松材線蟲病死松樹云服務管理的探究

　　摘要：在分析云平臺技術特點和研究現狀基礎上，從松材線蟲病監管角度開展了需求分析，給出了相應的技術途徑;研建了由云服務端(內業)和移動端(外業)兩部分構成的病死松樹管理系統，為病死松樹的外業精準信息采集和內業規范化建庫提供了整體解決方案;詳細闡述了系統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支撐，為下一步大數據的分析奠定科學基礎。

　　關鍵詞：松材線蟲病,云平臺,野外調查,數據庫,大數據

　　0引言

　　松材線蟲病是全球森林生態系統中最具危險性、毀滅性的病害，具有極強的擴散性和破壞性，是造成我國林業損失最大的有害生物。疫區已經由2016年的15個省(區)中的212個區(縣)快速增至2018年的18個省(區)中589個縣級行政區[1-4]，呈暴發式發生態勢，防治形勢十分嚴峻。因此必須從維護國土生態安全、推進生態文明建設的戰略高度，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]，其中現階段尤其要把“防”、“管”、“除”落實到位，才能為“問”、“研”提供技術保障。重慶市就要求建立病死松樹年度臺賬，形成文字、數據、圖像等小班記錄檔案[6]，全程跟蹤監督疫木去向，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據，推動松材線蟲病預測預報技術方法的研究。大數據作為當下最火熱的詞匯，不僅在IT行業，而且在其他行業也受到熱捧。隨著大數據時代的來臨，大數據分析也應運而生。大數據具有數量大、類型多等特點[7]，較傳統數據而言，其關鍵是實現共享、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，才能實現變“廢”為寶。

　　林業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，相信現代的智能分析技術可以解決松材線蟲病準實時監測和預警等棘手問題，但必須收集、采集大量的科學數據，借助具備大規模、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，才能實現商業化的并行計算、分布式計算和網格計算[8]，最終為政府決策和管理提供解決方案。隨著我國林業信息化、智能化和精細化發展進程的加快，對林業有害生物領域產生的海量數據進行實時采集、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環境建設服務，已經成為促進林業產業升級的一個重要方向。

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

　　1云管理平臺應用發展現狀

　　1)云管理平臺軟件的優勢。

　　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系統進行統一綜合管理，實現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境下出現的部署、管理、監控、共享等現實問題而研發，面向應用軟件管理，目的在于協助用戶實現智能化運維，全面及時掌握應用系統的狀態，從而節省硬件資源、降低能耗。傳統的應用系統，一方面，由于多半采用第三方開發，客戶往往不能完全掌握這些應用系統，從而不能有效預防并解決系統問題;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(或平臺)，各系統之間互不兼容，容易形成“信息孤島”，加大了系統運維難度。

　　此外，由于各應用系統的峰值通常并非同時出現，有些硬件無法滿足相應應用系統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務應用所有運行生命周期內的各個環節，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的運行成本和風險，還能密切結合應用服務器，實現多層復雜應用的彈性伸縮[11]。

　　2)林業資源監管業務云平臺應用研究現狀。

　　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云計算平臺的幾個關鍵技術，即海量數據自動存儲管理、海量數據挖掘與建模分析、大規模消息通信、資源調度機制和云計算體系結構等，并就海量數據存儲、遙感數據挖掘和通過可靠的調度策略為智慧決策服務這3個智慧林業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]認為基于云計算構建林業信息服務平臺，具有綠色生態、高效性、個性化、移動泛在化和安全性等優勢，可以實現聯機信息咨詢、林業信息化建設、科學宏觀決策、森林資源監測、營林規劃設計、按需服務、集成檢索等服務模式;孫廣婷等[16]對林業大數據通過在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系，認為挖掘統計出了寄主樹種與病蟲害發生的相關性，并能可視化處理和展示數據，便于分析和理解，通過關聯數據支持度可以預測可能發生的病蟲害，可極大提高防治效率。

　　2松材線蟲病監管需求分析

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

　　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，但松材線蟲病經過幾十年的適應，現在已經在我國多種氣候帶上的多種松屬植物上被發現。當務之急是全面分析自然和人為傳播的規律，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，避免生態災難的出現。如此廣域的分布，需要海量的數據，且這些數據需要滿足科學性、系統性、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技術思路和解決方法

　　1)外業數據的采集設備。

　　現在滿足定位化、精細化、準實時化、圖像化數據采集要求的移動終端設備較多，技術指標差異主要體現在定位精度和圖像分辨率等方面�？紤]到5m的絕對定位精度要求以及監測窗口期山高林密的現實，必須選擇具有專業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星數據的能力。

　　2)自動精準采集時間和位置數據。全球衛星導航系統(GNSS)具有定位和授時功能，位置和時間數據必須基于NEMA格式的�唱矴GA語句生成(或操作系統提供的GNSS接口數據)，而不可采用一般商用機器的AGNSS接口數據。即在定義好表單后，保存圖片時必須實現位置和時間信息的精準自動讀取，這樣才能確保數據的客觀性和真實性;即后臺軟件嚴格控制了數據的讀取方式和條件，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沒有任何技術難題，連續跟蹤數據采集技術早已成熟，借助軟件功能可實現規范化和時序化數據采集、存儲與傳輸，可為大數據的分析、利用、共享創造基礎保障條件。

　　4松材線蟲病死松樹管理系統設計與功能

　　基于參考文獻[21]以及后續的技術積累，本系統為病死松樹的外業精準信息采集和內業規范化建庫提供一套整體解決方案，主要由云服務端(內業)和移動端(外業)兩部分構成。移動端軟件安裝在具備導航衛星定位模塊(北斗/GPS等多模)的移動終端上，護林員在外業調查和核查時，可以對病死松樹編號、拍照等快速記錄，同時記錄調查時的位置和時間信息，并可將數據實時或隨后上傳云平臺數據庫，實現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。服務端部署在云服務器上，負責存儲與匯總調查數據等內業管理工作。它能根據任務定制相應格式的外業調查表格，對調查任務進行監督和檢查，將合格的數據進行匯總統計，并導出為標準報表格式，實現內業報表的規范化管理。踏查、詳查、取樣以及除治等4類信息被統一存儲在疫木數據庫中，并分為對應的4張數據表進行管理。

　　4.1系統設計原則

　　從工作效率上考慮，除了外業數據采集必備的功能部署在移動終端外，其它非外業的信息維護、數據統計和管理功能都在內業系統中實現。系統采集功能應具有便捷的特點，需遵循下述原則：1)與外業調查無關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據，應該由系統自動填寫而不是讓調查者手工填寫;3)填寫調查表格時，能夠用選擇方式填寫的數據，不要手工輸入。

　　4)外業調查數據要按記錄/字段實時地存儲在移動終端上，以保證填寫數據不丟失;5)保存后的外業調查數據可以按每條記錄實時通過無線網絡傳回云端，也可在室內批量化地通過無線/有線連接傳輸到內業系統;6)外業調查表格的制作應該簡單方便，無需編程，而且支持多種數據類型;7)在有監測區域地圖或影像數據的情況下，可提供空間可視化和地圖導航功能。

　　4.2系統總體架構

　　系統的總體架構分為3層，即數據層、業務邏輯層和交互界面層。底層是數據層，負責與各種底層數據庫的IO操作;中間是業務邏輯層，主要抽象出空間數據模型和屬性數據模型，并結合業務邏輯，封裝為地圖對象和業務表單對象;最上層是交互界面層，主要是各種視圖和對話框對象，用于人機交互。數據層部署在云服務端，交互界面部署在移動終端，業務邏輯層根據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。系統底層數據庫主要有3種，即林業基礎信息庫、松材線蟲病疫木信息庫及輔助信息庫。林業基礎信息庫主要包括管理區劃數據、森林資源小班數據、遙感影像等;松材線蟲病疫木信息庫主要包括調查過程中所記錄的疫木調查表格、位置、照片、時間等數據，此外還有監測業務運行過程中所制定的其他松材線蟲病調查表格、調查人員信息等數據;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查任務表單，下載到本地作為外業調查的基礎表格。2)調查數據記錄填寫：能夠利用電子表格對調查過程中的數據進行記錄，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)調查數據記錄修改/刪除：對于已經調查過、但未上傳到云端的數據記錄，系統可以直接修改編輯/刪除。6)數據上傳：用戶可以通過網絡，實時或隨后將已保存的調查數據上傳到云服務器。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查記錄。

　　8)GIS功能：本功能為核查子系統可選模塊。a.地圖可視化：能夠加載并顯示柵格或矢量數據，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：在地圖上顯示調查者當前所在的具體位置和GPS/北斗坐標，并通過周圍環境及地圖上的標注信息，可以進行調查路線的導航。

　　以上8項基本采集功能可用于外業調查，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測和管理的詳查、取樣以及除治業務，定制相應的表單。如：詳查表單記錄了疫情發生地點(帶地理坐標)、寄主種類、發生面積(從小班數據讀取)、病死松樹數量、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

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

　　4)數據匯總入庫：管理者可以對松材線蟲病發生情況按照國家標準進行統計匯總，并再存儲到相應的數據庫中。5)數據瀏覽導出：系統中的調查記錄、統計匯總數據可以導出成excel，csv，等文本格式，用于進一步的研究分析。6)空間數據瀏覽：可選WebGIS功能。管理者通過瀏覽器即可瀏覽與查看監測區域遙感影像、林業資源信息等空間數據。5系統工作流程及其應用智能移動終端是外業調查的基本設備。借助內置定位模塊進行空間定位;利用內置攝像頭采集實況照片數據，可視化界面進行數據記錄;通過網絡與服務器連接，調查結果即能直接進入數據庫;可有效地規范調查人員采集數據的過程，提高準確性和客觀性。

　　6結論與討論

　　松材線蟲病具有發病速度快、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構，提高生態系統整體抗性，是最根本的解決方法。因此，加強對感病松樹的監測和除治手段監管對于遏制災害擴散至關重要，應充分利用現有技術手段，對病死松樹實施嚴格監測和監管，并形成威懾力，才能徹底扭轉現階段的被動局面。

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　　林木病蟲害會給森林資源造成嚴重的破壞，影響生態環境的建設。林木病蟲害不但影響樹木的質量和產量，也會使林業產生較大的經濟損失。想要實現對林木病蟲害的有效控制，則需要對不同地區的病蟲害發生情況進行詳細的了解，要做好實時的檢測工作，并結合實際情況采取有效的防治措施，才能避免病蟲害的發生。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，需要進行優化和完善，以此提升森林病蟲害的防治效果，促進林業的可持續發展。

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