基于北斗的林业应用系统解决方案

基于北斗的林业应用系统解决方案基于北斗的林业应用系统解决方案系统概述西藏地区以牧草地和林地面积最大，近年来，随着“精准林业”研究的不断深入，卫星导航定位技术在其中的应用领域不断扩展，同时对于定位的精度要求也不断提高，简单的单机定位已经不能满足现实工作的需要。北斗多模导航系统可以同时接收北斗二代、GLONASS、GPS等导航卫星信号，实现多系统联合导航定位、测速、定时功能，将比GPS有更高的定位精度和更好的完整性状态。北斗多模卫星导航定位技术的出现及不断发展，使其在森林资源调查、造林决策、森林防火等方面的应用更加深入广泛。将北斗多模卫星导航定位这一先进技术应用在林业工作中，能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精密坐标，完成森林调查与管理中各种境界线的勘测与放样落界，成为森林资源调查与动态监测的有力工具。多模卫星导航定位技术在确定林区面积，估算木材量，计算可采伐木材面积，确定原始森林、道路位置，对森林火灾周边测量，寻找水源和测定地区界线等方面可以发挥其独特的重要的作用。北斗多模卫星导航定位技术能够为森林提供基础控制网，通过优化布网设计，改进观测方法、提高精度标准，以建立林区具有足够精度和密度的基础控制网，为建立林区北斗多模卫星导航基准站、林业测量提供已知数据。通过引入卫星导航定位增强系统，对多模卫星导航定位网格技术，多模卫星导航精密单点定位技术，多模卫星导航定位网络RTK技术等研究，可以使多模卫星导航定位技术用于面积的实时监测和土方量的测算。另外，把北斗多模导航技术应用到林业信息化中，进行面向林业的北斗多模导航终端的研制将突破终端集成技术，将促进北斗系统的大规模产业化推广应用，带动芯片、设备、终端、软件集成等一系列高新技术产业的发展，对推动我国经济结构的战略性调整，加快转变经济发展方式具有重要意义。国内外研究发展现状及趋势2.1北斗卫星导航技术与应用现状北斗卫星导航系统﹝Beidou（COMPASS）Navigation-SatelliteSystem﹞是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航定位系统，是我国重要的空间基础设施。系统旨在建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。对改变我国在全球定位领域受制于人的局面，加速我国国防和国民经济建设，保障国家安全、和平发展，提升我国的国际地位具有重大意义。在党中央、国务院和军委领导的高度重视下，我国的北斗卫星导航系统建设稳步推进，目前已覆盖我国全境及亚太地区，2011年12月27日起，开始向我国及亚太地区提供连续无源定位、导航、授时等试运行服务，具备了向我国国防、公安、交通、能源、海洋、环保、减灾等关系国家安全和社会经济发展的重点领域提供服务的能力。系统服务包括开放、授权两种方式，开放服务是向用户免费提供定位、测速和授时服务。授权服务是为用户提供高精度、高可靠性的定位、测速、授时和通信服务。2012年12月27日起，北斗系统在继续保留北斗卫星导航试验系统有源定位、双向授时和短报文通信服务基础上，向亚太地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务。我国政府高度重视北斗卫星导航系统的应用及推广工作，先后制定了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》、《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》、《高技术产业发展“十一五”规划》、《航天发展“十一五”规划》以及《关于促进卫星应用产业发展的若干意见》等文件，明确提出：“对于涉及国家经济、公共安全的重要行业领域须逐步过渡到采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制，鼓励其它行业和领域采用北斗卫星导航兼容其它卫星导航系统的服务体制。”目前，卫星导航已作为新兴产业列入《中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》，政策支持力度不断加大，这必将推进空间基础设施建设,促进卫星及其应用产业发展,未来卫星产业有望获得更多的政策支持,带动整个行业的大发展。在中央的统一协调下，国家正在大力优化整合军地资源，加快推进北斗卫星应用产业化，构建具有中国特色、与国际接轨的北斗卫星导航应用体系。在国防领域，军交运输部，正在开展《基于北斗军用车辆调度指挥与安全监控系统》的建设工作，利用自主的北斗卫星导航系统，实时调度指挥军用车辆，实现一体化作战指挥和动态监管，有效提升作战指挥和后勤保障能力。在交通运输领域，交通部已经完成《重点运输过程监控管理服务示范系统工程》的立项并开始示范工程建设，主要实现对“两客一危”运输车辆的监管。在气象探测领域，中国气象局已经完成了《基于北斗导航卫星的大气海洋和空间监测预警应用示范工程》的立项。利用自主北斗卫星导航系统，开展基于新型观测手段和灾害预警能力建设，提高天气预报、灾害预警能力。2.2林业信息化的发展现状森林资源具有生态、经济和社会多重效益。林业现代化要走可持续的生态林业之路，如何高效率地利用地球上极为有限的宝贵森林资源，“在最小的资源投入和环境危害的条件下创造最大的产出”已经成为全人类必须面对的、迫切需要解决的重大课题。在这种深远历史背景的推动下，美国等发达国家继低投入可持续林业(LISF)以后，为适应信息化社会发展要求对林业发展提出了“精准林业”这一新的课题。所谓精准林业（PrecisionForestry），是指尽可能的采用高新科学技术（如林木遗传工程、以全球卫星导航定位技术为代表的“3S”技术、数字通讯、林业机械自动化、传感器技术建立森林土壤分析类型、林地适应性评价、立地类型与立地条件分析、森林生态环境模拟、林木育种、施肥、生长监测病虫火害防治及森林收获等）建立一体化、智能化、数字化的现代林业技术体系。进而使森林最大限度的发挥生态、经济、社会效益、实现森林可持续经营和区域可持续发展。精准林业的核心是森林的生长实现精准的计测和监测。其技术核心是利用RS、GIS、GNSS、ES、BEIDOU建立林地管理、营林区管理、林班管理、小班管理、土壤数据、小班坡向、坡度、坡位、自然条件、立地分析、造林模式决策支持、森林光谱数据、病虫害信息、森林生长与空间结构信息系统，研究森林生长的空间结构性和空间差异性，采取优化的森林空间结构调整理论和方法处方消除和减少这些差异，实现森林的健康和可持续经营。2.3导航终端在林业的应用目前，全球卫星导航定位技术在林业上的研究还集中在GPS系统上。美国从20世纪80年代起就开始发展GPS，其技术现在已经十分成熟，并且应用极为广泛，全球95%以上的卫星定位用户使用该系统。由于GPS技术具有实时、动态、自动、全天候确定空间三维位置及运行速率的功能，因而在森林资源调查监测、导航、定位、地图数据更新、森林面积精准监测、飞播造林、森林病虫害监测、林火监测、林界划分、资源管理等方面可以发挥重要作用。我国林地多处山区，由于山地地形、林冠、树干等干扰因子的影响，使GPS在森林中的定位研究受到很大的局限性：定位时间延长、定位精度降低，定位结果可信度差，某些情况下会出现定位失灵。为此，国内外学者广泛开展了GPS用于林区、山区的定位实验研究。近年来我国学者对山区、林冠下的GPS进行了系列研究，如手持式GPS用于森林固定样地定位，台湾学者进行的实验林3S集成研究。美国学者对林冠、测程、地形、复测次数影响GPS定位精度的研究，日本学者对于GPS用于森林监测的研究，加拿大学者对土地面积应用差分GPS配合气压计的测量研究。这些研究均建立在单机定位或事后处理基础上，几乎所有研究都局限在林冠下的重复实验中，对于机理问题、误差模型的分离研究未见实质性进展。国内学者也广泛从事实时差分GPS研究。1997年开始研究林冠、山地及其它森林环境对GPS卫星信号和电台信号的影响研究，提出了地形对GPS的影响主要表现是可见卫星减少，导致不能定位或者定位精度降低的思路，建立了相应的精化数学模型；提出林冠对GPS的影响主要表现在多路径效应和GPS卫星信号弱化和失真，并建立了相应的精化数学模型（冯仲科等，1999—2003）。但是在林区某些条件下RTD技术难以实现，会因树干、叶、枝影响载波相位而使整周模糊度失锁，导致整个定位系统失灵。有学者曾进行过GPS+GLONASS双星系统实现林区定位的相关研究。目前，国内外将多模卫星导航定位技术和多模卫星定位连续运行服务系统应用到林业领域的相关研究还很少见。系统建设目标与内容3.1系统建设目标系统将面向林业行业应用提供北斗终端、系统整体解决方案，开发终端智能监控调度与管理平台软件，设计开发适合林业行业特点的北斗终端，通过系统建设，具备对林业资源调查与监测、古树名木管理、森林防火等应用的实时监控和动态评价分析能力，以及对突发性林业事件的应急响应和协调指挥能力。3.2建设原则1、开放性和标准化原则在总体设计中应用开放式、模块化设计体系，使网络结构简单集中，有适应外界环境变化的能力，易于调整、扩充和组合，最大限度满足业务要求。同时，尽可能采用行业或国家相关标准，或基于相关标准的基础之上进行扩充，使其一方面符合相关标准，同时又针对具体业务和管理要求具备一定的灵活性。要使系统的硬件终端系统、通讯系统、软件系统、操作平台之间的相互依赖减至最小。保证网络的互联、互通和综合业务应用。2、可靠性和安全性原则安全可靠的运行是整个系统建设的基础。数据传输和联网技术方案的设计，要充分考虑到数据传输的可靠性、可逆性和可跟踪性，确保数据传输和通讯稳定可靠；同时，在数据传输和通信过程中，采用严格的安全鉴权机制和数据校验机制，保证数据和通讯的安全，避免非法入侵，确保系统数据的准确性、数据传输的正确性。监控中心平台要求系统要有较高的安全性，要具备容错、备份、自诊断及灾难恢复设计，便于快速判断故障点并排除。要配置严密的数据安全体系，避免非法入侵，确保系统数据的准确性、数据传输的正确性，防止异常情况的发生。3、前瞻性和可扩充性原则在满足系统功能要求和相关技术规范的前提下，要充分考虑到系统后期延续发展的需要，充分考虑对现有信息平台及资源的充分利用和对后期系统建设的需要，从网络结构、数据传输和通讯流程、数据存储和组织等方面尽可能采用少耦合的设计方法，保证系统的可扩充性。在满足实用性的基础上，技术起点要高，尽量选用先进的软硬件和网络技术及通信设施，同时要从经济性着眼，保护原有投资，整合系统资源，减少重复建设。3.3建设内容系统针对林业信息化业务需求，研究北斗导航通信系统在林业的应用，具体建设以下内容：1)北斗林业应用终端设备建设北斗林业野外导航通信手持终端和监控中心北斗指挥终端，实现林业现场信息的采集、野外工作人员定位监控以及工作人员与监控中心的通信。2)北斗林业应用终端软件研制基于北斗多模导航技术、支持Android操作系统林业终端软件。软件集成定位与通讯技术、PDA技术和移动GIS于一体，开发位置显示、路径规划、地图匹配、报警、轨迹回放等常规导航功能模块。结合林业领域业务需求，实现野外数据采集空间定位信息的自动获取，与其他属性信息数据一体化存储关联，实现图形与属性信息的动态连接。通过开发与之相匹配的桌面后台智能监控调度与管理软件，方便的实现数据转换、处理、同步更新、全程监控及共享等任务。并具备灵活的二次开发能力。3)智能监控调度与管理软件研制与导航终端软件相匹配的服务器后台智能监控调度与管理软件，包括通信服务模块、地图服务模块、数据服务模块和监控平台等功能模块。实现实地调查人员位置信息的可视化显示，车辆信息动态监控、行驶记录、轨迹回放、工作统计查询，与外业调查或巡护人员互通信等功能。软件采用gis作为空间定位和数据管理基础服务，在地图上直观地显示位置情况，同时系统结合林区地理空间数据，如等高线、林区植被种类等信息，为林业野外调查或应急指挥工作提供决策支持和帮助，提高了调度指挥工作的有效性和科学性。系统总体设计4.1系统主要功能（1）野外工作人员可查看自己的位置，进行定位、导航，并能将位置信息上报监控中心，进行工作人员的日常定位监控；（2）林业资源（森林、湿地、野生动物等）、古树名木等现场调查信息的采集；（3）森林、牧草有害生物信息采集；（4）火灾等应急事件发生时，对事发地点进行精确定位，并将位置上报监控中心；（5）野外工作人员与监控中心之间提供有效的通信手段，已保证指挥中心下达的各种指挥调度信息能够及时准确的传达到工作人员，同时野外采集信息能够及时有效地上报到监控中心；（6）监控中心对野外工作人员及采集信息在三维可视化平台进行实时监控显示。4.2系统组成基于北斗的林业应用系统由北斗林业应用终端分系统、数据存储与管理分系统、智能监控调度与管理分系统三部分组成。图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s11系统组成图北斗用户终端分系统：包括用于森林、牧草地巡护人员和野外信息采集人员的北斗手持终端，用于野外工作车辆的北斗车载终端，用于移动指挥车和监控中心的北斗指挥终端。通过终端的建设，实现野外工作人员的精确定位，以及与监控中心间的数据通信。数据存储与管理分系统：主要负责对各类林业现场数据、位置数据、基础地图数据进行有效地存储和集中管理，同时提供数据检索功能，并能实现数据的发布服务。智能监控调度与管理分系统：集成了基础地图数据、森林现场采集数据与定位数据，构建三维场景、基础数据、森林资源、火灾状况分布与监控管理模块，为林业应用的可视化管理与应急决策提供技术平台工具，并可辅助进行林业应用分析。4.3系统总体结构系统通过北斗林业应用终端和智能监控调度与管理平台的建设，实现全天候的准确定位和安全通信，满足林业资源调查用户的多种需求。系统总体架构如下图所示：图STYLEREF1\s4SEQ图\*ARABIC\s12项目总体技术路线4.4系统工作流程基于北斗的林业应用系统工作流程包括森林日常巡护调查管理和林业应急事件调度指挥两个过程。（1）森林日常巡护调查管理流程：巡护人员、现场信息采集人员利用手持终端进行定位、导航，并将位置信息上报及现场采集信息上报调度中心，调度中心将接收的位置信息实时在三维监控平台上显示；（2）应急事件调度指挥流程：野外工作人员将应急事件位置上报调度中心，调度中心进行救援队伍的调度安排，并监控救援人员的位置信息，接收救援人员上报的事件现场情况信息，接收信息的可视化展示。分系统设计5.1北斗林业应用终端分系统5.1.1主要功能（1）巡护人员、野外调查人员、救援队员位置定位、导航；（2）野外林业调查现场信息采集、表单填写；（3）移动指挥车位置信息获取；（4）救援现场信息采集，并向移动指挥车和调度中心上报；（5）野外工作人员接收移动指挥车和调度中心下发的控制指令信息。5.1.2主要组成北斗用户终端分系统主要由北斗手持终端、北斗车载终端和北斗指挥机组成。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s11北斗用户终端分系统组成图（1）北斗手持终端：采用智能手机或PAD+手持式移动信息采集软件+北斗背夹的集成模式，智能手机或PAD通过蓝牙与北斗背夹集成。北斗背夹分为北斗天线模块、北斗射频模块、基带处理模块、电池模块等几个部分，通过手持终端完成现场工作人员的导航、定位、短消息收发和现场信息采集表单填写、多媒体信息采集等功能。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s12手持机与北斗背夹图（2）北斗车载终端：支持BD/GPS双模卫星定位和CDMA网络通讯的新一代车载终端产品。该设备采用大容量数据采集技术和大容量数据存储技术，具备车辆运行状态的采集、处理、报警和存储能力，实现扑火救援车的实时定位、导航。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s14北斗车载终端效果图（3）北斗指挥机：部署与移动指挥车和监控中心，具备北斗RDSS定位、通信等能力，可监控管理100个下属终端用户，主要负责接收现场各北斗手持、车载终端发送的位置和现场灾情数据以及将监控中心的控制指令向各北斗终端发送。可方便的进行指挥调度和多级分组组网，提供对下属各扑救队员全方位的实时监控和指挥调度管理等功能。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s15北斗指挥型终端示意图（4）北斗林业应用终端软件：依据林业资源调查导航终端要功能要求，设计了导航终端的软件体系结构图。本设计是在Android操作系统上实现应用软件程序，应用软件主要包括：数据管理、地图操作、数据采集、属性查看、导航定位等几部分。图形用户界面(GUI)设计和空间数据库设计是实现各功能模块的基础，分别由开源软件MieroWindows及FLNX、sqlite实现。软件要达到的目标主要是能有效的显示电子地图信息，并将北斗/GPS信号引入，随着北斗/GPS信号的变化能在屏幕上有相应的显示变化。对于电子地图信息的提取，采用了sqlite构建空间数据库作为管理工具，方便进行数据管理。对于北斗/GPS信号的提取，通过对串口的操作能得到可靠的数据信息。通过MieroWindows和FLNX实现用户界面和电子地图绘制等显示程序，通过JAVA语言实现导航算法和设备驱动程序。综合以上各部分功能，能很好的实现系统设计的目标。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s16林业导航终端软件框架5.1.3主要技术指标（1）北斗手持终端北斗RDSS短报文通信指标：接收灵敏度：误码率：≤1×10-5（方位角0°～180°，仰角20°～49°，接收信号电平≤-155.6dBW）误码率：≤1×10-5（方位角0°～180°，仰角50°～90°接收信号电平≤-157.6dBW）发射信号功率：5W首次捕获时间：≤2s失锁重捕时间：≤1sGPS/BD2捕获时间：冷启动时间（混合定位模式）：≤32秒热启动时间：≤1秒重捕时间：≤1秒接收通道数：≥99定位精度:水平≤10米(RMS)定位数据输出频度：1Hz时间精度：小于1秒（2）北斗车载终端BD2/GPS双模接收机：33通道BD2/GPS双模定位精度：≤10mBD2/GPS双模时间精度：<1sBD2/GPS双模测速精度：<0.2m/sBD2/GPS双模方向精度：<2°速度记录误差：≤2.5%里程统计误差：≤0.66%历史数据采集采集频率：最低1Hz，可根据用户需要设置。疑点数据采集频率：5Hz数据容量总记录：500小时（3）北斗指挥型用户机接收信号频率：2491.75±5.08MHz；发射信号频率：1615.68MHz±5.08MHz；接收灵敏度：≤-127.6dBm（单支路，误码率≤1×10-5，方位角0°～360°,仰角10°～90°，含10°和90°）；接收通道数：10；首次捕获时间：≤10s（95%，从开机至接收并解调出信息所需时间）；失锁再捕时间：≤2s（95%）；定位精度：水平误差：≤10m（95%，HDOP≤4）；播发频度：最高支持1次/分，具体取决于配置的服务频度；监管北斗终端数量100个。5.2数据存储与管理分系统5.2.1主要功能数据存储与管理分系统是系统进行数据交换、数据存档与信息管理的中心，该分系统与其它分系统都有直接的数据接口。数据管理分系统负责林业现场采集数据、位置采集数据、基础地理信息数据等的存档管理，并且支持对这些数据的查询与Web发布服务。通过数据存储管理分系统为其它分系统提供统一的数据存取管理接口，实现对数据的统一存储、检索、提取、维护等功能。5.2.2主要组成数据存储与管理分系统主要由数据存储、数据检索、数据统计分析、用户服务、数据库管理模块及硬件支撑环境组成。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s17数据存储与管理分系统组成图（1）数据存储模块数据存储模块对接收到的各类林业现场采集数据、北斗定位数据进行编目存储，以保障存档数据能够得到快速、方便的查询、浏览、获取与应用。（2）数据检索模块数据检索模块能够查询的数据包括元数据信息、现场采集数据、北斗定位数据、基础地理信息数据、系统维护数据等。数据检索模块可提供根据目录、时间、空间、类别等多种不同的数据检索方式进行检索，并且能够根据不同的检索结果和用户不同的访问权限，提供相关数据的浏览与下载功能，为系统应用提供数据支撑。（3）数据统计分析模块数据统计分析模块主要根据数据库中的数据以及相关的用户访问信息，完成对火灾专题产品、应用支撑数据等所有归档数据和用户访问信息的统计与分析，还可以生成并打印相关统计报表，为数据使用者、系统管理人员提供参考。（4）用户服务模块用户服务模块是针对整个系统内和系统外的所有用户进行全面的注册、权限分配、信息维护等管理工作，同时针对应用系统对外数据服务的要求，为用户提供创建数据订单的渠道，并进行后续的订单管理工作。（5）数据库管理模块数据库管理模块利用关系数据库产品的强大管理功能，结合空间数据引擎的特定能力，完成各种关系数据和空间数据的备份恢复、用户权限管理、系统配置管理、存储管理、访问控制等功能。（6）硬件支撑环境硬件支撑环境主要包括数据库服务器（热备）、数据管理工作站、网络设备、Web应用服务器，为各类数据的有效存储提供硬件支撑条件。5.2.3主要技术指标数据存储容量：30TB；历史监测数据存储时间：不小于10年；支持至少100个用户同时在线连接和检索使用；数据查询反馈时间1～3秒。5.3智能监控调度与管理分系统5.3.1主要功能智能监控调度与管理分系统是一套基于GridStar数字地球平台，对林业现场实时监测信息的可视化显示、检索、统计、预警、控制、实现林业应用的综合管理和监控。主要功能包括：（1）研究区域三维可视化显示，包括研究区域影像数据、地形数据、矢量数据及精细模型数据的展示；（2）林业信息综合显示，包括：位置信息、现场采集信息等；（3）监控中心触摸大屏监控与可视化。5.3.2主要组成综合监控与可视化分系统由基础三维场景构建、日常巡护管理、火源火场定位分析、终端位置调度管理、终端通信管理和报警管理六个子系统组成。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s18综合监控与可视化分系统组成图（1）基础三维场景构建：软件支持研究区域高分辨率影像数据、矢量数据、地形数据在三维可视化平台上的快速加载显示，并能对研究区域进行三维仿真建模，达到高度逼真的三维可视化效果。同时提供图层管理、放大、缩小、漫游、空间量测、空间分析、标注标绘等基础三维操作功能。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s19二三维地图服务（2）日常巡护调查管理：通过巡护人员北斗终端的定位功能，可以完成对护林巡查人员的流动定位，监督巡查人员是否巡查到位；可以完成对车辆的管理和调度，为日常管理工作中提供方便。同时将野外森林资源调查信息在监控平台显示。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s110日常巡护管理（3）应急事件定位分析：通过使用北斗系统终端，可以实现森林火灾等应急事件快速定位，进而将事发地点的定位信息与三维平台系统相结合，可以为指挥部门提供直观的电子地图显示，同时通过辅助决策及专家系统，及时准确模拟火灾等行为，预测应急事件发展，从而形成科学合理的兵力部署及救援调度决策。图STYLEREF1\s5SEQ图\*ARABIC\s111火势蔓延态势分析（4）终端位置调度管理：主要包括各救援队员、车辆的路线规划、位置显示、轨迹回放等功能。路径规划支持指挥机、手持终端、车载终端从起始点、规避点、经由地至目的地的二三维路径规划和导航，并支持偏航后自动计算新的路径，提高任务执行效率。支持时间最优、距离最优搜索条件的路径分析，协助指挥机以最佳效率调度