陳正斌，彭 誠

（定西市安定區(qū)林業(yè)和草原局，甘肅定西 743000）

0 引言

過去傳統(tǒng)的林業(yè)管理主要依靠人力勞動，并且管理水平與效果遠(yuǎn)不如現(xiàn)代“智慧林業(yè)”。我國森林資源十分豐富，要想全面掌握林業(yè)管理情況并不是一件容易的事。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段林業(yè)管理主要依靠先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的林業(yè)管理模式，能夠充分發(fā)揮互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)等互相之間的協(xié)同管理作用。全面掌控現(xiàn)有的林業(yè)資源，降低人力勞動強(qiáng)度，實現(xiàn)“智慧林業(yè)”全面發(fā)展，以此提高我國森林資源的管護(hù)水平。

GIS技術(shù)也稱為“地理信息系統(tǒng)”，是一種基于計算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、地理學(xué)等用作描述、分析、輸出以及儲存一系列空間信息的綜合性應(yīng)用技術(shù)。GIS技術(shù)源于20世紀(jì)60年代，科學(xué)家們結(jié)合計算機(jī)硬、軟件技術(shù)，再通過綜合利用信息學(xué)、地理學(xué)以及系統(tǒng)工程技術(shù)，以此來進(jìn)行科學(xué)化管理，實現(xiàn)決策、管理及規(guī)劃等地理空間的服務(wù)系統(tǒng)。由于GIS技術(shù)具備空間分析、網(wǎng)絡(luò)分析、數(shù)字模型等優(yōu)勢，所以在森林防火領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景。

1 智慧林業(yè)管理的應(yīng)用

1.1 林業(yè)監(jiān)測

智慧林業(yè)在目前現(xiàn)代化林業(yè)管理工作中具有十分重要的作用，主要是利用現(xiàn)代化的智能感應(yīng)設(shè)備、電子追蹤設(shè)備等裝置實現(xiàn)對林業(yè)資源實行實時有效監(jiān)測。例如，電子追蹤系統(tǒng)能夠在林業(yè)監(jiān)測時，通過其內(nèi)部的電子標(biāo)簽對樹木的高度、寬度、年齡等信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這將有利于森林管理人員對樹木進(jìn)行日常維護(hù)管理。

此外，對森林中的樹木進(jìn)行電子定位，也能夠起到對周圍環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)控的目的，可以及時地對樹木的生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收、林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化情況等一并進(jìn)行監(jiān)控。智能化傳感設(shè)備或監(jiān)控攝像頭安裝在樹木上，不僅能夠準(zhǔn)確掌握樹木的生長發(fā)育情況，還可以監(jiān)控樹木周圍的環(huán)境污染情況，避免破壞森林資源的現(xiàn)象出現(xiàn)。

1.2 森林防火

森林防火是林業(yè)管理中最重要的一項工作。森林一旦發(fā)生火災(zāi)造成的損失是不可估量的，不僅會嚴(yán)重破壞森林資源，還會造成人員傷亡，從而影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，智慧林業(yè)技術(shù)在森林防火領(lǐng)域體現(xiàn)出其巨大的優(yōu)勢。

例如，在森林火災(zāi)高頻發(fā)生地區(qū)采用環(huán)境監(jiān)測裝置，對該地區(qū)的天氣情況、風(fēng)向、濕度等參數(shù)值進(jìn)行實時監(jiān)測，并針對這些數(shù)值作出相應(yīng)的分類與預(yù)警。一旦預(yù)測到異常情況，裝置將會自動報警，監(jiān)測站的相關(guān)工作人員能夠及時收到消息并發(fā)出森林火災(zāi)預(yù)警，以此來確保森林防火安全。此外，還可利用網(wǎng)絡(luò)媒體渠道開展森林防火知識宣傳，呼吁人人都參與到森林防火中來，有效降低森林火災(zāi)的發(fā)生概率。

1.3 林業(yè)有害生物監(jiān)測

我國是一個森林資源豐富的大國，然而樹木還是會受到林業(yè)有害生物的影響。因此，智慧林業(yè)管理模式應(yīng)用在生物監(jiān)測預(yù)報方面也極具優(yōu)勢。例如，在樹林內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的林業(yè)有害生物監(jiān)測站，并配備紅外線傳感器、智能監(jiān)控設(shè)備等。

通過使用這類型的裝置，能夠?qū)α值刂車鷧^(qū)域的環(huán)境溫度、濕度等因素進(jìn)行實時監(jiān)測，有助于林業(yè)管理人員對有害生物發(fā)生情況進(jìn)行實時掌控并及時進(jìn)行科學(xué)預(yù)報。如果發(fā)現(xiàn)樹林內(nèi)可能有林業(yè)有害生物發(fā)生的風(fēng)險，相關(guān)人員需及時向上級主管部門報告，同時制定相應(yīng)的預(yù)防措施及應(yīng)急預(yù)案，以此來減少有害生物對樹林產(chǎn)生的危害。

2 基于智慧林業(yè)的GIS應(yīng)用技術(shù)

2.1 應(yīng)用背景

本文所探討的智慧林業(yè)是基于三維GIS的物聯(lián)網(wǎng)防火技術(shù)，主要是面向森林中的無線網(wǎng)絡(luò)傳感技術(shù)。目的是利用GIS技術(shù)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)對森林生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等采集、分析、傳輸功能，從而有效建立起能夠覆蓋整個森林區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)對森林火災(zāi)的預(yù)警。

智慧林業(yè)中的物聯(lián)網(wǎng)防火技術(shù)，主要體現(xiàn)在智慧傳輸、智慧感知、智慧監(jiān)管這三大方面，通過這三方面的共同作用能夠有效實現(xiàn)智能化森林防火需求。其中，智慧傳輸?shù)淖饔弥冈谏只馂?zāi)的監(jiān)測系統(tǒng)中，能夠有效實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的全覆蓋、遠(yuǎn)距離等傳輸。由于森林監(jiān)測的區(qū)域廣泛，地勢環(huán)境復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，因此研究選用低功耗、廣域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于森林防火中。

智慧感知是指能夠智能化感知森林中的火災(zāi)動態(tài)信息，其中還包括森林中的負(fù)氧離子、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)。通過生態(tài)環(huán)境的傳感器實時監(jiān)測這類數(shù)據(jù)的變化，既能實現(xiàn)對森林火災(zāi)的預(yù)測，也能應(yīng)用于森林生態(tài)系統(tǒng)的健康評價體系中。為此，研究將設(shè)計出一種生態(tài)環(huán)境傳感設(shè)備，并應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境信息采集工作中。

2.2 GIS空間分析計算

2.2.1 三維場景重建

通過利用GIS技術(shù)系統(tǒng)中的衛(wèi)星遙感影像地圖以及高分辨率數(shù)據(jù)，對森林三維地形場景進(jìn)行重建，能夠加強(qiáng)節(jié)點優(yōu)化選址場景真實性。同時，采用漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)等操作技術(shù)，可提高節(jié)點優(yōu)化選址的效率。

2.2.2 三維GIS節(jié)點選址

充分的節(jié)點優(yōu)化選址包含了來自同選址有關(guān)的非空間數(shù)據(jù)集以及空間數(shù)據(jù)集，并且將多源異構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為圖層存儲在云平臺中，能夠為森林的山地節(jié)點選址場景提供更加豐富真實有效的數(shù)據(jù)信息。其中，準(zhǔn)則層的評價因素包括：候選節(jié)點矢量數(shù)據(jù)、道路圖層數(shù)據(jù)、已完成的基站矢量數(shù)據(jù)、監(jiān)測區(qū)域邊界數(shù)據(jù)等。

2.2.3 三維GIS空間分析

三維森林節(jié)點選址場景建設(shè)后，需要對其進(jìn)行三維GIS空間分析，主要是通過利用GIS技術(shù)進(jìn)行緩存區(qū)分析、通視分析、疊加分析、太陽輻射分析以及視域分析等。利用GIS技術(shù)中的緩沖區(qū)分析，計算出森林區(qū)域的有效覆蓋率，以此可確?；疚恢玫淖罴褦?shù)據(jù)傳輸距離。通過利用GIS技術(shù)進(jìn)行通視分析，能夠有效計算出候選節(jié)點到基站的路徑以及地形遮擋情況，再通過VR比例計算，得出候選節(jié)點對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸產(chǎn)生的影響。如果VR指數(shù)越高，則表示候選節(jié)點到基站的通視效果越好。計算公式如下：

式中，L代表候選節(jié)點的實時傳播路徑；

Lp代表被遮擋物的實時傳播路徑。

3 智慧林業(yè)森林防火物聯(lián)網(wǎng)智能平臺設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 體系架構(gòu)

3.1.1 感知層

感知層的作用是用來全面感知森林中各項數(shù)據(jù)參數(shù)。通過生態(tài)環(huán)境傳感器能夠采集到環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)向、大氣壓強(qiáng)等各種生態(tài)環(huán)境信息，從而用于森林生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)健康評價以及森林防火預(yù)警等。在林區(qū)的主要路口以及火災(zāi)容易發(fā)生的地方，安裝智能化視頻分析設(shè)備，能夠有效實現(xiàn)對林區(qū)內(nèi)人類數(shù)量、動物數(shù)量的實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)人數(shù)、動物數(shù)量的智能分布監(jiān)測及動物足跡的智能化搜索。

3.1.2 傳輸層

傳輸層的作用指在整個森林防火監(jiān)測過程中，實現(xiàn)感知層監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。本文選擇的是通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以此來實現(xiàn)林業(yè)各項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)距離傳輸與通信，當(dāng)LoRa基站接收到來自不同終端節(jié)點設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，再通過無線網(wǎng)絡(luò)或5G網(wǎng)絡(luò)傳輸至后端云平臺，進(jìn)而進(jìn)行智能化平臺的分析與處理。

3.1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層的主要作用是應(yīng)用智能化接入平臺及智能化分析平臺，其中智能化接入平臺將用于實現(xiàn)森林業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的接收與管理工作。智能化分析平臺主要是通過接入智能化平臺所提供的一系列設(shè)備數(shù)據(jù)，例如經(jīng)緯度、信號強(qiáng)度、傳感器數(shù)據(jù)、人流量數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理分析，以此來實現(xiàn)智慧林業(yè)管理。

3.2 總體設(shè)計

首先，針對表現(xiàn)層來說，林區(qū)管理人員只需要在電腦上安裝瀏覽器就能夠正常訪問本系統(tǒng)平臺。其主要的工作原理是通過“請求”，然后從服務(wù)器端獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息以及服務(wù)后，再通過web技術(shù)對相應(yīng)的初始化數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化并展示。

其次，業(yè)務(wù)層是整個云平臺系統(tǒng)最關(guān)鍵也是最核心的一部分，其作用是負(fù)責(zé)GIS技術(shù)與Web服務(wù)器之間的業(yè)務(wù)處理關(guān)系。GIS技術(shù)服務(wù)器主要負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)服務(wù)以及資源管理，并將接收到的相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸至Web服務(wù)器進(jìn)行訪問使用。Web服務(wù)器的主要任務(wù)是接受從客戶端發(fā)來的服務(wù)請求，并將處理好的數(shù)據(jù)返回給客戶端，同時也作為GIS服務(wù)器的容器。

最后，數(shù)據(jù)層是最基礎(chǔ)也是最重要的一層。主要作用是提供一定的數(shù)據(jù)支撐，主要包含提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)接入平臺接口、存儲道路等空間數(shù)據(jù)的SQLServer數(shù)據(jù)庫和托管三維場景等緩存切片的GIS。

3.3 平臺功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

3.3.1 圖層管理

圖層管理模塊是一種具有高分辨率的三維立體圖像地形圖，能夠用來實現(xiàn)林區(qū)內(nèi)不同業(yè)務(wù)的需求，從而達(dá)到森林防火的目的。其中，三維立體圖像地形圖是一種通過林區(qū)衛(wèi)星遙感信號的高分辨率、高清晰度的圖像技術(shù)，能夠在圖形的底部基礎(chǔ)上進(jìn)行森林防火數(shù)據(jù)以及業(yè)務(wù)圖層形式之間的分層顯示。圖層分為防火通道層、防火地名層、防火資源層等多種業(yè)務(wù)圖層。

防火道路層。防火道路層的作用是能夠?qū)崿F(xiàn)整個林區(qū)道路的精細(xì)化展示，可有效完善森林路網(wǎng)的建設(shè)，以便于在日后突發(fā)火災(zāi)時，能夠為消防救援隊伍提供快速到達(dá)火災(zāi)發(fā)生現(xiàn)場的救援通道，并且提供滅火分析功能。此外，還能夠加強(qiáng)現(xiàn)有林業(yè)資源的智能化、信息化建設(shè)，使森林資源能夠持續(xù)、穩(wěn)定的得到利用，造福于人類。

防火地名層。防火地名層的作用是有效實現(xiàn)對林區(qū)道路的命名顯示，在選定的監(jiān)管區(qū)域內(nèi)的節(jié)選點和高山上都有特定的稱呼。這是為了方便林區(qū)管理人員進(jìn)行日常管理而進(jìn)行命名的，所以將防火地名信息用以圖層的形式應(yīng)用于智能分析平臺上，可以在日常林業(yè)資源管理以及突發(fā)火災(zāi)的救援過程中，實現(xiàn)對火災(zāi)發(fā)生地的精準(zhǔn)定位，避免造成更多的財產(chǎn)損害。

防火資源層。防火資源層的作用是能夠使森林防火設(shè)備以及資源地物的相關(guān)屬性信息集合成一個圖層顯示出來，進(jìn)而有助于林區(qū)管理人員實時掌控并了解森林周邊的防火設(shè)備，制定出最佳的滅火救援方案，以此實現(xiàn)對防火設(shè)備的科學(xué)化、合理化調(diào)控。此外，防火資源層內(nèi)部還包括儲水池分布、瞭望塔分布、隔離網(wǎng)分布等信息，通過3D MAX技術(shù)，可繪制出生動形象的三維模型，更加直觀地顯示出其具體所在位置及相關(guān)屬性信息。

3.3.2 防火物聯(lián)網(wǎng)

1）設(shè)備展示。設(shè)備展示的作用是能夠?qū)⒅悄芑址阑鹬形锫?lián)網(wǎng)各節(jié)點的地理位置實時呈現(xiàn)在三維地圖上并進(jìn)行顯示，通過操作具體事件來獲取各個節(jié)點的相關(guān)屬性功能，進(jìn)而方便管理人員及時查看當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的相關(guān)工作狀態(tài)與實時地理位置。

2）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的作用是用來呈現(xiàn)當(dāng)前森林防火中物聯(lián)網(wǎng)各個節(jié)點間的路由情況，通過三維GIS技術(shù)中的line類繪制出3D直線，用來連接節(jié)點與節(jié)點之間的屬性關(guān)系，以此確保物聯(lián)網(wǎng)防火系統(tǒng)能夠正常使用。

3）全覆蓋范圍。全覆蓋范圍是指基站與中繼基礎(chǔ)二者所能夠完全覆蓋的可視化區(qū)域。以基站或中繼站為基礎(chǔ)，以其半徑范圍內(nèi)最遠(yuǎn)的節(jié)點距離為終點，進(jìn)而繪制出相應(yīng)的圓形區(qū)域，這便是全覆蓋范圍。

4 結(jié)語

綜上所述，智慧林業(yè)管理模式的發(fā)展能夠有效提高森林資源的管護(hù)水平。因此，需構(gòu)建完整的智慧林業(yè)管理平臺，加大物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、智能監(jiān)測等技術(shù)在林業(yè)管理中的應(yīng)用。此外，構(gòu)建智慧林業(yè)管理模式還需要大量的資金投入，因此需要當(dāng)?shù)卣拇罅χС?，并幫助選拔具有專業(yè)技能的人才。我國各地區(qū)的林業(yè)部門要大力推進(jìn)智慧林業(yè)管理模式，強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，引入先進(jìn)技術(shù)，從而實現(xiàn)森林資源的智能化管護(hù)。