松材線蟲病死松樹云服務管理的探究

　　摘要：在分析云平臺技術(shù)特點和研究現(xiàn)狀基礎上，從松材線蟲病監(jiān)管角度開展了需求分析，給出了相應的技術(shù)途徑;研建了由云服務端(內(nèi)業(yè))和移動端(外業(yè))兩部分構(gòu)成的病死松樹管理系統(tǒng)，為病死松樹的外業(yè)精準信息采集和內(nèi)業(yè)規(guī)范化建庫提供了整體解決方案;詳細闡述了系統(tǒng)功能和具體的工作流程。通過對松材線蟲病死松樹云服務管理的探究，以期為我國松材線蟲病的預測預報提供技術(shù)支撐，為下一步大數(shù)據(jù)的分析奠定科學基礎。

　　關(guān)鍵詞：松材線蟲病,云平臺,野外調(diào)查,數(shù)據(jù)庫,大數(shù)據(jù)

　　0引言

　　松材線蟲病是全球森林生態(tài)系統(tǒng)中最具危險性、毀滅性的病害，具有極強的擴散性和破壞性，是造成我國林業(yè)損失最大的有害生物。疫區(qū)已經(jīng)由2016年的15個省(區(qū))中的212個區(qū)(縣)快速增至2018年的18個省(區(qū))中589個縣級行政區(qū)[1-4]，呈暴發(fā)式發(fā)生態(tài)勢，防治形勢十分嚴峻。因此必須從維護國土生態(tài)安全、推進生態(tài)文明建設的戰(zhàn)略高度，采取扎實有效的措施，堅決遏制松材線蟲病快速擴展蔓延勢頭。

　　國家林業(yè)和草原局2018年10月提出了強化“防”、“管”、“除”、“問”、“研”的工作思路[5]，其中現(xiàn)階段尤其要把“防”、“管”、“除”落實到位，才能為“問”、“研”提供技術(shù)保障。重慶市就要求建立病死松樹年度臺賬，形成文字、數(shù)據(jù)、圖像等小班記錄檔案[6]，全程跟蹤監(jiān)督疫木去向，從源頭上嚴防松材線蟲病的傳播，同時也可為科學研究積累寶貴數(shù)據(jù)，推動松材線蟲病預測預報技術(shù)方法的研究。大數(shù)據(jù)作為當下最火熱的詞匯，不僅在IT行業(yè)，而且在其他行業(yè)也受到熱捧。隨著大數(shù)據(jù)時代的來臨，大數(shù)據(jù)分析也應運而生。大數(shù)據(jù)具有數(shù)量大、類型多等特點[7]，較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)而言，其關(guān)鍵是實現(xiàn)共享、融合和分析。只有通過機器學習、人工智能等手段和方法生成信息，才能實現(xiàn)變“廢”為寶。

　　林業(yè)有害生物或者松材線蟲病的預測預報分析是非常個性化的應用領域，相信現(xiàn)代的智能分析技術(shù)可以解決松材線蟲病準實時監(jiān)測和預警等棘手問題，但必須收集、采集大量的科學數(shù)據(jù)，借助具備大規(guī)模、虛擬化、高可靠性、通用性、高可擴展性、按需服務、廉價等特點的云服務平臺，才能實現(xiàn)商業(yè)化的并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算[8]，最終為政府決策和管理提供解決方案。隨著我國林業(yè)信息化、智能化和精細化發(fā)展進程的加快，對林業(yè)有害生物領域產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行實時采集、傳輸、管理和挖掘處理[9]，以便更好地為生物災害管理和生態(tài)環(huán)境建設服務，已經(jīng)成為促進林業(yè)產(chǎn)業(yè)升級的一個重要方向。

　　2017年在國家林業(yè)局印發(fā)的《關(guān)于促進中國林業(yè)云發(fā)展的指導意見》中，已經(jīng)明確中國林業(yè)云應用服務平臺建設是其重點任務之一，災害監(jiān)控和應急管理又將是該平臺的重要服務內(nèi)容[10]。因此本文探究松材線蟲病死松樹的宏觀管理技術(shù)，此技術(shù)涉及到數(shù)據(jù)采集、建庫和共享等內(nèi)容。通過本文的探究，以期為下一步大數(shù)據(jù)的分析奠定科學基礎。

　　1云管理平臺應用發(fā)展現(xiàn)狀

　　1)云管理平臺軟件的優(yōu)勢。

　　云管理平臺軟件是云計算時代為大型用戶提供的應用運行時的平臺軟件，幫助用戶對IT系統(tǒng)進行統(tǒng)一綜合管理，實現(xiàn)硬件資源的彈性共享。云管理平臺軟件就是為解決海量機器環(huán)境下出現(xiàn)的部署、管理、監(jiān)控、共享等現(xiàn)實問題而研發(fā)，面向應用軟件管理，目的在于協(xié)助用戶實現(xiàn)智能化運維，全面及時掌握應用系統(tǒng)的狀態(tài)，從而節(jié)省硬件資源、降低能耗。傳統(tǒng)的應用系統(tǒng)，一方面，由于多半采用第三方開發(fā)，客戶往往不能完全掌握這些應用系統(tǒng)，從而不能有效預防并解決系統(tǒng)問題;另一方面，客戶往往會在不同時間使用不同的標準建設各方面的多個應用系統(tǒng)(或平臺)，各系統(tǒng)之間互不兼容，容易形成“信息孤島”，加大了系統(tǒng)運維難度。

　　此外，由于各應用系統(tǒng)的峰值通常并非同時出現(xiàn)，有些硬件無法滿足相應應用系統(tǒng)處理要求的同時卻伴隨著其他硬件閑置，造成了嚴重的硬件資源浪費。而云管理平臺軟件涵蓋了業(yè)務應用所有運行生命周期內(nèi)的各個環(huán)節(jié)，提供一站式、管家式的服務，不僅可降低應用管理的復雜程度以及大型應用系統(tǒng)的運行成本和風險，還能密切結(jié)合應用服務器，實現(xiàn)多層復雜應用的彈性伸縮[11]。

　　2)林業(yè)資源監(jiān)管業(yè)務云平臺應用研究現(xiàn)狀。

　　早在2009年，JiangShaocan等[12]就提出了國家應該建立森林病蟲害管理私有云平臺的設想;劉亞秋等[13]2011年又提出了智慧林業(yè)云計算平臺的幾個關(guān)鍵技術(shù)，即海量數(shù)據(jù)自動存儲管理、海量數(shù)據(jù)挖掘與建模分析、大規(guī)模消息通信、資源調(diào)度機制和云計算體系結(jié)構(gòu)等，并就海量數(shù)據(jù)存儲、遙感數(shù)據(jù)挖掘和通過可靠的調(diào)度策略為智慧決策服務這3個智慧林業(yè)典型應用進行了探討;劉永杰等[14]提出了由云服務平臺和應用平臺組成的國家林地年度平臺建設思路，其中應用平臺根據(jù)不同應用模式分為移動端、桌面端和WEB端應用，這3種模式間平等獨立、協(xié)同工作、多段融合，可全方位滿足林地更新工作的需要。

　　黃蘭秋等[15]認為基于云計算構(gòu)建林業(yè)信息服務平臺，具有綠色生態(tài)、高效性、個性化、移動泛在化和安全性等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)聯(lián)機信息咨詢、林業(yè)信息化建設、科學宏觀決策、森林資源監(jiān)測、營林規(guī)劃設計、按需服務、集成檢索等服務模式;孫廣婷等[16]對林業(yè)大數(shù)據(jù)通過在Spark框架下的Apriori并行化算法處理后，評估了物種之間的相互依賴關(guān)系，認為挖掘統(tǒng)計出了寄主樹種與病蟲害發(fā)生的相關(guān)性，并能可視化處理和展示數(shù)據(jù)，便于分析和理解，通過關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)支持度可以預測可能發(fā)生的病蟲害，可極大提高防治效率。

　　2松材線蟲病監(jiān)管需求分析

　　根據(jù)《松材線蟲病普查監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》(GB/T23478-2009)[17]、《松材線蟲病檢疫技術(shù)規(guī)程》(GB/T23476-2009)[18]、《松材線蟲病疫區(qū)和疫木管理辦法》[19]和《全國檢疫性林業(yè)有害生物管理辦法》[20]等的規(guī)定，從國家、省、地、縣等多層級管理職能來看，主要可總結(jié)為以下技術(shù)需求：1)監(jiān)測要求。監(jiān)測對象為單株病死松樹，絕對定位精度需優(yōu)于5m;監(jiān)測時間為每年的4—5月份和9—10月份，必須在此窗口期采集數(shù)據(jù)、寄主癥狀，可以用圖片記錄病死樹的狀態(tài)。2)管理要求。松材線蟲病疫木實施全過程監(jiān)管，即普查、取樣、鑒定、除治等所有環(huán)節(jié)都需跟蹤，故所有現(xiàn)場取證必不可少。

　　3)研究要求。雖然控制甚至消滅松材線蟲病危害是森防工作者的終極目標，但松材線蟲病經(jīng)過幾十年的適應，現(xiàn)在已經(jīng)在我國多種氣候帶上的多種松屬植物上被發(fā)現(xiàn)。當務之急是全面分析自然和人為傳播的規(guī)律，并切實采取預防和治理兩手都要硬的措施，才可能遏制其蔓延，避免生態(tài)災難的出現(xiàn)。如此廣域的分布，需要海量的數(shù)據(jù)，且這些數(shù)據(jù)需要滿足科學性、系統(tǒng)性、邏輯性、真實性等，否則預測預報和預警等研究無從談起。

　　3松材線蟲病死松樹管理系統(tǒng)技術(shù)思路和解決方法

　　1)外業(yè)數(shù)據(jù)的采集設備。

　　現(xiàn)在滿足定位化、精細化、準實時化、圖像化數(shù)據(jù)采集要求的移動終端設備較多，技術(shù)指標差異主要體現(xiàn)在定位精度和圖像分辨率等方面。考慮到5m的絕對定位精度要求以及監(jiān)測窗口期山高林密的現(xiàn)實，必須選擇具有專業(yè)天線甚至外接天線接口(即SMA或MCX有源天線接口)的設備，尤其要具備接收北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)的能力。

　　2)自動精準采集時間和位置數(shù)據(jù)。全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)具有定位和授時功能，位置和時間數(shù)據(jù)必須基于NEMA格式的�唱矴GA語句生成(或操作系統(tǒng)提供的GNSS接口數(shù)據(jù))，而不可采用一般商用機器的AGNSS接口數(shù)據(jù)。即在定義好表單后，保存圖片時必須實現(xiàn)位置和時間信息的精準自動讀取，這樣才能確保數(shù)據(jù)的客觀性和真實性;即后臺軟件嚴格控制了數(shù)據(jù)的讀取方式和條件，徹底解決瞞報和不報的漏洞。

　　3)時序信息采集。圖像采集在當下已經(jīng)沒有任何技術(shù)難題，連續(xù)跟蹤數(shù)據(jù)采集技術(shù)早已成熟，借助軟件功能可實現(xiàn)規(guī)范化和時序化數(shù)據(jù)采集、存儲與傳輸，可為大數(shù)據(jù)的分析、利用、共享創(chuàng)造基礎保障條件。

　　4松材線蟲病死松樹管理系統(tǒng)設計與功能

　　基于參考文獻[21]以及后續(xù)的技術(shù)積累，本系統(tǒng)為病死松樹的外業(yè)精準信息采集和內(nèi)業(yè)規(guī)范化建庫提供一套整體解決方案，主要由云服務端(內(nèi)業(yè))和移動端(外業(yè))兩部分構(gòu)成。移動端軟件安裝在具備導航衛(wèi)星定位模塊(北斗/GPS等多模)的移動終端上，護林員在外業(yè)調(diào)查和核查時，可以對病死松樹編號、拍照等快速記錄，同時記錄調(diào)查時的位置和時間信息，并可將數(shù)據(jù)實時或隨后上傳云平臺數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)病死松樹信息的精準采集。

　　除了采集上述的基礎信息外，還按外業(yè)的踏查、詳查、取樣以及除治4類專題目標，分別對應移動端的巡查、核查、疫木檢測以及疫木除治4個子系統(tǒng)。服務端部署在云服務器上，負責存儲與匯總調(diào)查數(shù)據(jù)等內(nèi)業(yè)管理工作。它能根據(jù)任務定制相應格式的外業(yè)調(diào)查表格，對調(diào)查任務進行監(jiān)督和檢查，將合格的數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計，并導出為標準報表格式，實現(xiàn)內(nèi)業(yè)報表的規(guī)范化管理。踏查、詳查、取樣以及除治等4類信息被統(tǒng)一存儲在疫木數(shù)據(jù)庫中，并分為對應的4張數(shù)據(jù)表進行管理。

　　4.1系統(tǒng)設計原則

　　從工作效率上考慮，除了外業(yè)數(shù)據(jù)采集必備的功能部署在移動終端外，其它非外業(yè)的信息維護、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和管理功能都在內(nèi)業(yè)系統(tǒng)中實現(xiàn)。系統(tǒng)采集功能應具有便捷的特點，需遵循下述原則：1)與外業(yè)調(diào)查無關(guān)的功能盡可能不在移動終端上部署;2)能從配置文件得到的數(shù)據(jù)，應該由系統(tǒng)自動填寫而不是讓調(diào)查者手工填寫;3)填寫調(diào)查表格時，能夠用選擇方式填寫的數(shù)據(jù)，不要手工輸入。

　　4)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)要按記錄/字段實時地存儲在移動終端上，以保證填寫數(shù)據(jù)不丟失;5)保存后的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)可以按每條記錄實時通過無線網(wǎng)絡傳回云端，也可在室內(nèi)批量化地通過無線/有線連接傳輸?shù)絻?nèi)業(yè)系統(tǒng);6)外業(yè)調(diào)查表格的制作應該簡單方便，無需編程，而且支持多種數(shù)據(jù)類型;7)在有監(jiān)測區(qū)域地圖或影像數(shù)據(jù)的情況下，可提供空間可視化和地圖導航功能。

　　4.2系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為3層，即數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層和交互界面層。底層是數(shù)據(jù)層，負責與各種底層數(shù)據(jù)庫的IO操作;中間是業(yè)務邏輯層，主要抽象出空間數(shù)據(jù)模型和屬性數(shù)據(jù)模型，并結(jié)合業(yè)務邏輯，封裝為地圖對象和業(yè)務表單對象;最上層是交互界面層，主要是各種視圖和對話框?qū)ο�，用于人機交互。數(shù)據(jù)層部署在云服務端，交互界面部署在移動終端，業(yè)務邏輯層根據(jù)實際情況可部署在任何一端。一般情況下，選擇輕量級客戶端時，業(yè)務邏輯層都部署在云端。

　　部署時可以與表單模塊分開部署。系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)庫主要有3種，即林業(yè)基礎信息庫、松材線蟲病疫木信息庫及輔助信息庫。林業(yè)基礎信息庫主要包括管理區(qū)劃數(shù)據(jù)、森林資源小班數(shù)據(jù)、遙感影像等;松材線蟲病疫木信息庫主要包括調(diào)查過程中所記錄的疫木調(diào)查表格、位置、照片、時間等數(shù)據(jù)，此外還有監(jiān)測業(yè)務運行過程中所制定的其他松材線蟲病調(diào)查表格、調(diào)查人員信息等數(shù)據(jù);輔助信息庫主要包括松材線蟲病等級劃分標準基礎信息。

　　4.3系統(tǒng)功能

　　4.3.1移動端功能

　　1)表單下載：可以實時從云端接收管理者定制的調(diào)查任務表單，下載到本地作為外業(yè)調(diào)查的基礎表格。2)調(diào)查數(shù)據(jù)記錄填寫：能夠利用電子表格對調(diào)查過程中的數(shù)據(jù)進行記錄，并實時保存到本地文件。3)照片信息采集：能夠通過移動終端內(nèi)置的攝像頭來采集病死松木的實況照片。

　　4)當前位置、時間信息采集：能夠通過移動終端內(nèi)置的北斗/GPS/GLONASS定位模塊，自動采集當前的位置和時間信息。5)調(diào)查數(shù)據(jù)記錄修改/刪除：對于已經(jīng)調(diào)查過、但未上傳到云端的數(shù)據(jù)記錄，系統(tǒng)可以直接修改編輯/刪除。6)數(shù)據(jù)上傳：用戶可以通過網(wǎng)絡，實時或隨后將已保存的調(diào)查數(shù)據(jù)上傳到云服務器。7)查看已上傳記錄：可以查看本移動終端上傳到云服務器上的調(diào)查記錄。

　　8)GIS功能：本功能為核查子系統(tǒng)可選模塊。a.地圖可視化：能夠加載并顯示柵格或矢量數(shù)據(jù)，并提供放大、縮小、漫游、復位等的瀏覽操作。b.圖層管理：包括圖層的添加、刪除、顯隱和標注設置等功能。c.導航定位：在地圖上顯示調(diào)查者當前所在的具體位置和GPS/北斗坐標，并通過周圍環(huán)境及地圖上的標注信息，可以進行調(diào)查路線的導航。

　　以上8項基本采集功能可用于外業(yè)調(diào)查，記錄松材線蟲病普查所需要的基本信息，還可針對松材線蟲病監(jiān)測和管理的詳查、取樣以及除治業(yè)務，定制相應的表單。如：詳查表單記錄了疫情發(fā)生地點(帶地理坐標)、寄主種類、發(fā)生面積(從小班數(shù)據(jù)讀取)、病死松樹數(shù)量、林分狀況，以及傳入途徑和方式等情況，并對病死松樹進行精準定位;取樣表單記錄了樣品號、取樣地點(帶地理坐標)、樹種、樹齡、取樣部位、取樣時間和取樣人等信息;除治表單記錄了疫木處理的方式(粉碎(削片)、燒毀、鋼絲網(wǎng)罩)、除治時間、處理過程錄像等信息。

　　4.3.2云服務端功能

　　云服務端包括調(diào)查表單定制和維護、監(jiān)督檢查、空間數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)瀏覽導出等功能。1)外業(yè)調(diào)查表格設計：管理者可以定制用于外業(yè)調(diào)查的記錄表格，具備可視化設計方式，無需編程實現(xiàn)。2)監(jiān)督檢查：管理者可以對調(diào)查人員上傳的病死松樹數(shù)據(jù)進行檢查，并將調(diào)查數(shù)據(jù)在web地圖上顯示與定位以進行監(jiān)督。3)數(shù)據(jù)入庫：管理者可以將審核通過的外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)存儲到相應的數(shù)據(jù)庫中進行保存，包括位置、時間、照片等信息。

　　4)數(shù)據(jù)匯總?cè)霂欤汗芾碚呖梢詫λ刹木�蟲病發(fā)生情況按照國家標準進行統(tǒng)計匯總，并再存儲到相應的數(shù)據(jù)庫中。5)數(shù)據(jù)瀏覽導出：系統(tǒng)中的調(diào)查記錄、統(tǒng)計匯總數(shù)據(jù)可以導出成excel，csv，等文本格式，用于進一步的研究分析。6)空間數(shù)據(jù)瀏覽：可選WebGIS功能。管理者通過瀏覽器即可瀏覽與查看監(jiān)測區(qū)域遙感影像、林業(yè)資源信息等空間數(shù)據(jù)。5系統(tǒng)工作流程及其應用智能移動終端是外業(yè)調(diào)查的基本設備。借助內(nèi)置定位模塊進行空間定位;利用內(nèi)置攝像頭采集實況照片數(shù)據(jù)，可視化界面進行數(shù)據(jù)記錄;通過網(wǎng)絡與服務器連接，調(diào)查結(jié)果即能直接進入數(shù)據(jù)庫;可有效地規(guī)范調(diào)查人員采集數(shù)據(jù)的過程，提高準確性和客觀性。

　　6結(jié)論與討論

　　松材線蟲病具有發(fā)病速度快、癥狀類型多、防治困難、傳播蔓延迅速等特點，被稱為“松樹癌癥”，已對我國松林造成極大危害。其短距離擴散主要靠媒介昆蟲，而遠距離傳播主要是人為運輸感病木材及其制品所致。目前的主要防治措施：一是進行及時有效監(jiān)測;二是對病木實施除害處理，杜絕疫木無序流動;三是控制傳播天牛，降低蟲口密度[22]。

　　當然，從長遠角度來看，更換樹種，改變純松林的樹種結(jié)構(gòu)，提高生態(tài)系統(tǒng)整體抗性，是最根本的解決方法。因此，加強對感病松樹的監(jiān)測和除治手段監(jiān)管對于遏制災害擴散至關(guān)重要，應充分利用現(xiàn)有技術(shù)手段，對病死松樹實施嚴格監(jiān)測和監(jiān)管，并形成威懾力，才能徹底扭轉(zhuǎn)現(xiàn)階段的被動局面。

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　　林木病蟲害會給森林資源造成嚴重的破壞，影響生態(tài)環(huán)境的建設。林木病蟲害不但影響樹木的質(zhì)量和產(chǎn)量，也會使林業(yè)產(chǎn)生較大的經(jīng)濟損失。想要實現(xiàn)對林木病蟲害的有效控制，則需要對不同地區(qū)的病蟲害發(fā)生情況進行詳細的了解，要做好實時的檢測工作，并結(jié)合實際情況采取有效的防治措施，才能避免病蟲害的發(fā)生。但是在目前的林木病蟲害檢測和防治工作中，還存在著一定的不足，需要進行優(yōu)化和完善，以此提升森林病蟲害的防治效果，促進林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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