基于GIS可视化的林业有害生物飞机防治指挥系统的研发与应用

唐金玉 张棋 任柯伶 罗娇 毛俪颖

摘 要：在林业有害生物飞机防治中，随着飞防作业的快速发展，飞防出现的诸多问题也日益显现出来，当前林业有害生物飞机防治就出现了监管难、监管不到位的问题。基于此，本文详细介绍了在飞机防治中使用的基于GIS的智能指挥系统，以此解决飞防领域内长期困扰监管人员的“说不清、来不及、看不到、听不明、控不住”的工作难题。

关键词：林业;飞防;有害生物防治;GIS;智能系统

中图分类号：TB     文献标识码：A      doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2021.01.070

0 引言

近年来，我国林业有害生物飞机防治发展迅速，飞防作业面积已占防治作业总面积的1/4，成为林业有害生物防治的重要手段。但是，随着飞防面积的快速增长、防治服务公司的大量涌入和防治监管能力的相对不足，飞防问题也日益突出，而美国在飞机防治领域，已有成熟的制度设计、技术装备、工作流程、管理要求。在飞机防治中使用智能指挥系统能够较好地解决当前林业有害生物飞机防治监管难、监管不到位等问题，扭转我国林业有害生物高发频发的不利局面，更好地保护森林资源和国土生态安全，保障国家生态文明建设和美丽中国梦的实现。

1 林业有害生物防治与飞防系统

飞防是林业有害生物防治中一项重要的技术措施。采取以飞防为主要手段的综合防治措施，是迅速遏制虫情蔓延、降低经济损失、消除灾害的重要途径，在林业有害生物防治中具有不可替代的作用。

飞机防治能有效解决山区地形复杂、防治效率低、防治效果差等问题。飞机防治用药量、用工量、用水量都大大减少，根据调查数据显示，飞机防治费用仅占人工物理、机械喷药等常规防治方法的1/4，大大降低了防治费用。基于GIS的林业飞防系统更是能够解决长期困扰监管人员的“说不清、来不及、看不到、听不明、控不住”的工作难题。

综上所述，采用飞防在林业有害生物防治中是必不可少的。

2 飞防系统关键技术

2.1 “指数平滑算法+线性回归算法”的数据预测算法

常用的数据预测，多采用简易平均算法或移动平均算法。前者是一种简便的时间序列法，属于定量预测方法，可对低耦合关联的数据进行短期预测，且有较好应用效果。后者能减少数据突然波动对预测结果的影响，但不能很好地反映出趋势，且在加大移动平均法的期数时，会使预测值对数据实际变动更不敏感。

平台采用“指数平滑算法+多元线性回归算法”融合的数据预测算法，既兼容了全期平均和移动平均所长，通过调教指数平滑常数，实现预测的良好响应率;又可以利用回归预测模型，拟合优度检验、回归标准差检验，实现预测算法的调优。通过结果反向优化自己的数据预测和表达算法，从而优化整体数据表达准确性。

2.2 数据自动化标签分类算法

平臺使用K-Means算法作为聚类的基本算法，包含样本类型、样本相似度测量、类的定义等，从整体效果上而言K-Means优于HAC、K-Means Bisecting和NN聚类算法。平台通过K-Means算法进行聚类分析，将聚类分析结果映射至分类标签集（偏航飞行轨迹、重复飞行轨迹、未喷洒药物飞行轨迹、喷洒药物飞行轨迹等）。

2.3 一体化GIS数据展示技术

系统为特定数据（GPS位置、飞机航向）引入GIS表达方式，实时呈现飞机的实际飞行轨迹、航速、航高、药物喷洒状态及喷药量，可增加数据地理位置属性的展现力;为不具备GIS属性的数据，引入虚拟GIS属性，可以获得与真实GIS属性一样的展现力。另外，结合已标注的高塔、高压线、水资源区等预警信息，在飞机作业中，其空间位置触及预警阈值时，系统将自动预警，及时提醒执飞人员，避免事故的发生。

2.4 海量节点的层次化树处理技术

在可视化呈现中，随着海量节点和线条的数目不断增多，例如规模达到上万以上时，可视化界面中会出现节点和线条大量聚集、重叠和覆盖问题，使得分析者难以辨识可视化效果。平台利用计算并行化、图聚簇简化可视化、多尺度交互等方法对大规模图转化为层次化树结构，并通过多尺度交互来对不同层次的图进行处理，确保用户能清晰简单地读懂数据之间的层次与关联。

3 飞防系统构建流程

系统采用分层提供服务支持的设计思想，将系统划分为应用系统层、数据平台层、核心设备层、网络层和系统接口层。系统对每一层定义明确的功能接口，同时在层次内实现组件化的接口实现。层次化、模块组件化的实现，使系统具备了最大程度的灵活度，从而能对业务需求的变化作出快速的反应，使系统具有很好的扩展性。飞防作业过程中，产生的数据具有：变化快、数据大小可预见、数据结构稳点等特征;Redis作为可持久化的Key- Value 类型的内存数据库，具有高性能并发读写的能力，支持对List 进行各种操作，适合数据高性能读写操作和运算。

基于ThinkPHP框架作为底层开发核心，前端采用Bootstrap框架实现界面响应式设计，构建轻量级WEB系统“林业有害生物飞机防治指挥系统”，系统主要由机载模块、指挥中心平台组成。

飞防系统的“指挥中心平台”采用模块化的开发模式，遵循MVC结构，实现业务逻辑与表现层的适当分离;在保证模块独立的同时，大大降低代码、数据的冗余，保证了应用程序的高内聚低耦合。系统基于Bootstrap和AdminLTE进行二次开发，手机、平板、PC均自动适配，无需要担心兼容性问题。

4 结论

综上所述，本文介绍了林业有害生物飞机防治指挥系统的研发与应用，主要利用“指数平滑算法+线性回归算法”的数据预测算法，数据自动化标签分类算法，一体化GIS数据展示技术，海量节点的层次化树处理技术等算法、技术建立系统，指导人员进行精细化管理，从而达到提高林业有害生物防治工作的质量和效率的最终目的。

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