集、事件上報）、統(tǒng)一短報文通信轉發(fā)”的“四統(tǒng)一”要求，開展了林業(yè)用戶需求迭代、總體設計和優(yōu)化完善工作。2019年底，完成了平臺的軟硬件環(huán)境建設，初步實現(xiàn)了野外巡護、撲救、林地變更數(shù)據(jù)的采集、傳輸與管理。2021年10月，根據(jù)林草業(yè)發(fā)展的新形勢、新使命，調研廣東、遼寧、內蒙森工、吉林等示范單位業(yè)務應用新需求，圍繞位置、事件（照片、視頻、語音、文字等信息）采集服務于相關業(yè)務應用系統(tǒng)這一典型場景，對北斗林草平臺涉及的支撐系統(tǒng)、應用系統(tǒng)和APP等進行了全面升級改造，進一步實現(xiàn)北斗技術與林業(yè)業(yè)務深度融合應用。目前，北斗林草平臺注冊終端已達10萬余臺，實現(xiàn)了林業(yè)業(yè)務事件的實時上報和全方位共享，累積獲得巡護數(shù)據(jù)近5億條，已成為守護祖國青山綠水的“定海神針”。

圖1 北斗林草綜合應用服務平臺總體架構

二、北斗林草平臺深度融合典型林草業(yè)務管理服務

國家林草局肩負著林業(yè)生態(tài)保護修復、國土綠化、林業(yè)有害生物防治與檢疫、森林資源管理與經營、草原保護與利用、濕地資源監(jiān)管、荒漠化防治、野生動植物保護、自然保護地管理、國有林場和種苗管理、森林草原防火巡護與早期火情處理等職責。北斗林草平臺的數(shù)據(jù)服務技術流程設計（圖2），立足于林草業(yè)上述業(yè)務相互依存、互為支撐、緊密關聯(lián)的耦合關系，支撐建立合縱連橫、部門協(xié)同、上下貫通、業(yè)務聯(lián)動、任務明晰的管理機制，實現(xiàn)了野外數(shù)據(jù)即時采集、快速傳輸、海量存儲和智能分析，極大提升了林草行業(yè)的資源管理水平和能力，踐行了“共建、共享、共用”的林草生態(tài)網(wǎng)絡感知系統(tǒng)理念。

圖2 北斗林草綜合應用服務平臺的數(shù)據(jù)服務流程圖

三、北斗林草平臺顯著促進科研成果集成轉化落地

在北斗林草平臺上集成了林草領域遙感監(jiān)測與信息化建設成果，使平臺功能得到不斷擴充完善，目前已經形成了圖3所示的林草即時數(shù)據(jù)通導遙綜合服務能力，其中白色框為北斗林草平臺原有設計功能，橙色框為新增業(yè)務功能模塊。該平臺極大提升和拓展了北斗系統(tǒng)的林草業(yè)務服務范疇和技術保障能力，充分展示了“北斗+”“+北斗”的應用潛力，實現(xiàn)了示范項目的輻射引領作用，突顯出北斗系統(tǒng)的基本服務能力與特色服務優(yōu)勢已經在林草時空數(shù)據(jù)的即時采集、快速傳輸和林草濕荒資源的高效管理等方面發(fā)揮重要作用。

圖3 北斗林草平臺的即時數(shù)據(jù)通導遙綜合服務功能圖

新增業(yè)務應用的服務功能如下：

1.三北防護林體系工程管理服務應用

2019年，基于北斗林草平臺，以三北工程管理與動態(tài)評估需求為目標，運用高分遙感、衛(wèi)星導航、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術，整合三北防護林生態(tài)修復相關信息資源，構建了統(tǒng)一的三北防護林生態(tài)修復綜合數(shù)據(jù)庫與工程管理服務系統(tǒng)，實現(xiàn)了三北防護林體系建設的在線協(xié)同管理、宏觀監(jiān)測評估與綜合分析，提高了工程建設科學決策能力，為推進新時期三北工程建設和提升三北防護林工程建設信息化服務水平發(fā)揮了重要技術支撐作用。

2.林火衛(wèi)星遙感監(jiān)測系統(tǒng)應用

在北斗林草平臺提供的技術數(shù)據(jù)支撐和地面管護業(yè)務能力基礎上，基于自20世紀80年代開始的森林火災衛(wèi)星遙感監(jiān)測與評估技術研究，集成法國SPOT、中國風云系列、中國環(huán)境系列、美國陸地衛(wèi)星TM系列、日本Himawari等衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的林火監(jiān)測評估模型，為國家相關部門提供遙感監(jiān)測評價產品服務，實現(xiàn)了歷史系列化成果的集成落地，提升了科研服務的質量效率。

3.林火無人機遙感監(jiān)測系統(tǒng)應用

2021年1月，中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所承擔了張家口市崇禮區(qū)森林防火綜合體系中無人機林火巡護監(jiān)測系統(tǒng)的建設，基于北斗林草平臺的軟硬件保障條件，該系統(tǒng)集成了煙火識別、人員檢測等智能算法，并結合無人機的精準操控、快速獲取和實時傳輸?shù)匦蔚孛蔡卣鳌⑸种脖患翱扇嘉镙d量信息的特點，實現(xiàn)林火高效巡護，及時掌握和排查相關隱患狀況。該系統(tǒng)圓滿完成了北京冬奧會和冬殘奧會崇禮賽區(qū)森林草原防滅火工作科技保障，并在為后奧運時代持續(xù)為崇禮森林生態(tài)安全保駕護航。

4.林火地面遙感監(jiān)測系統(tǒng)應用

中國林業(yè)科學研究院在“十一五”期間就開展了森林災害的遠程視頻遙感監(jiān)測技術研究。以北斗林草平臺為支撐，集成升級了森林資源管護視頻系統(tǒng)，在所屬的華北林業(yè)實驗中心（北京門頭溝）、亞熱帶林業(yè)實驗中心（江西大崗山）和熱帶林業(yè)實驗中心（廣西憑祥），共計部署了163個視頻監(jiān)控和130個卡口的森林防火“千里眼”，實現(xiàn)了視頻監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享、共用與管理，守護了寶貴的森林資源和研究基地。

5.三維可視化林火蔓延模擬應用

基于平臺的高精度時空動態(tài)數(shù)據(jù)，運用虛擬現(xiàn)實和三維可視化技術，結合遙感熱點和三維可視化數(shù)據(jù)服務發(fā)布的林火蔓延模型計算，實現(xiàn)了林火熱點附近的林火蔓延模擬。即在系統(tǒng)中選擇林火熱點，通過林火蔓延功能，展示該林火熱點位置處的火線分布情況，支持按時間序列展示火線蔓延效果，并輔助火焰、煙霧、樹三維模型等三維特效。

6.林長制管理系統(tǒng)應用

研建了林長制管理系統(tǒng)，利用北斗林草平臺的資源巡護系統(tǒng)輔助林業(yè)生態(tài)資源的位置、范圍、邊界進行全面感知，實現(xiàn)五級林長責任制。通過林業(yè)生態(tài)網(wǎng)格化管理，做到責任上圖，能夠對工作任務進行實時跟蹤，重大事件督辦管理。具備不同業(yè)務的融合管理能力，強化各級林長、部門之間的協(xié)同管理功能，并且能夠通過績效考核，可測評各級林長的業(yè)務能力以及林業(yè)生態(tài)的治理效果。

四、北斗林草平臺支撐構筑良性循環(huán)的科研生態(tài)鏈

“十四五”期間，林草業(yè)重大病蟲害數(shù)字化精準監(jiān)測預警系統(tǒng)、森林立地質量定量評價與適地適林決策系統(tǒng)、森林全周期多功能經營決策系統(tǒng)和森林大型動物無人機智能監(jiān)測技術系統(tǒng)等陸續(xù)開展論證建設。基于北斗林草平臺建設成果，一方面，可高效共享和利用現(xiàn)有軟硬件環(huán)境資源，為技術驗證和模型優(yōu)化完善提供基礎保障；另一方面，隨著北斗林草平臺的持續(xù)運行和業(yè)務融合，指數(shù)級增長的平臺數(shù)據(jù)的清洗、智能分析利用所衍生的技術問題，也將為科研攻關提出新課題、新任務，進一步促進北斗技術的融合應用。圖4展示了從生產實踐和社會需要中發(fā)現(xiàn)問題，做實科研的源頭，解決可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)新和持續(xù)性產出科技轉化成果的途徑，形成了選題（技術痛點）、研發(fā)、驗證完善、業(yè)務化應用的良性循環(huán)“鏈條機制”。

圖4 林業(yè)空間信息技術應用研究良性循環(huán)圖

林草業(yè)作為空間信息技術的重要應用行業(yè)，作為北斗專項示范項目的建設成果，北斗林草平臺充分發(fā)揮了其引領、輻射和帶動作用，徹底打破了各業(yè)務間的信息孤島，實現(xiàn)了縱向到底、橫向到邊的即時數(shù)據(jù)獲取與共享，火情預警、決策、處置響應時間從小時級縮短到分鐘級，極大促進了林業(yè)信息化技術成果落地生“金”，為林業(yè)高質量發(fā)展貢獻了北斗力量。