基于數字匯流的森林資源管理“一張圖”平臺的信息化探索

林聰聰，王 柯，王豪翔，陳 晟

(浙江省森林資源監測中心，浙江 杭州 310020)

浙江素有“七山一水兩分田”之稱，森林資源稟賦良好。根據第九次全國森林資源清查成果[1]，浙江省森林覆蓋率為59.43%，位居全國前列。雖然其森林資源監管長期按照信息化標準管理和使用，但與數字化管理的高要求相比，仍存在數據表現形式單一、數據靜態、數據標準不統一、部門管理不銜接、業務流程不協同以及內外業聯系不緊密等問題，一定程度上制約了浙江的林業現代化、數字化建設。為解決這些弊端，浙江省加緊開展新技術、新方法在林業中的應用，以林業數字化轉型為契機，加大林業數字化建設力度，不斷開拓創新森林資源智慧管理方法和模式，以解決森林資源數據協同中存在的問題。本文研究的森林資源“一張圖”信息化建設，在數字化轉型新要求下開展森林資源監管工作，實現了森林資源精細化管理，提高了林業管理水平，并服務于全省林業生產經營管理[1]。

1 需求分析

浙江省林業空間管理平臺(以下簡稱“一張圖”平臺，http://slzyjc.lyj.zj.gov.cn/SLZY/index.aspx)始建于2018年，此前浙江省林業相關業務數據都是以光盤、U盤等移動存儲設備進行管理或者下發，同時各縣市也以移動存儲設備為載體進行數據上報，這就容易出現數據格式不統一、數據使用不規范等問題，各部門數據的分散管理也增加了不同部門間業務協同的難度，并且由于分散管理導致的數據靜態化，也嚴重影響了森林資源數據的時效性。因此，基于信息技術，以森林資源調查成果為基礎，將營造林、采伐、林地征占用、森林防火、行政處罰等突變數據，結合森林資源自然生長的漸變數據，通過智能集成和數據融合，實現森林資源數據由靜變動、不同的業務部門之間相互兼容，形成一個高集成度、綜合性的管理平臺，從而實現“數據全聯通、業務大協同”，并能夠提供“數據實時服務”。

2 關鍵技術

2.1 技術路線

“一張圖”平臺建設基于數字匯流(Digital Convergence)的思想，包括數字(Digital)及匯流(Convergence)兩大概念，它來自于網絡通訊技術的快速演變，讓許多各自獨立的領域開始產生互動，彼此界線逐漸模糊，產生整合，也就是數字化的整合。將森林資源數據、遙感影像等內容數字化后，能夠更快速地處理并在不同系統之間傳遞，讓不同部門林業工作者和不同的平臺設備之間只需要制定一個共同的數據標準格式，就可以溝通交流，大大提高了各個部門間的協同工作效率。林業信息化是目前林業現代化工作的主題和方向，數字匯流又是未來發展的重要趨勢，只有加強林業現代化建設，合理運用數字匯流思想，加強林業信息技術在林業管理中的應用，才能夠實現林業工作的持續發展[3]。

森林資源管理“一張圖”是以“互聯網+”、云計算及大數據為背景，融合了地理信息系統(GIS)，遙感(RS)、全球衛星導航系統(GNSS)等技術，基于ASP.NET構建開發，采用SQL Server作為數據庫進行數據管理而形成的平臺。平臺利用了云計算高靈活性、可擴展性和高性比的特點和優勢，獲取到無限資源并使獲取的資源不受時間和空間的限制。平臺通過自建空間數據引擎，實現了用戶數據“既視既拿”的效果；對于傳輸的數據，根據分辨率進行點抽稀，來保證數據傳輸和顯示時能夠達到最優性能；利用瓦片、數據緩存、智能預統計等數據預處理技術，實現海量數據的存儲顯示；使用瓦片地圖金字塔模型，建立了天地圖離線地圖、脫密地形圖等瓦片地圖；使用加密算法，對瓦片模型中的X，Y，Z進行加密。掌上林業App利用Android操作系統提供的豐富的Api來實現定位功能。對于空間數據，平臺使用GeoServer、自建空間數據服務等技術實現了空間數據的統一管理和發布。通過空間分析，可對平臺各類圖層進行疊加分析、網絡分析、空間統計等，實現業務數據精準提取，為各項決策提供數據支持。

2.2 平臺建設架構

圖1 平臺架構

圖2 數據流程分析

平臺建設架構自下而上分為云服務層、網絡安全層、林業“一張圖”層、核心業務應用層、數據可視化層(圖1)。云服務層通過浙江省政務“一朵云”與各個業務系統建立數據接口，收集各業務系統實時數據，同時也負責將獲取的數據傳輸到林業“一張圖”層；網絡安全層負責對平臺系統的安全進行維護和保護；林業“一張圖”層，主要對各個系統產生的數據進行存儲、展示分析，匯總統計；核心業務應用層是平臺的核心部分，是“一張圖”數據實時更新的主要依靠；數據可視化層是“一張圖”數據對外展示的統一窗口和入口，向社會各級展示林業分析、處理及決策成果[4-7]。

平臺的構建基于“數字匯流”的思想，將不同部門的業務數據、基礎數據匯集整合成了林業資源，用戶可通過不同設備上傳或下載進行數據交流，實現了跨地區、跨部門、跨設備的協同設計，通過平臺的各業務系統數據的匯流，做到實時更新林業“一張圖”數據庫。

3 系統分析與設計

3.1 數據流程分析

“一張圖”平臺以上一年度的森林資源“一張圖”數據作為基礎，通過掌上林業APP業務系統進行數據采集，經過造林、林木采伐、林地征占用等業務模塊上傳至“一張圖”平臺并產生突變數據，并利用生長模型更新產生漸變數據。經省、市、縣(市、區)林業主管部門管理員審核通過后，這些多源異構數據在數據庫標準、系統數據交互接口規范的監管下，使用各系統業務的數據模型來分析數據關聯關系、繼承關系、約束關系和數據及信息流向，從而形成成果數據，并在“一張圖”平臺以圖形化等形式呈現出來(圖2)。

3.2 系統設計

3.2.1 系統架構

“一張圖”平臺的應用主要有5個系統(圖3)。發布展示系統主要承擔森林資源發布、大數據分析、古樹名木資源、濕地資源、業務動態等森林資源成果展示；資源更新系統主要負責有森林資源年度監測、外業圖斑上報縣級確認、數據匯總統計；業務管理系統含營造林、林木采伐、征占用、重要因子變更等業務；森林監管系統主要包含森林督查、林地遙感監管等模塊；掌上林業系統主要是為野外工作人員方便進行數據采集作業提供的掌上移動端APP，它連接浙江省林業空間管理平臺，可以為各級領導宏觀決策提供分析依據和輔助支撐。其中，資源更新和業務管理系統保證了平臺數據的實時性和真實性，是平臺的核心內容。資源更新中除了生長模型更新外，也包括了各個業務應用系統不同地類面積的更新，從而保證了一張圖面積和蓄積兩個主要因子的實時性。

圖3 森林資源“一張圖”組成模塊

3.2.2 接口設計

圖4 技術架構

考慮到不同業務模塊之間的數據交流需要，從開放性、靈活性、兼容性、擴展性、先進性、安全性等原則出發，平臺基于JSON格式的開放的Web Service進行數據交互，從而實現了不同系統、編程語言和組件模型中的不同類型模塊向平臺發送和接受數據，實現了開放式的接口。另外，為了保證數據交換的安全，統一使用HTTPS進行數據傳輸，以防止數據被竊取。

從技術架構上，將系統劃分為應用、算法、支撐、資源層，各層間用標準化接口互聯(圖4)。算法是保證數字匯流的核心部分，借助于從云服務層獲取的數據，通過接口為應用層提供數據服務，對底層提供的元數據進行分析和挖掘，并利用PMML和CWM來呈現預測分析模型和新元數據交互，從而實現了不同業務模塊之間的協同工作。

3.2.3 安全設計

“一張圖”平臺是面向全省公眾、林業工作者和政府各部門的服務性平臺。平臺基于網絡實現，對安全的要求很高。在管理方面，平臺利用省政務云運維審計與風險控制系統對平臺網絡進行監控，通過對異常狀況的分析實現網絡安全預警；及時做好相關數據日志記錄，設置數據備份機制，建立災難性數據恢復機制，并定期維護省政務云空間，及時修補軟件漏洞等。在技術方面，平臺借助交換機、路由器、入侵監測以及防火墻等設備自身的功能，對網絡安全進行防護；利用瑞星企業產品ESM防病毒系統，以杜絕病毒導致的破壞。在身份認證上，對平臺所有功能項的應用都需經過身份核定；平臺數據集中管理保存，統一使用CA證書的HTTPS進行數據傳輸，確保安全性，防止數據被竊聽。

4 系統功能與實現

4.1 數據基礎及平臺建立

2017年，浙江省基于多期和多源遙感數據，完成了十年一次的森林資源規劃設計調查，查清了全省森林資源分布和生態狀況，形成了全省森林資源管理“一張圖”基礎數據。在此基礎上，將森林資源更新、生態公益林、天然商品林等信息進行完善整合，形成了新的森林資源管理數據庫[8]。根據浙江省委省政府“最多跑一次”改革和數字化改革的工作要求，浙江省林業局提速推進數字化改革工作，建立了浙江省林業空間管理平臺(簡稱“一張圖”平臺)，加快了“一張圖”在林業信息化中的應用。

4.2 森林資源可視化表達

通過浙江省“一張圖”平臺的發布展示系統，實現了全方位、多層次對森林資源的狀態和趨勢的展現，實現了不同類型的林業數據的匯流以及統一的可視化展示，用戶可快速查詢到目標地塊的地理空間位置、林木信息、管理信息、經營權屬等因子，發現及挖掘林業統計數據中的隱藏信息。通過對資源數據進行大數據智能分析，可獲得歷年資源狀況展示和對比分析情況，掌握各類指標的變化情況，清晰快速地獲得資源增減幅度，為下一步加強森林資源管理、提升林業經營效能提供參考依據，也為各級領導提供決策支持[9]。此外，系統還可以顯示簡潔清晰的森林資源分類、公益林管理分類、林地保護等級等專題數據，實現一圖即可查詢各類森林資源信息。

4.3 森林資源動態更新

近年來開始實施的年度資源數據變更僅限于ArcGIS數據單機編輯，利用Excel等軟件進行統計計算，這種方式工作量大、耗時長，又難以保證數據結果的準確性以及數據格式的統一性[10]。

為確保森林資源“一張圖”數據年度更新質量，2020年起浙江省全面推行全在線更新模式，開展常態化的年度更新工作。通過專用的客戶端模塊，結合各個核心業務數據，對面積等因子進行變更，在數據邏輯控制下，對各因子信息建立關聯、環環相扣，進行數據變動約束檢查，從而提高了數據質量，保證了數據格式的唯一性和準確性?；谏仲Y源動態監測的結果，可繪制出全省各級森林資源監測統計圖表和各類型專題圖。同時，浙江省依托森林資源樣地年度監測成果，研發了符合本省特色的林木自然生長模型，模擬林木的自然生長狀況，并據此進行森林資源年度蓄積變更，保證了全省森林資源年度變更與國家森林資源管理“一張圖”銜接，實現數據對接轉換和一致性。

4.4 主要業務模塊協同機制

業務管理系統調用了森林資源“一張圖”年度成果，建立年度動態更新機制，規范數據更新流程，以林地審批、林木采伐、森林撫育、重要因子變更等各個業務系統作為數據更新源，形成“一張圖”閉環管理。林業工作人員通過互聯網提交林地因子變更申請，經省市縣三級遠程審批通過后，該因子將直接更新至“一張圖”現狀數據庫，便于相關工作人員及時跟進林地審批、林木采伐等由于因子現狀與“一張圖”數據不符導致的作業流程無法繼續的業務問題。數據信息可通過平臺從電腦端延伸至平板端、手機端，使用Web Services、Web API等技術自動完成數據交換。Web Services技術為各個部門的業務模塊的集成提供了通用機制。通過各業務模塊的協同管理，加強了業務審核審批校驗的效率，縮短了林業工作人員的常規事務性工作時間，提高了工作效率，減少了工作量和工作成本[11]，也為各級各部門的檢查驗收提供了便利。

4.5 天空地一體化巡查監管模式

為形成天空地一體化巡查的監管模式，森林督查利用兩期衛星遙感影像，采用eCognition軟件進行疑似圖斑提取，并與前期“一張圖”疊置運算獲得動態變化圖斑。使用無人機勘察現地督查變化圖斑情況，采取“互聯網+森林督查”的方式開展全省森林督查工作，查清現地違法違規情況。為重點解決各縣(市、區)數據上報不及時、野外調查不便利、圖斑填報不規范等問題，利用掌上林業APP和森林監管系統，建立內、外業數據采集整理的通道，開展野外現地調查、在線填報并督促各縣(市、區)上報森林督查材料，網絡在線進行違法違規的數據邏輯檢查與修正，形成符合國家林草局要求的數據成果等。依據各縣(市、區)填報情況，研發分析功能，提供森林督查上線情況表、森林督查圖斑上報情況表、森林督查圖斑按變化原因統計表和森林督查疑似違法違規情況分析表等。

4.6 野外調查創新

外業調查是林業數據采集的重要方式。在外業調查中經常需要使用地形圖，衛星影像等，雖然使用一些工具軟件可以實時獲取天地圖等影像，但是不能自由加載調用離線影像，滿足不了野外作業人員在無信號無網絡狀態下的工作需求。隨著手機和平板電腦的使用越來越智能化以及移動地理信息系統技術越來成熟，林業工作者對移動端的需求也越來越明確。為便于開展野外數據采集，“一張圖”平臺研發掌上林業移動辦公，具備數據瀏覽、采集年度監測圖斑、圖斑編輯、采集圖斑拍照舉證、圖斑屬性錄入等功能，通過實時調用征占用林地、林木采伐、森林撫育、森林督查、營造林工程等經營檔案，開展森林督查、森林資源“一張圖”變更、重要因子變更等野外調查工作。在無信號離線狀態下外業工作人員可以調用提前下載移動端的離線數據或影像進行作業；在聯網狀態下，外業工作人員可以在任何時間上傳調查數據。內業人員可以實時獲取到外業人員上傳的數據進行整理。內外業工作一體化，工作靈活分工，極大程度上減少了工作量，降低了作業成本，提高了內外業數據變更效率[12-13]。

5 實施效果

“一張圖”平臺建立至今已匯集了2016年以后的各年森林資源數據，已有用戶6 412個，其中林業系統用戶5 853個，中介設計單位用戶559個，已經成為浙江省林業日常工作中不可或缺的一部分。平臺通過制定一系列的標準規范，培養了一批專業技術人員，現正依托浙江省森林資源監測中心，逐步打造省級數據中心，并建成了公共基礎數據庫、森林資源數據庫、專題專業數據庫。平臺系統年增長6萬多個小班。至2020年，全省小班數量達到了322余萬個。

6 結束語

林業數字化改革業務新、專業性強，時間緊、任務重。在數字匯流環境下，浙江省林業“一張圖”平臺的應用為建立部門無縫對接、技術支撐共享、業務全鏈條的協作式管理貢獻了力量，也對浙江省林業數字化改革工作起到了引領作用，推進了管理能力提升，提高了林業空間治理水平。但是，當前“一張圖”平臺的數字化建設應用與林業工作者的期待還是有不小的差距，仍有拓展空間。目前各個應用系統都是從應用到底層的訪問，從拓撲上屬于星狀結構，且業務間橫向聯系較少，業務協同效率有待提高，這也是未來系統的一個努力方向。另外，數據分析挖掘還不夠深入，各個系統的使用機制還需更簡化更靈活等。未來林業“一張圖”平臺，還有許多方面需要完善，林業數字化建設仍然任重而道遠。