基于北斗衛(wèi)星通信的林區(qū)小氣候監(jiān)測系統(tǒng)研究

鄭一力 趙燕東 劉衛(wèi)平 劉圣波

(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測，能形成可追溯的海量大數(shù)據(jù)信息源，可揭示林區(qū)各種生態(tài)因素的相互關(guān)系和內(nèi)在變化規(guī)律，以支撐生態(tài)行動(dòng)和預(yù)防生態(tài)災(zāi)害[1]。

目前林區(qū)監(jiān)測所需的大氣、土壤、光照和植物等參數(shù)的獲取方法可以分為3類：第1類為查詢國家氣象臺網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)，但林區(qū)地形、海拔、植被條件變化較多，林區(qū)獨(dú)特的小氣候環(huán)境與國家氣象臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)有較大差異，無法使監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確[2-4]。第2類為氣象衛(wèi)星或遙感衛(wèi)星，用遙感的方式監(jiān)測林區(qū)的氣象數(shù)據(jù)或光譜數(shù)據(jù)[5-7]，這種方式適合對林業(yè)生態(tài)變化和災(zāi)害進(jìn)行宏觀大范圍監(jiān)測預(yù)警，無法獲得微觀精細(xì)數(shù)據(jù)。第3類是在林區(qū)建立定點(diǎn)生態(tài)監(jiān)測站或移動(dòng)式手持監(jiān)測儀[8-11]，自動(dòng)測量小氣候數(shù)據(jù)，因測量精細(xì)度高、節(jié)省人力和可長期連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。在一些偏遠(yuǎn)和無手機(jī)信號的林區(qū)，這種方式存在數(shù)據(jù)無法有效實(shí)時(shí)傳輸?shù)膯栴}，成為林區(qū)監(jiān)測實(shí)際應(yīng)用中的瓶頸。

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的全球性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在服務(wù)區(qū)域任何時(shí)間、地點(diǎn)，為用戶確定地理經(jīng)緯度和海拔高度，并提供雙向短報(bào)文通信和精密授時(shí)服務(wù)，可有效解決我國偏遠(yuǎn)和無手機(jī)信號地區(qū)的數(shù)據(jù)通信難題[12-14]。

本文基于北斗衛(wèi)星的短報(bào)文通信功能，設(shè)計(jì)一套林區(qū)小氣候?qū)崟r(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)林區(qū)小氣候的大氣、土壤、光照和植物等多參量實(shí)時(shí)監(jiān)測、遠(yuǎn)距離傳輸和數(shù)據(jù)云存儲。用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)，實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)變化和下載歷史數(shù)據(jù)報(bào)表，為偏遠(yuǎn)無手機(jī)信號林區(qū)的小氣候大數(shù)據(jù)獲取和分析提供服務(wù)。

1 林區(qū)小氣候監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

圖1 林區(qū)小氣候監(jiān)測系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of forest microclimate monitoring system

系統(tǒng)由多個(gè)小氣候監(jiān)測站、云服務(wù)器和系統(tǒng)軟件構(gòu)成，如圖1所示。

小氣候監(jiān)測站連接了大氣、土壤、光照和植物參量傳感器組，通過太陽能供電。小氣候監(jiān)測站與云服務(wù)器之間通過北斗短報(bào)文通信模塊進(jìn)行雙向通信。系統(tǒng)軟件運(yùn)行在阿里云公司提供的云服務(wù)器上，具備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢與下載、大數(shù)據(jù)分析與決策、數(shù)據(jù)庫存儲和管理、衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與解析等功能。多個(gè)小氣候監(jiān)測站組網(wǎng)形成對林區(qū)全方位監(jiān)測，用戶通過計(jì)算機(jī)或手機(jī)遠(yuǎn)程聯(lián)網(wǎng)查詢和下載林區(qū)小氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)。

林區(qū)小氣候監(jiān)測站依據(jù)自身時(shí)鐘，每間隔10 min自動(dòng)采集連接的大氣、土壤、光照和植物類傳感器的數(shù)據(jù)，采集間隔可人工設(shè)置。數(shù)據(jù)經(jīng)存儲和格式變換后，形成72個(gè)字節(jié)的短報(bào)文通信包，通過北斗衛(wèi)星通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至北斗衛(wèi)星。北斗衛(wèi)星地面站接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，再經(jīng)北斗衛(wèi)星發(fā)送給云服務(wù)器。

系統(tǒng)軟件的衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收與解析功能可接收北斗短報(bào)文通信包，解析后將監(jiān)測數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫中。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢與下載功能可實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫，通過互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)為計(jì)算機(jī)和手機(jī)用戶提供遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問、曲線查詢和報(bào)表下載等服務(wù)。數(shù)據(jù)庫存儲和管理功能實(shí)現(xiàn)對MySQL數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的增添、刪除、修改、更新和查找等操作。

系統(tǒng)軟件的大數(shù)據(jù)分析與決策功能可根據(jù)獲取的小氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或大數(shù)據(jù)分析模型，確定林區(qū)火險(xiǎn)天氣等級，進(jìn)行森林火情預(yù)測預(yù)警，也可以擴(kuò)展完成生態(tài)環(huán)境恢復(fù)評價(jià)、精準(zhǔn)灌溉決策和立木生長狀態(tài)監(jiān)測等分析決策功能。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

林區(qū)小氣候監(jiān)測站的硬件由數(shù)據(jù)采集器、供電系統(tǒng)、傳感器組、北斗衛(wèi)星通信模塊和機(jī)械塔架構(gòu)成，如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集器是整個(gè)小氣候監(jiān)測站的數(shù)據(jù)處理和控制核心，由中央處理器、顯示電路、存儲電路、數(shù)據(jù)采集電路等構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集器可根據(jù)用戶需求，采集各個(gè)傳感器輸出的模擬或數(shù)字信號，并通過北斗衛(wèi)星完成數(shù)據(jù)傳送。

數(shù)據(jù)采集器的中央處理器采用ATMEL公司的ATMEGA2560單片機(jī)，該單片機(jī)為8位內(nèi)核，主頻16 MHz，具有可靠性高、功耗低、速度快、價(jià)位低等優(yōu)點(diǎn)。中央處理器完成各個(gè)傳感器原始數(shù)據(jù)的解析、數(shù)據(jù)通信格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲格式轉(zhuǎn)換、傳感器工作狀態(tài)監(jiān)測、衛(wèi)星通信狀態(tài)監(jiān)測和供電狀態(tài)監(jiān)測功能，通過看門狗電路實(shí)現(xiàn)運(yùn)行錯(cuò)誤的自動(dòng)復(fù)位。數(shù)據(jù)顯示電路采用彩色LCD觸摸顯示器，主要用于顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲電路采用8 GB容量的SD存儲卡，用于在本地存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，可人工定期進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝和清除。數(shù)據(jù)采集電路將傳感器組輸出的0～20 mA模擬電流信號和0～5 V模擬電壓信號統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為0～2.5 V模擬電壓信號，經(jīng)放大和濾波，與單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換接口連接。單片機(jī)的IO口采集降雨量傳感器輸出的開關(guān)量信號。單片機(jī)的PWM接口采集風(fēng)速傳感器的輸出信號。

北斗衛(wèi)星通信模塊采用GYT2015C型北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊，如圖3所示，該數(shù)據(jù)傳輸模塊具備北斗短報(bào)文通信、北斗定位和授時(shí)功能，發(fā)射功率10 W，通過RS232接口與中央處理器連接。北斗衛(wèi)星通信模塊安裝在機(jī)械臺架上，為小氣候監(jiān)測站提供北斗衛(wèi)星通信鏈路。系統(tǒng)預(yù)留了GPRS通信模塊接口，可在有手機(jī)信號的林區(qū)使用。

圖3 北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊Fig.3 Beidou data transmission module

傳感器組可實(shí)時(shí)測量林區(qū)小氣候的土壤、大氣、光照和植物參數(shù)，主要傳感器配置和性能如表1所示，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求增減傳感器。

表1 林區(qū)小氣候監(jiān)測站傳感器配置和性能Tab.1 Sensor configuration and performance of forest microclimate monitoring station

供電系統(tǒng)由太陽能市電互補(bǔ)控制器、功率75 W多晶太陽能板和容量12 V、65 A·h的膠體儲能蓄電池構(gòu)成，為小氣候監(jiān)測站提供直流12 V電壓。在有市電輸入的林地可采用220 V供電。儲能蓄電池放在防水地埋箱中，安裝在機(jī)械塔架下深0.5 m的土層中進(jìn)行低溫防護(hù)。

機(jī)械塔架采用不銹鋼材料，由不銹鋼鋼絲繩進(jìn)行防風(fēng)固定，安裝避雷針防護(hù)，底座采用混凝土重塊固定。機(jī)械塔架上端安裝大氣參數(shù)傳感器組、光照參數(shù)傳感器組、北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊和太陽能板。為保證衛(wèi)星通信質(zhì)量，北斗數(shù)據(jù)傳輸模塊的天線中軸偏南傾斜5°～10°安裝。機(jī)械塔架中部安裝不銹鋼防雨箱，內(nèi)部安裝數(shù)據(jù)采集器、太陽能控制器等部件。土壤參數(shù)傳感器組包括多個(gè)土壤濕度和溫度傳感器，可埋設(shè)在不同深度或位置的土壤中，測量森林土壤的溫濕度。植物參數(shù)測量采用無損包裹式立木莖干含水率傳感器和針式立木莖干含水率傳感器，分別測量胸徑10 cm以下和10 cm以上的立木莖干體積含水率，分析莖干內(nèi)蓄水量變化。

圖4為在北京鷲峰國家森林公園的燕兒嶺(海拔440 m)、望京塔(海拔750 m)和蘿芭地(海拔1 000 m)安裝的3套小氣候監(jiān)測站。此地區(qū)由于距離移動(dòng)基站較遠(yuǎn)和飛機(jī)航線經(jīng)過，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的手機(jī)GPRS通信。

圖4 北京鷲峰國家森林公園小氣候監(jiān)測站Fig.4 Forest microclimate monitoring stations in Beijing Jiufeng National Forest Park

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件不間斷運(yùn)行在阿里云服務(wù)器上，基于.NET技術(shù)進(jìn)行整體框架搭建，分為前端表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。圖5為系統(tǒng)軟件的整體架構(gòu)。

圖5 系統(tǒng)軟件框圖Fig.5 Block diagram of software

表現(xiàn)層負(fù)責(zé)系統(tǒng)與多并發(fā)用戶交互；業(yè)務(wù)邏輯層完成監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)邏輯處理等核心業(yè)務(wù)，滿足表現(xiàn)層和監(jiān)測任務(wù)的需求；數(shù)據(jù)訪問層直接操作數(shù)據(jù)庫，完成對各個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)的增添、刪除、修改、更新和查找等功能。

表現(xiàn)層的計(jì)算機(jī)前端網(wǎng)站使用HTML、CSS和Javascript腳本語言設(shè)計(jì)[15]，采用百度公司的可視化圖表庫Echarts.JS實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的圖表、表盤以及動(dòng)態(tài)部件[16]。數(shù)據(jù)監(jiān)聽程序運(yùn)用Winform技術(shù)進(jìn)行頁面搭建，管理人員可監(jiān)測傳感器和北斗衛(wèi)星通信的運(yùn)行狀態(tài)。WEB服務(wù)器程序使用了Microsoft的IIS，通過HTTP(超文本傳輸協(xié)議)與用戶計(jì)算機(jī)瀏覽器進(jìn)行信息交流。

采用Java語言開發(fā)了手機(jī)端的Android應(yīng)用程序，使用HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與云服務(wù)器的數(shù)據(jù)上傳與下載。采用MPAndroidChart開源框架實(shí)現(xiàn)林區(qū)小氣候的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、變化曲線和火險(xiǎn)天氣等級的查詢與顯示。

業(yè)務(wù)邏輯層的森林防火天氣等級預(yù)測程序依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或大數(shù)據(jù)分析模型，確定林區(qū)火險(xiǎn)天氣等級。衛(wèi)星通信服務(wù)程序通過北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信，接收小氣候監(jiān)測站所發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)以及工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)生成程序用于生成監(jiān)測數(shù)據(jù)Excel格式的日報(bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表。監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線程序用于生成小氣候各個(gè)參數(shù)的日變化、月變化和年變化曲線。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成程序?yàn)橛?jì)算機(jī)前端網(wǎng)站的儀表盤控件提供實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)分析服務(wù)程序可擴(kuò)展完成生態(tài)環(huán)境恢復(fù)評價(jià)、精準(zhǔn)灌溉決策和立木生長狀態(tài)監(jiān)測等應(yīng)用功能。后端數(shù)據(jù)采集程序與表現(xiàn)層的數(shù)據(jù)監(jiān)聽程序連接，完成數(shù)據(jù)采集器的參數(shù)設(shè)置、各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)解析、格式轉(zhuǎn)換和錯(cuò)誤與丟失數(shù)據(jù)自動(dòng)處理功能。

數(shù)據(jù)訪問層采用了開放源代碼的MySQL數(shù)據(jù)庫，為平臺所有數(shù)據(jù)提供存儲空間，使用結(jié)構(gòu)化查詢語言SQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理。

系統(tǒng)軟件使用Load Runner進(jìn)行測試，可以承受1 000個(gè)用戶的并發(fā)訪問量，同時(shí)為后續(xù)的應(yīng)用和用戶擴(kuò)展保留了接口，滿足實(shí)時(shí)性、多并發(fā)和可擴(kuò)展等要求。

圖6～8為計(jì)算機(jī)端網(wǎng)站的截圖，圖6中以儀表盤的形式顯示了林區(qū)小氣候溫度、濕度和降雨量等參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。圖7中以曲線的形式顯示了林區(qū)一周的空氣溫度變化。圖8中以報(bào)表的形式顯示了林區(qū)小氣候的各個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)出Excel格式的數(shù)據(jù)報(bào)表。

圖6 林區(qū)小氣候的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.6 Real-time monitoring data of forest microclimate

圖7 林區(qū)小氣候的空氣溫度曲線Fig.7 Air temperature curve of forest microclimate

圖8 林區(qū)小氣候的監(jiān)測數(shù)據(jù)報(bào)表Fig.8 Monitoring data reports of forest microclimate

2 森林火險(xiǎn)天氣等級預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)

森林火險(xiǎn)天氣等級是森林火災(zāi)發(fā)生可能性和蔓延難易程度的一種重要度量指標(biāo)和森林防火管理的重要依據(jù)[17]。借助國家氣象局天氣預(yù)報(bào)宏觀數(shù)據(jù)的預(yù)報(bào)尺度粗略，無法針對不同海拔、植被和小氣候條件下的森林火險(xiǎn)天氣等級進(jìn)行預(yù)測。林區(qū)小氣候監(jiān)測系統(tǒng)可對森林火險(xiǎn)天氣等級所需局部氣象因子進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和計(jì)算，這對森林火險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)的改進(jìn)和正確決策具有重要的作用。

根據(jù)林業(yè)部頒布的《全國森林火險(xiǎn)天氣等級》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，森林火險(xiǎn)天氣等級的評定由森林防火期內(nèi)每日最高空氣溫度A、每日最小相對濕度B、連續(xù)無降水日數(shù)C、每日最大風(fēng)力等級D、物候訂正指數(shù)E等5部分森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)構(gòu)成[17]。由氣象監(jiān)測參數(shù)可確定指數(shù)A、B、C、D，由物候變化的經(jīng)驗(yàn)值或監(jiān)測值可確定指數(shù)E，代入公式

n=A+B+C+D-E

(1)

使用此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算森林火險(xiǎn)天氣等級，根據(jù)階梯區(qū)間打分，差異微小的氣象數(shù)據(jù)會計(jì)算出差距較大的火險(xiǎn)等級，同時(shí)訂正指數(shù)E沒有考慮林地土壤濕度條件。

本系統(tǒng)根據(jù)小氣候監(jiān)測站獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)，采用Logistic回歸函數(shù)對火險(xiǎn)天氣指數(shù)的計(jì)算進(jìn)行平滑處理[18-19]，并引入枯枝落葉層土壤濕度進(jìn)行指數(shù)修正。

2.1 森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)計(jì)算的平滑處理

參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分別以A、B、C、D中各個(gè)階梯區(qū)間打分的中值Xi(i=A,B,C,D)與對應(yīng)的火險(xiǎn)天氣指數(shù)Yi構(gòu)成擬合樣本集。

其中指數(shù)A的擬合樣本集為

{XA,YA}={(2.5, 0), (7.5, 4), (12.5, 8),(17.5, 12), (22.5, 16), (27.5, 20)}

指數(shù)B的擬合樣本集為

{XB,YB}={(75%, 0), (65%, 4),(55%,8),(45%, 12), (35%, 16), (25%, 20)}

指數(shù)C的擬合樣本集為

{XC,YC}={(0.3,10),(0.9,8),(2.0,6),(3.5,4),(5,2),(7.5,0)}

指數(shù)D的擬合樣本集為

{XD,YD}={(0.1,0),(0.9,5),(2.5,10),(6.7,15),(9.4,20),(12.3,25),(15.5,30),(19.0,35),(20.7,40)}

選用Logistic函數(shù)

(2)

對樣本進(jìn)行擬合，其中Ki由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定，分別為：Ki={20，20，10，40}。αi和βi為待求的擬合權(quán)值。由式(2)擬合獲得指數(shù)A、B、C、D的計(jì)算函數(shù)分別為

(3)

(4)

(5)

(6)

式(5)中，t為連續(xù)有降雨的天數(shù)，Y′C最大值為50。式(3)～(6)對指數(shù)A、B、C、D擬合的決定系數(shù)R2分別為0.977 1、0.977 1、0.969 1、0.965 6。

2.2 森林火險(xiǎn)天氣等級計(jì)算

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的物候訂正指數(shù)E只考慮了草雪覆蓋度，林區(qū)枯枝落葉層土壤包含了較多的可燃物，枯枝落葉層的土壤濕度對林火發(fā)生和蔓延具有重要影響[20]。

本系統(tǒng)中，物候訂正指數(shù)E由Y′E1(草雪覆蓋度)和Y′E2(枯枝落葉層土壤濕度指數(shù))兩部分相加構(gòu)成。Y′E1由統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值獲取，在森林防火期內(nèi)Y′E1可簡化提高到15，核心防火期提高到20，防火期外為0?？葜β淙~層從上往下依次由未分解層、半分解層和腐殖質(zhì)層構(gòu)成，土壤濕度傳感器可直接實(shí)時(shí)測量腐殖質(zhì)層的體積含水率，確定Y′E2的大小。

不同樹種下枯枝落葉層土壤含水率差異較大，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的測試，栓皮櫟腐殖質(zhì)層的體積含水率在4.2%～97.6%之間，規(guī)定當(dāng)腐殖質(zhì)層的體積含水率在30%以上，Y′E2設(shè)置為-20，腐殖質(zhì)層的體積含水率在5%以下，Y′E2設(shè)置為0。腐殖質(zhì)層的體積含水率在5%～30%之間時(shí)，Y′E2與腐殖質(zhì)層的體積含水率呈線性關(guān)系，則采用線性擬合獲得指數(shù)Y′E2的計(jì)算函數(shù)為

(7)

根據(jù)小氣候監(jiān)測站獲取的林區(qū)空氣溫度、空氣濕度、降雨量、風(fēng)力和10 cm深度的土壤濕度，依次代入式(3)～(7)，求得Y′i。則修正后的森林火險(xiǎn)天氣等級指數(shù)為

H′=Y′A+Y′B+Y′C+Y′D+Y′E1+Y′E2

(8)

在本系統(tǒng)中，林區(qū)小氣候下森林火險(xiǎn)天氣等級由式(8)確定，對應(yīng)關(guān)系如表2[17]所示。

表2 森林火險(xiǎn)天氣等級表Tab.2 Forest fire weather grade

圖9給出了計(jì)算機(jī)端網(wǎng)站上實(shí)時(shí)顯示的林區(qū)小氣候下的森林火險(xiǎn)天氣等級，以儀表盤的形式每隔10 min更新一次。

圖9 林區(qū)小氣候下的局部森林火險(xiǎn)天氣等級Fig.9 Local forest fire weather grade under forest microclimate

3 林區(qū)小氣候監(jiān)測系統(tǒng)測試與分析

3.1 系統(tǒng)通信信號強(qiáng)度測試

課題組于2016年至2017年在北京鷲峰國家森林公園、張家口崇禮喜鵲嶺、內(nèi)蒙古和林格爾、河南鄢陵龍?jiān)椿居邢薰竞驮颇侠ッ鹘鸺疑?處，對小氣候監(jiān)測站的北斗衛(wèi)星通信信號強(qiáng)度進(jìn)行測試。測試過程中，每條測試數(shù)據(jù)包含75個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)和1個(gè)字節(jié)的北斗信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)(1～5級)，小氣候監(jiān)測站每隔1 min分60次通過北斗衛(wèi)星將測試數(shù)據(jù)發(fā)送至云服務(wù)器，并將測試數(shù)據(jù)保存到本地SD卡中。

通過比對小氣候監(jiān)測站中SD卡保存數(shù)據(jù)與云服務(wù)器接收數(shù)據(jù)的一致性，達(dá)到驗(yàn)證系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信可行性的目的，表3給出了在不同緯度地區(qū)北斗衛(wèi)星通信的平均信號強(qiáng)度、數(shù)據(jù)正確收發(fā)條數(shù)和通信成功率。

表3 北斗衛(wèi)星林區(qū)信號強(qiáng)度測試與通信成功率統(tǒng)計(jì)Tab.3 Signal strength test and success ratio of Beidou satellite communication in forest

由表3可以看出，北斗衛(wèi)星在內(nèi)蒙古和林格爾以南的我國中低緯度地區(qū)具有較好通信質(zhì)量，北斗衛(wèi)星信號強(qiáng)度平均值在3級以上，測試數(shù)據(jù)通信成功率穩(wěn)定在100%。為防止數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤問題，小氣候監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了累加和校驗(yàn)與重發(fā)機(jī)制，通過對比小氣候監(jiān)測站本地與云服務(wù)器數(shù)據(jù)，如有數(shù)據(jù)通信錯(cuò)誤和丟失，以應(yīng)答的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)重發(fā)，保證數(shù)據(jù)通信可靠性。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，選取北京鷲峰國家森林公園布設(shè)的3個(gè)小氣候監(jiān)測站從 2017年3月1日至2017年5月31日連續(xù)92 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該站點(diǎn)位于海拔440 m的燕兒嶺森林防火檢查站、海拔750 m的望京塔防火瞭望點(diǎn)和海拔1 000 m的蘿芭地防火瞭望點(diǎn)，配置了大氣類(空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳濃度、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向)、光照類(日照時(shí)數(shù)、總輻射、光照強(qiáng)度)和土壤類(2層土壤濕度、2層土壤溫度)共13個(gè)11種傳感器，對林區(qū)小氣候進(jìn)行組網(wǎng)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行北斗數(shù)據(jù)傳輸，每幀長度為72個(gè)字節(jié)。

表4給出了林區(qū)小氣候監(jiān)測站數(shù)據(jù)通信效果，在92 d中3個(gè)小氣候監(jiān)測站采集了13 247幀林區(qū)小氣候數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，云服務(wù)器中分別正確接收到燕兒嶺、望京塔和蘿芭地的小氣候數(shù)據(jù)13 058、13 172、13 194幀，正確率為98.57%、99.43%和99.59%，未出現(xiàn)連續(xù)超過30 min的數(shù)據(jù)丟失或錯(cuò)誤。在海拔較高和較少山體遮擋的區(qū)域，數(shù)據(jù)傳輸正確率較高，滿足林區(qū)小氣候監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的要求。

表4 林區(qū)小氣候監(jiān)測站數(shù)據(jù)通信效果Tab.4 Communication result of forest microclimate station

3.3 森林火險(xiǎn)天氣等級預(yù)報(bào)功能分析

在云服務(wù)器上下載海拔440 m的燕兒嶺森林防火檢查站從2017年3月1日至2017年5月31日連續(xù)92 d的數(shù)據(jù)報(bào)表，其中與林區(qū)防火相關(guān)的風(fēng)速、空氣濕度、空氣溫度、10 cm和40 cm深度土壤濕度、降雨量的變化曲線如圖10～14所示。

圖10 風(fēng)速變化曲線Fig.10 Changing curve of wind speed

圖11 空氣濕度變化曲線Fig.11 Changing curve of air humidity

圖12 空氣溫度變化曲線Fig.12 Changing curve of air temperature

圖13 10 cm和40 cm深度土壤濕度變化曲線Fig.13 Changing curves of soil water content in 10 cm and 40 cm depths

圖14 降雨量變化曲線Fig.14 Changing curve of rainfall

由圖14可以看出，在3月20日、3月23日和3月24日出現(xiàn)了連續(xù)降雨，圖13中10 cm和40 cm深度土壤濕度滯后出現(xiàn)快速上升，森林防火指數(shù)下降，降雨停止后土壤濕度緩慢下降。當(dāng)5月22日出現(xiàn)了短時(shí)中雨級別的降雨，10 cm深度土壤濕度上升，防火指數(shù)下降，40 cm處的土壤濕度，因傳感器較深，受到5月22日短時(shí)降雨的影響較小，維持不變。在4月19日和5月30日，因?yàn)橛炅枯^少，10 cm和40 cm深度的土壤濕度均保持不變。

在北京地區(qū)，每年11月1日至次年5月31日為森林防火期。其中，每年1月1日至4月15日為森林高火險(xiǎn)期，防火等級提升。由系統(tǒng)計(jì)算獲得的2017年3月1日至2017年5月31日燕兒嶺地區(qū)森林防火天氣等級如圖15所示。

圖15 燕兒嶺森林火險(xiǎn)天氣等級變化曲線Fig.15 Changing curve of forest fire weather grade in Yanerling

對比圖15中燕兒嶺的森林火險(xiǎn)天氣等級與圖14降雨量變化可知，在整個(gè)防火期，森林火險(xiǎn)天氣等級在無降雨時(shí)處于四級和五級，林火燃燒和蔓延的危險(xiǎn)程度較高。在4月19日、5月22日和5月30日發(fā)生短時(shí)降雨時(shí)，森林火險(xiǎn)天氣等級下降為二級。在3月20日、3月23日和3月24日連續(xù)降雨時(shí)，森林火險(xiǎn)天氣等級下降為一級和二級，林火燃燒和蔓延的危險(xiǎn)程度較低，對該區(qū)域的森林火險(xiǎn)天氣等級進(jìn)行了有效預(yù)報(bào)。

3.4 運(yùn)行費(fèi)用分析

林區(qū)小氣候監(jiān)測站每隔10 min傳輸72個(gè)字節(jié)的短報(bào)文通信包，每月平均傳輸不少于311 040字節(jié)的數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選用了北斗三級民用短報(bào)文通信卡，1 800元可終身長期使用，每分鐘最多傳輸76個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通信費(fèi)用低于銥星公司每月高于3 000元的SBD通信業(yè)務(wù)，同時(shí)也保證了無GPRS手機(jī)信號林區(qū)的數(shù)據(jù)通信。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信的林區(qū)小氣候監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大氣、土壤、光照和植物等參量的實(shí)時(shí)監(jiān)測、云存儲、動(dòng)態(tài)查詢、報(bào)表生成和大數(shù)據(jù)分析等功能。系統(tǒng)采用Logistic回歸函數(shù)，解決了森林火險(xiǎn)天氣指數(shù)區(qū)間量化打分的階躍問題，并補(bǔ)充引入枯枝落葉層土壤濕度因子，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化森林火險(xiǎn)天氣等級預(yù)報(bào)功能。系統(tǒng)在北京鷲峰國家森林公園連續(xù)3個(gè)月的測試實(shí)驗(yàn)中，穩(wěn)定可靠地獲取林區(qū)11種小氣候數(shù)據(jù)，傳輸正確率在98.57%以上。系統(tǒng)已在北京、內(nèi)蒙古、河北和河南等地推廣應(yīng)用，可為偏遠(yuǎn)、無手機(jī)信號地區(qū)的農(nóng)林業(yè)生態(tài)大數(shù)據(jù)監(jiān)測、生態(tài)恢復(fù)評價(jià)、氣象災(zāi)害監(jiān)測和精準(zhǔn)灌溉等提供服務(wù)。

1 李世東, 鄒亞萍, 李明國. 中國林業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 2016.

2 趙鳳君, 舒立福. 林火氣象與預(yù)測預(yù)警[M]. 北京: 中國林業(yè)出版社, 2014.

3 郭海峰, 禹偉. 湖南省森林火險(xiǎn)天氣等級預(yù)測模型研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 36(12):44-47.

GUO Haifeng, YU Wei. Study weather grade prediction model of forest-fire risk in Hunan Province [J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2016, 36(12):44-47. (in Chinese)

4 鄧剛. 氣象因子的變化對黑龍江省森林病蟲害影響的研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué), 2012.

DENG Gang. Effect of meteorological factors on forest diseases and insect pests in Heilongjiang Province [D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2012. (in Chinese)

5 孫家抦. 遙感原理與應(yīng)用[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2013.

6 覃先林, 朱曦, 楊飛,等. 天宮一號高光譜數(shù)據(jù)探測火情狀態(tài)敏感譜段分析[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2013, 33(7):1908-1911.

QIN Xianlin, ZHU Xi, YANG Fei, et al. Analysis of sensitive spectral bands for burning status detection using hyper-spectral images of tiangong-01 [J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2013, 33(7):1908-1911. (in Chinese)

7 BAGHDAD N, ZRIBI M. Land surface remote sensing in agriculture and forest [M]. London: ISTE Press-Elsevier, 2016.

8 丁訪軍. 森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建[D]. 北京: 中國林業(yè)科學(xué)研究院, 2011.

DING Fangjun. Construction of standard system for localization of forest ecosystem [D]. Beijing: Chinese Academy of Forestry, 2011. (in Chinese)

9 劉衛(wèi)平, 高志濤, 劉圣波,等. 基于銥星通信技術(shù)的土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015, 46(11):316-322. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20151143&flag=1. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.11.043.

LIU Weiping, GAO Zhitao, LIU Shengbo, et al. Remote monitoring network for soil moisture based on Iridium communication technology [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(11):316-322. (in Chinese)

10 趙燕東, 黃歡, 顏小飛,等. 基于銥星通信技術(shù)的地面森林管護(hù)系統(tǒng)研究[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016, 47(1):324-330. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160144&flag=1. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.044.

ZHAO Yandong, HUANG Huan, YAN Xiaofei, et al. Design of forest management and protection system based on Iridium communication technology [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1):324-330. (in Chinese)

11 United States Department of Agriculture. Smart Forests for the 21st Century[EB/OL]. https:∥smartforests.org/.

12 國務(wù)院新聞辦公室. 中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[M]. 北京: 人民出版社, 2016.

13 隋銘明, 沈飛, 徐愛國, 等. 基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航的秸稈機(jī)械化還田作業(yè)管理系統(tǒng)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016, 47(1):23-28. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160104&journal_id=jcsam. DOI: 10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.004.

SUI Mingming, SHEN Fei, XU Aiguo, et al. Management system for mechanized straw returning based on BDS [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1):23-28. (in Chinese)

14 陳海生, 郭曉云, 王峰,等. 基于北斗短報(bào)文的漁獲信息壓縮傳輸方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2015, 31(22):155-160.

CHEN Haisheng, GUO Xiaoyun, WANG Feng, et al. Fishery harvesting information compressing and transmitting method based on Beidou short message [J]. Transactions of the CSAE, 2015, 31(22):155-160. (in Chinese)

15 聶常紅. Web前端開發(fā)技術(shù):HTML、CSS、JavaScript[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2016.

16 劉茜. 林分環(huán)境因子監(jiān)測數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研建[D]. 北京:北京林業(yè)大學(xué), 2016.

LIU Xi. Establishment of forest environment factor monitoring data management system [D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2016. (in Chinese)

17 國家林業(yè)局. LY/T 1172—95 全國森林火險(xiǎn)天氣等級[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

18 張偉, 王峰, 郭艷芬, 等. 基于Logistic回歸的森林火險(xiǎn)天氣等級模型[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 41(12):121-122.

ZHANG Wei, WANG Feng, GUO Yanfen, et al. Weather model level of forest fire danger based on logistic regression [J]. Journal of Northeast Forestry University, 2013, 41(12):121-122. (in Chinese)

19 趙璠, 周汝良, 王艷霞,等. 連續(xù)化森林火險(xiǎn)天氣等級預(yù)報(bào)模型的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備, 2015(2):37-40.

ZHAO Fan, ZHOU Ruliang, WANG Yanxia, et al. Research and implementation of continuous forest fire danger weather rating forecast model [J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment, 2015(2):37-40. (in Chinese)

20 秦富倉. 林火原理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.