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49卫星应用2023 年第 10 期导航天地Satellite Navigation空间信息技术赋能国家公园监管文|史文石1 武红敢2，3 桑爱洋4 沈训41中国林业科学研究院2中国林业科学研究院资源信息研究所3国家林业和草原局林业遥感与信息技术实验室4北京华辰北斗信息技术有限公司一、引言2019 年中共中央办公厅、国务院办公厅印发关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的指导意见，充分肯定了国家公园在我国自然生态系统中的资源价值；2021 年正式设立首批 5个国家公园，开启了国家公园建设实践的新篇章。党的二十大报告提出要建设人与自然和谐共生的中国式现代化，国家公园体系建设是人与自然和谐共生现代化的重要组成部分，作为我国自然生态系统中自然景观最独特、自然遗产最精华和最具国家代表性的部分，国家公园需要实现自然资源的科学保护和合理利用，兼具教育、游憩、科研等功能1。国家公园的时空信息感知是其保护和开发利用的科学基础和高质量发展的重要助推器，将时空信息技术与林草资源业务深度融合，构建新一代国家公园时空信息技术体系，提供动态感知、精准认知和智慧管控等先进手段2，推动林草湿荒资源治理能力的现代化建设，支撑林草湿荒资源科学管理和高质量发展，已成为各级林草主管部门关注的话题。综合运用时空信息技术赋能智慧国家公园建设，助力布局规划、本底调查、资源监管、巡护巡查、保护评价、生态修复于一体的国家公园体系建设，以先进理念和创新技术助推林草行业的信息化和智能化。二、空间信息技术发展概况近半个世纪以来，空间信息技术在我国得到快速发展，空间信息技术是以全球导航卫星系统（GNSS）、遥感（RS）和地理信息系统（GIS）等理论与技术，结合计算机和通信技术，进行时空数据的采集、量测、分析、存储、管理、显示、传播和应用等，已经成为林草湿荒资源准实时精准监管的技术支撑手段。1.卫星导航定位技术以美国全球定位系统（GPS）为代表的 GNSS技术近三十年来得到广泛应用，它可在地球表面或近地空间的任何地点，为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息。我国北斗三号系统 2020年 7 月 31 日开始提供全球服务，采用了混合星座模式、全新导航信号体制以及提供短报文通信和精密单点定位（PPP）服务，北斗与 GPS 等其他卫星导航系统相比，高轨卫星更多，抗遮挡能力更强，确保了在我国及周边区域可以获得更为优质的高精度定位、导航、授时和短报文通信服务3-4，为各行各业和大众用户打造了完善的中国时空服务体系。基金项目：国家重大专项项目“林业生态建设与保护北斗示范应用系统工程”（GFZX030303020113）。10.indd 492023/10/11 14:39502023 年第 10 期卫星应用导航天地Satellite Navigation2.卫星遥感技术1999 年中国成功发射的首颗陆地观测卫星资源一号，填补了自主遥感卫星数据的空白，拉开了国产数据应用的大幕。特别是实施的高分辨率对地观测重大专项，以及 北京系列、天绘系列、高景卫星星座、珠海一号卫星星座、吉林一号卫星星座、珞珈系列 等小卫星系列的快速发展，使我国形成覆盖从全色、多光谱到高光谱，从光学到雷达，从太阳同步轨道到地球同步轨道等多种类型遥感卫星，以及高时空分辨率、高光谱分辨率、高精度观测能力的对地观测系统，可为自然资源调查、生态环境保护、灾害监测评估等提供全面的数据服务和技术支撑。3.卫星传输技术地球同步轨道卫星系统和低轨卫星系统因其广域覆盖、高速率传输、抗干扰强、成本低，以及可以实现全球范围内数据、语音和视频等信息传输的独特优势，已经在国防、航空航天、电视广播、移动通信等领域中得到广泛应用。林草湿荒资源多分布在人烟稀少的偏远地区，其监管数据的采集和传输需要卫星通信手段的保障。4.时空数据分析技术数据挖掘、机器学习、人工智能等融合技术手段可以更好地理解多源数据之间的关系和规律，可视化技术可以更好地展示多源数据，以应对各种挑战。因此全面感知和获取多源、全域信息，并利用智能计算框架和智能数据处理算法对信息进行处理5是构建林草生态感知体系的技术支撑与保障。三、国家公园精准监管对感知技术的特殊需求1.多平台感知国家公园地形条件复杂、地貌形态多样，单一、传统的遥感监测手段难以满足复杂恶劣环境多尺度、连续性、整体性监测和多要素信息异常智能感知的实际需求，因此人工地面调查和验证一直是林草资源监管不可或缺的重要手段。为此，国内外学者开展了“天空地人”多平台协同监测理论研究。张良培等6提出了空天地一体化对地观测传感网理论，构建了网络环境下多传感器资源的动态管理、事件智能感知体系。曹林等7利用天空地一体化+物联网传感器监测体系，实现了森林生物与环境因子的全方位、长时序监测。因此“天空地人”协同监测技术在监管信息提取与智能感知、异常变化识别等领域具有巨大优势和应用潜力。2.多业务感知林草湿荒等自然生态系统是经过漫长岁月形成的高度复杂而又十分精巧的生物体系，无数植物、动物、微生物相互利用、相互依存，构建起生生不息的食物链、生物链。对其监管和修复治理也必将是个复杂工程，必须多要素或全要素精准监测才能为耦合效应科学分析提供基础保障。3.多时相感知林草、有害生物、火情、生态环境等的发生发展规律和生育周期各不相同，其感知的时间分辨率差异悬殊，如林火要求秒级实时动态数据，而林木生长可以年来考量。这种周期性、间断性或连续性业务动态监管数据获取是林草时空信息采集的重要特点。4.多尺度感知就活立木而言，目前各业务部门管理粒度有单木（古树名木、松材线虫罹病木）、块状林、片林、林分、群落等空间尺度的巨大差异。当然从森林经营的角度来讲，小班是森林经营管理的最小单元。总之不同类型传感器的协同感知可以相互辅助，从而挖掘出更为丰富的信息。林草湿荒等自然资源与人类开发利用活动往往具有特定的时间周期、生长节点或其他时空特性，必须实时或准实时观测并动态获取数据，才能满足精准管理需求。随10.indd 502023/10/11 14:3951卫星应用2023 年第 10 期导航天地Satellite Navigation着传感器技术的快速发展，多传感器协同动态感知一定会成为人工智能的发展方向，多模态数据的融合也是亟待解决的关键问题。2020 年，国家林业和草原局启动以生态资源监测、生态灾害预警防控为重要内容的“生态感知”建设，已经成为林草行业数字化基础设施建设和生态数字化服务保障的目标之一，也是形成科学布局、高效便捷、先进实用、稳定安全的林草数字化体系的重要牵引8。四、国家公园场景变化预警感知系统研制遥感、导航、GIS 等时空信息技术是我国国家公园时空动态信息获取的重要手段。其中遥感技术可用于测定资源的空间分布、状态信息、时间变化，反演其物理参数；北斗技术可用于资源的空间定位和信息传输；GIS技术可用于时空信息的综合分析、评价和管理。基于北斗三号和地基摄像机构建的野外固定位置场景变化预警感知系统，可实现对异常目标物（如动物、人、鸟类等移动物体的活动，以及植物叶片变色等静态变化）的图像采集、图像压缩、图像传送、图像解压，满足边远区域的无人化预警监测服务需求。1.系统构成国家公园场景变化预警感知系统以北斗三号短报文数据通信为基础，结合高倍率图像压缩、边缘计算处理、云平台处理等遥感和 GIS 最新技术成果，可实现对固定场景内景物变化的实时动态智能监控，图 1 为系统构成图。图 1 国家公园场景变化预警感知系统框架图图 2 前端野外感知装备图本系统主要由三个部分组成，即前端野外数据采集组件、北斗导航卫星系统短报文数据传输和后端数据处理分析组件。野外前端组件：主要由为野外器件供电的太阳能板+电池，内置嵌入式神经网络处理器的数据处理终端，可日夜全彩、晚间自动补光的移动侦测（仅拍照不录像）摄像头，满足恶劣环境工作要求的北斗数传发送终端，以及立杆、机箱、避雷装置、螺丝、抱箍、扎带等辅助配件。野外集成感知装备见图2。压缩库10.indd 512023/10/11 14:39522023 年第 10 期卫星应用导航天地Satellite Navigation图 3 数据流程图后端处理组件：主要由北斗数传接收终端、图像处理模块、数据管理与服务平台等构成。北斗卫星导航系统：主要实现图像的准实时传输。2.系统工作原理系统主要工作流程分以下几个步骤。场景内有异常目标物后，智能启动图像抓拍操作。选择图像并确定裁剪比例和压缩率。确认图像发送后，发送终端内置的压缩库将图片分割为 N 包，并通过北斗三号短报文发送到后端。后端接收数据包后，通过压缩库解压并实时显示最新图像效果。由于采用渐进式传输方式，故在收到 2 3 包数据后就能看清“异常目标物”大概轮廓，且收到数据包越多则越清晰；在接收数据的后期即使丢掉 1 2 包数据也不会对图片质量造成较大影响。智能预警监测数据的获取、传输、处理和分析流程见图 3。3.系统优势系统采用了图像的高时效识别技术，可在收到 2 3 包数据后就能看清目标大概轮廓，收到数据包越多则越清晰，能分层次满足用户对图像质量的要求；其次应用分包传输的图像渐进式显示技术，可最优化利用宝贵的信道带宽，实现窄带宽下抗误码、高压缩比图像传输比，极大提高图像数据的传输能力和效率；北斗卫星导航系统的短报文功能保障了广袤且偏远林草湿荒分布区域的准实时数据传输，为快速、精准监管提供了技术支撑。五、应用潜力国家林业和草原局正在进行国家公园感知监测的顶层设计，并着手制定统一的国家公园感知监测标准体系，开展旗舰物种跟踪识别技术攻关，提升精准监测保护能力，建设最高水平、最先进技术的国家公园感知监测体系，进而拓展到全林草行业。无信号或弱信号区域的野生动植物、人类活动、生物入侵、植被生长胁迫、火情隐患等的一体化智能监测，是国家公园监管体系建设的重要内容，更是未来应对恶劣环境少人化（或无人化）野外值守发展趋势的解决方案。基于北斗三号短报文通信功能，将外业的状态数据、异常事件等预警信息及时传到管理中心，既弥补了现有通信手段的局限性，又可扩大监管范围，减少管控盲区，可很好地提升林草湿荒资源的管理水平和效率。图 4 展示了基于“林业生态建设与保护北斗示范应用系统”的国家公园或自然保护区准实时监管类数据汇集、分析、管理与服务功能。10.indd 522023/10/11 14:3953卫星应用2023 年第 10 期导航天地Satellite Navigation图 4 自然保护区即时数据通导遥综合服务系统六、结语经过多年的创新与发展，以遥感、GIS 和GNSS 为核心的时空信息技术迅猛发展，极大地扩展了人类对生存环境的感知、认知与管控能力，为林草湿荒资源时空信息技术的集成研发与应用提供了良好技术基础。推动时空动态信息与国家公园主责主业的深度融合，必将是国家公园体系建设和本土化发展重要举措。只有加大时空信息技术的研究与应用力度，才能确保高质量的时空信息、高层次的时空分析和高水平的时空赋能，才能实现“全地域、全方位、全时域、全要素”的感知，才能破解“动态感知精准认知智慧管控”的技术难题，也才能满足数据保障实时化、调查监测精准化、监管服务知识化、决策治理智慧化2的国家公园建设需求。参考文献1 邹亚琛，魏雨萌 我国国家公园可持续发展研究现状、热点与内容综述基于CiteSpace可视化分析J/OL 经营与管理，2023-09-01.https:/doi.org/10.16517/12-1034/f.20230330.006.2 陈军，武昊，刘万增，等 自然资源时空信息的技术内涵与研究方向J 测绘学报，2022，51（7）：1130-11403 北斗卫星导航系统公开服务性能规范（3.0 版）EB/OL(2021-05-26)2023-06-10.http:/ 北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件精密单点定 位 服 务 信 号 PPP-B2b（1.0 版）EB/OL.(2021-08-03)2023-06-10.http:/ 施闯，张雨露，辜声峰，等 构建中国时空体系保障时空信息安全服务的探讨J/OL 导航定位学报，2023-08-21.https:/doi.org/10.16547/ki.10-1096.20230601.6 张良培，钟燕飞，曹丽琴.空天地一体化对地观测传感网的理论与方法立项报告J.科技创新导报，2016，13（16）：177-178.7 曹林，周凯，申鑫，等 智慧林业发展现状与展望J 南京林业大学学报（自然科学版），2022，46（6）：83-958 闫瑞华 以生态感知为目标推动中国林草行业数字化发展的成效与路径J 林草政策研究，2022，2（4）：20-2710.indd 532023/10/11 14:39