北斗衛星導航系統在林業領域應用的發展探討

徐曉峰

（航天恒星科技有限公司，北京 100086）

北斗衛星導航系統是我國自主發展、獨立運行的重要戰略空間基礎設施。2012年12月27日起，北斗系統在繼續保留北斗衛星導航試驗系統有源定位、雙向授時和短報文通信服務基礎上，向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時等服務。到2020年將覆蓋全球，北斗衛星導航系統已逐步啟動交通公路運輸、海上運輸、氣象、漁業、公共安全、民政減災救災、林業等12個行業示范。

1 衛星導航林業應用現狀

導航系統作為林業管理的基本工具得到廣泛應用，尤其在我國林業工程的測繪、資源調查、林業災害監測與應急處理等工作中發揮了非常重要的作用。近年來以GPS為代表的衛星導航技術在林業業務中應用廣泛，并且發展迅速，用戶量已達到10萬以上。林業當中涉及到導航功能的項目主要有野外調查、勘界測量、野外巡護、動物跟蹤、機載導航、火情跟蹤監測和林產品跟蹤等。目前我國北斗衛星導航的應用主要包括森林資源監測、森林防火監控與應急指揮和野生動植物保護三大業務。

（1）森林資源監測。我國森林資源監測業務主要涉及國家森林資源連續清查（一類清查）、地方森林資源規劃設計調查（二類調查）以及造林作業調查設計與伐區調查規劃設計（三類調查）。衛星導航系統在森林資源調查方面的研究與應用主要涉及林業野外調查、林政案件審理、采伐設計與驗收等方面。衛星導航技術作為重要的空間定位應用技術與作業工具，主要應用模式包括野外調查導航定位、數據采集、地圖測繪等，能夠有效提高監測工作的精度和效率。目前，已實現了在巡護終端中使用北斗芯片，集成3S+C技術，支撐林業巡護通信。例如，在云南中緬邊境地區，實現巡護人員配置北斗終端，打擊盜伐盜獵活動。

圖1 森林資源監測業務邏輯關系與業務流程圖

（2）森林防火監控與應急指揮。目前，北斗衛星導航系統在林業中的應用，最主要集中在森林防火業務中的林火監測和火災應急指揮領域。應用模式主要有野外調查導航定位、數據采集、撲火隊伍與車輛等跟蹤監控、貨場信息采集傳輸等，以提供地圖基礎功能、火勢標繪、火災定位、火災分析、撲救指揮、路徑分析、撲火隊跟蹤指揮、資源管理、火險預警、火情推演、預案管理、輔助決策、應急指揮和災后評估功能?，F已在黑龍江省、天津薊縣、吉林紅石國家森林公園等多地建有基于北斗的森林火災監測及調度指揮系統，實現了低成本、高效率、高精度、全天候的獲取森林內部信息，利用北斗短報文的通信能力解決林區通信盲區快速定位與預警，并根據森林防火調度的實際需要，確定了人員和林火的定位技術。

圖2 森林防火監控和應急指揮業務管理流程圖

（3）野生動植物保護。在野生動植物保護方面，主要應用模式有野外調查導航定位、數據采集、珍稀野生動植物跟蹤。目前，基于北斗芯片的野生動物定位項圈在對藏羚羊的研究中已有了利用。在不影響野生動物日常生活的情況下，對其活動時間和活動范圍進行實時了解和跟蹤，利用收集的數據，研究分析其遷徙產仔等活動。使用北斗衛星提高定位精度、加快數據獲取速度、保證野生動物監測數據的安全性。

圖3 野生動植物資源保護業務邏輯關系與業務流程圖

2 北斗導航林業應用存在的主要問題

目前林業衛星導航技術應用主要采用美國的GPS系列產品，而北斗系列產品除了林火方面還沒有廣泛使用。從而導致在應用中存在野外信息通信難、業務融合度低、本土化程度低、標準規范缺乏低等問題，同時設備與信息資源難以共享、利用率低，應用難度大、效率低；成為林業3S技術（衛星導航、遙感、地理信息系統）綜合應用的短板。

（1）缺乏適合林業應用的北斗芯片衛星導航終端。林業資源位置分布范圍廣，環境復雜，需要多時空尺度監測。我國林業分布范圍廣、自然環境多樣，空間跨度巨大，受地形約束和限制顯著，多在樹冠濃密的林內或偏遠地區開展，尤其在峽谷地帶、林冠層厚度較大或郁閉度0.8以上的林下，衛星導航定位信號較易受到影響，需要環境適應能力強的高精度的終端產品；由于林業工作涉及千山萬水，工作人員需要攜帶多種測量設備跋山涉水，長期奔波于多種艱苦自然環境中連續工作，需要集成度高、功耗低、攜帶方便的工作設備；林業資源調查人員工作任務繁重，不同級別、不同類型的林業資源業務對精度要求不同，廣大林業工作人員難于掌握操作復雜、技術水平要求高、適合專業人員使用的終端設備與應用軟件。

（2）缺乏北斗衛星導航業務支撐與綜合管理服務平臺。北斗衛星導航技術的應用，一方面需要與GIS、RS以及通信技術等緊密結合，共同為林業業務信息化提供支撐，另一方面需要統一規劃、綜合考慮與業務系統建設的融合，才能更好的發揮報北斗衛星導航技術優勢，提升業務管理水平。我國林業業務信息系統建設普遍存在目標單一、資源割據、共享困難、效能低下、重復建設等問題，導致林業信息化資源得不到充分、合理、有效地利用，一定程度地制約了林業信息化健康、協調、可持續發展。北斗衛星導航技術的在林業的廣泛應用，需要統籌規劃，建立綜合平臺，提供公共服務，共享各類信息資源，才能發揮北斗衛星導航對林業各項業務的支撐能力。

（3）缺乏北斗衛星導航與林業業務深度融合的應用系統。我國林業目前應用的主要衛星導航產品為GPS，GPS在我國的占有率達到了95%左右，由于嚴重依賴國外技術與產品，難于自主制定應用發展規劃與計劃；北斗衛星導航技術在我國應用處于開始階段，僅在個別領域作了技術探索，離應用需求有較大差距，尚未得到國家與相關部門的行業應用重點投入，北斗芯片較GPS芯片價格上略貴，技術支撐能力弱，對于推廣應用造成一定阻礙；各業務部門應用分散，導致目前林業衛星導航應用數量快速增加的同時應用廣度與深度滯后，難于適應林業大量業務對衛星導航技術的迫切應用要求。

（4）缺乏通信盲區數據采集和應急求助信息傳輸的有效途徑。林業資源位置分布范圍廣，多分布于人跡罕至的通信盲區。當遇到森林火災等緊急情況，由于缺乏有效通信手段會延誤救火時機，同時影響指揮撲救效率與效果，在巡護員遇到危險時，缺乏應急救助信息的快速傳輸，缺乏和家人通信的有效通信手段。另外在通過傳感器監測森林狀況時，也需要有效的信息傳輸以定期獲得監測數據，實現災害的預測預報。

（5）缺乏北斗衛星導航林業應用的標準規范。我國林業生態建設與保護由林業資源監管、綜合營造林管理、災害監控與應急響應、社會公共服務等各類業務組合而成。各業務對導航定位技術的應用模式與要求各異，各業務之間相對獨立又彼此存在一定的關聯性。因此在應用中不同業務對導航、定位和通信的要求各有側重，同一設備只能用于特定業務，存在大量重復購置；業務系統彼此獨立，大量公共、基礎信息難于共享；各類測量設備之間以及業務流程涉及業務協同時，信息互動效率低。

3 北斗導航林業應用發展思路

本著先示范，后推廣的原則，面向國家林業生態建設與保護管理過程中的森林資源監管、森林防火監控和應急指揮、野生動植物保護等核心業務需求，充分利用北斗衛星導航系統的定位和短報文功能，實施北斗示范應用項目建設，有效提高林業信息化保障能力，全面提升國家林業信息化管理與決策水平，完善林業信息服務應用體系。同時，通過示范省林區的示范作用推進北斗衛星導航系統在林業行業的應用，加快促進北斗示范應用系統及其配套終端設備的產業化發展。

（1）大幅提高林業信息網絡覆蓋率。為示范省份各級林業局門工作人員和巡護人員分別配置手持型北斗林業終端。示范省份內位于地面通信盲區的林區，其巡護人員將優先裝備具備北斗短報文功能的林業北斗終端，消除林業信息網絡盲區，實現示范省份90%以上林區的全覆蓋，示范省份示范業務的林業信息化率達到80%以上。

（2）提高巡護現場采集信息上報的時效性。在示范省份的公益林巡護、保護區巡護和林火巡護過程中，將現有的采集信息報送網絡延伸至巡護現場，采集信息報送時間可縮短為1小時以內、報送效率提高2～3倍，徹底解決示范省份發生森林火災、盜獵盜伐等緊急事件后，因地面通信網絡中斷或未覆蓋導致現場情況無法及時上報的問題。

（3）提高林火應急指揮和巡護監管信息化保障水平。示范省份省、地（市）、縣（區）林業管理人員和林火專用車輛林業北斗終端裝備率均達到100%，實現現場地面通信網絡完全中斷的條件下，各級政府對護林員、林火巡護員和林火現場應急指揮行動的全覆蓋監控與實時指揮調度，將護林員、林火巡護員、撲救人員定位和通信保障能力提升2倍。

（4）保障林業生態安全。林業承擔著保護森林、濕地、荒漠三大生態系統和維護生物多樣性的重要職責，是生態文明建設的關鍵領域，是生態產品生產的主要陣地，是美麗中國構建的核心元素。通過推廣典型業務應用，為林業生態文明建設保駕護航。

（5）滿足林業業務對高精度定位需求。針對林業勘界測量等業務對高精度定位功能需求，本項目提供林業勘界測量型終端和高精度伴侶，將勘界測量工具定位精度由米級提高到亞米級，提高林業高精度設備占有率，為樣地精準定位導航和林地勘界測量提供高精度定位服務。

4 北斗衛星應用推廣的建設原則

4.1 標準先行、統一規范

（1）與現有標準體系有機結合：緊扣衛星導航技術在林業的業務化應用主題，充分復用現有國際、國內相關標準規范，不貪大求全，不重復建設。

（2）與林業業務緊密結合：從我國林業森林資源監管、生態公益林和保護區巡護、林業災害應急、林業公眾服務的業務實際出發，基于資源整合、流程規范、科學高效的原則，研究并設計相應的標準規范。

（3）為北斗在林業的業務化應用提供標準規范支撐?；隗w系化、專業化、實用化的原則，研究并設計北斗林業綜合應用框架體系及相應的特色規范。

4.2 需求牽引、應用主導

（1）需求牽引。全面分析整理當前及今后林業現代化發展過程中對衛星導航技術的需求，重點研究、分析并滿足國家及林業重大發展戰略實現、推動社會經濟發展與產業化過程中要求迫切、條件成熟的相關需求，并開展應用示范，同時兼顧培育并引導其他潛在的需求。有急有緩、有所側重、避免出現需求分散、全面開花的問題。

（2）應用主導。以大力促進北斗在林業的深入、業務化應用為“出發點”和“落腳點”，突出應用、注重實效，不搞面子工程和政績工程。

4.3 技術推動、著眼未來

（1）設計完善的體系：做好頂層設計，促進資源共享。

（2）功能完備：針對林業對衛星導航定位的突出需求，以系統集成為手段，結合相關領域先進技術，研制具有集多傳感器的、“多網合一”的林業終端產品。

（3）性能優越：依托一片化的北斗模塊，在業內占據領先地位，大大減小整機的體積和功耗，降低產品成本，為北斗導航產業在林業應用發展作出突出貢獻。

（4）便于使用：針對林業四大業務特色和應用需求，結合現有技術、產品基礎，定義北斗林業終端型譜，為不同的業務類型、應用平臺以及使用場合生產相應的林業終端產品，降低技術裝備應用的門檻。

4.4 資源整合、共建共享

（1）資源整合。依據應用需求，資源共享為核心，用系統科學的方法對各個相對獨立的系統中的數據對象、功能結構及其互動關系進行融合、聚類和重組，形成一個新的、效率更高的有機整體。充分利用和整合國家和地方已有的信息資源，對目前的數據（信息）資源和系統資源進行整合。達到數據的高度共享，實現集中管理。

（2）共建共享。改變當前林業數據系統獨立、自治、重復開發的局面，促進互聯互通，有效調控增量資源，優化信息資源配置，建立滿足多種應用需求的林業數據共享平臺，提高信息資源效益。

4.5 點面結合、全面推廣

（1）點面結合：從林業業務里選擇具體的業務領域，結合北斗衛星導航定位的應用特點進行示范應用，在此基礎上，向整個林業業務領域進行推廣。（2）橫向集成、縱向貫通：選取林業應用特點突出、需求強烈的典型示范省區，基于國家-省-市（縣）-鄉的體系結構進行示范推廣，確保示范推廣的縱深。

（3）形成平臺、形成裝備：逐步形成覆蓋林業四大業務的林業應用終端產品平臺，便于構建后續應用；通過型譜的研究，形成林業手持巡護型終端、林業手持智能型終端、林業勘界測量型終端、林業車載型終端、林業應急指揮型終端和北斗林業RD 通信終端譜，在行業內部進行裝備，便于推廣應用。

5 結束語

充分借鑒“北斗+”和“互聯網+”思維，利用林業行業現有的信息化建設的設施、數據、平臺、應用系統，遵循“資源整合、共享共建，技術推動，便于推廣”的發展思路，集成衛星導航、云計算、移動互聯網、大數據、物聯網等先進技術，廣泛利用各種資源，依照行政推動與市場運作相結合的機制，發揮各方優勢，采用典型示范引路、以點帶面、整體推進的建設策略，實現北斗在林業的規?；瘧?，提高林業資源監管能力和信息化水平。