“精確林業(yè)”的發(fā)展及其應用前景
論文關鍵詞：精確 GPS GIS
論文摘要：概述了“精確林業(yè)”的內(nèi)涵及其主要支撐技術 (包括 GPS、GIS、RS、DBMS、DSS、VRT等 )、操作過程和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ,并對精確林業(yè)在中國的發(fā)展前景進行了探討。
在現(xiàn)代信息技術、生物技術、工程技術等一系列高新技術的推動下，林業(yè)正在進入以知識高度密集為主要特點的知識林業(yè)發(fā)展階段，于是，“精確林業(yè)(Precision Forestry)”應運而生。所謂精確林業(yè)，即在林業(yè)生產(chǎn)過程中運用視覺傳感器、衛(wèi)星定位等高新技術，實時測知工作對象所需工作的質(zhì)、量和時機等數(shù)據(jù)，通過對影響林木生長的因素實際存在的時空差異性的分析，判別林木長勢優(yōu)劣，確定影響長勢的原因，提出科學處方，采取技術上可行、上有效的調(diào)控措施，消除和減少這些差異，按需定量實施灌溉、施肥和噴，以實現(xiàn)最小資源投入、最大林業(yè)收益和最少環(huán)境危害。
1、精確林業(yè)的主要支撐技術
精確林業(yè)以3S技術、信息技術、智能化決策技術、可變量控制技術等為技術支撐體系，以生態(tài)學、造、工程學、系統(tǒng)學、控制學、測繪學為，能在自動化、智能化、一體化、時效性、準確性、可靠性等方面滿足人們的需要，它的建立依賴于地球空間信息基礎理論及其它高新科學技術的發(fā)展。
1.1 全球定位系統(tǒng)
全球定位系統(tǒng)(GPS)是＿種可供全球享用的空間信息資源，具有全球性、全天候、高精度、用途多、可靠性好、覆蓋范圍廣、定位速度快、抗干擾性強和自動化程度高等特點。在精確林業(yè)中，它主要實現(xiàn)對采集的林間信息進行空間定位，實時、快速地提供包括各類傳感器(如CCD攝像頭)和運載平臺(如作業(yè)車輛、飛機等)目標的空間位置，輔助作業(yè)完成處方實施.
1.2 信息系統(tǒng)
地理信息系統(tǒng)(GIS)可以在硬件、軟件系統(tǒng)的支持下，存儲、、分析和描述整個或部分地球表面與空間和地理分布有關的數(shù)據(jù)，把地理位置和相關屬性有機地結(jié)合起來，根據(jù)用戶需要將空間信息及屬性信息準確真實、圖文并茂地輸出。在精確林業(yè)中，它主要實現(xiàn)對多種來源的時空數(shù)據(jù)進行存儲、分析和處理，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制地圖，作為新的集成系統(tǒng)的基礎平臺。
1.3 遙感
遙感(RS)是一種多平臺、多波段、高分辨率和全天候的對地觀測技術，主要通過遙感器獲取地球表面(層)自然界目標的波譜特征信息及對這些信息進行加工、處理，從而達到認識自然界的目的。在精確林業(yè)中，它主要用于實時地獲取樹木生長環(huán)境、生長狀況和空間差異的大量時空變化信息，及時對GIS進行數(shù)據(jù)更新。
1.4 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)使存儲和查找數(shù)據(jù)最優(yōu)化，實現(xiàn)了﹁體化存儲和初步的一體化查詢，具有很好的完整性，避免了數(shù)據(jù)過于瑣碎帶來的不便。在精確林業(yè)中，它主要用于建立包含林木長勢、自然條件和數(shù)據(jù)等信息的數(shù)據(jù)庫，同時，它使GIS軟件能充分利用商用數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成熟的眾多特性，如快速索引、數(shù)據(jù)完整性和一致性保證、安全和恢復機制及分布式處理機制，明顯提高GIS軟件管理空間數(shù)據(jù)的能力。
1.5 決策支持系統(tǒng)
決策支持系統(tǒng)(DSS)綜合了專家系統(tǒng)(ES)和模型系統(tǒng)(SS)，它根據(jù)專家在長期生產(chǎn)中積累的知識，建立作物栽培模型、趨勢分析與預測模
1.6 可變量控制技術
可變量控制技術(VRT)就是根據(jù)不同位置及要求自動改變施用比率的技術。它通過控制，對林木所需用的水、肥料、農(nóng)等變量的類別和數(shù)量進行判斷，根據(jù)需要調(diào)控如植保向林間噴灑這些變量的速率，使系統(tǒng)能在特定時間對特定目標進行操作規(guī)劃，以達到精確定量地灌溉、施肥、噴藥的目的，體現(xiàn)了“對癥下藥”、“按需給予、”“變量投入”的原則，它的實施可有效避免傳統(tǒng)粗放型生產(chǎn)活動中造成的資源浪費和伴隨的污染問題。在精確林業(yè)中，它主要實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行調(diào)控，合理地進行施肥、灌溉、施藥等措施。GIS繪制地圖，生成林木長勢情況分布圖，分析此圖，獲得林區(qū)內(nèi)樹木長勢的差異程度一根據(jù)該圖，對影響樹木成長的各項因素進行分析，將地形、土質(zhì)、土壤肥力、土壤含水量、氣候狀況、蟲害、病害發(fā)生情況空間數(shù)據(jù)輸入計算機，利用樹木生長發(fā)育模型、相關作業(yè)的專家知識庫等建立空間智能決策支持系統(tǒng)，確定產(chǎn)生長勢差異的原因，生成林木處方圖一根據(jù)處方圖，生成響應林業(yè)機械的智能控制軟件，按照按需投入、區(qū)別對待的原則，利用可變量控制技術實施施肥、噴藥等操作一對其執(zhí)行效果進行評估。
2、精確林業(yè)的基本操作過程
精確林業(yè)的出現(xiàn)，使定量獲取影響樹木長勢情況的因素及最終生成的空間差異性信息，實施可變量投入，達到低、低消耗、高效率、環(huán)保好等目標成為可能。圖1是精確林業(yè)基本操作過程的示意圖，其實施過程可描述為：帶GPS和實時傳感器的作業(yè)機械隨時間和空間變化自動采集林間定位及對應林班的樹木長勢情況數(shù)據(jù)一通過型、空間分析與技術分析模型，通過用戶選擇最優(yōu)模型，輸入模型的參數(shù)，獲得仿真運算結(jié)果，從而為決策提供輔助支持的依據(jù)。在精確林業(yè)中，它主要實現(xiàn)對樹木長勢、病害、蟲害的發(fā)生趨勢進行分析模擬，針對林木生長環(huán)境和生長條件的時空差異性，生成處方圖，提供各林班施肥噴藥方案，對精確林業(yè)的實施效果、經(jīng)濟效益進行評估。
3、精確林業(yè)的研究現(xiàn)狀
3.1 國外研究動態(tài)
一些發(fā)達國家在精確林業(yè)相關技術的研究方面發(fā)展較快，如在森林土壤類型分析、林地適應性評價、森林生態(tài)環(huán)境模擬、林木育種以及生長監(jiān)測和森林收獲等領域已有成熟的應用。
美國林務局為每個林管局和林業(yè)研究所配備了資源級GPS接收機，主要用于災害監(jiān)測和防治的飛機導航、林相圖的自動更新和林區(qū)作業(yè)的定位服務。
美國林務局和伊利諾大學聯(lián)合開發(fā)的Smart Forest軟件，實現(xiàn)了森林景觀的可視化，以DTM三維顯示技術為基礎，使用GIS作為決策支持媒介來考察景觀尺度的資源狀況，在林業(yè)信息的支持下，可以從不同視角模擬觀察森林景觀及其變化。
美國太空成像公司對原有的利用衛(wèi)星RS數(shù)據(jù)監(jiān)測火災的技術和方法進行了歸納、整理和合并，形成了一套基于Internet影像查詢系統(tǒng)的、實用的火災探測算法，該算法具有自適應和區(qū)域性敏感的特點，所以適合于區(qū)域和全球火災監(jiān)測，可以實時獲取火災位置等信息。
Reid等人(2001)研究開發(fā)了FIAMODEI。來存儲和分析林業(yè)數(shù)據(jù)，主要具有森林現(xiàn)狀分析、發(fā)展趨勢預測、森林生態(tài)景觀分析、觀光風景區(qū)內(nèi)的森林布局等功能，同時，它還可提供林道、河流、邊界等數(shù)據(jù)的查詢。
Dimitru和Olson運用空間信息系統(tǒng)集成和衛(wèi)星數(shù)據(jù)來確定森林覆蓋率。技術路線是，通過像素尺寸的變化來判別樹種是否有所增加，對比Landsat TM和SPOY—XS遙感衛(wèi)星攝像2、3、4波段得到的數(shù)據(jù)，可以得到林區(qū)內(nèi)較為準確的信息。
美國克羅拉多大學研究開發(fā)了一套航空錄像的自動配準和校正系統(tǒng)，它是實時獲取資源信息的RS工具，克服了影像配準與幾何校正的時間太長、費用太高、與精確GIS匹配能力有限的缺點，在不增加過多硬件的基礎上，極大降低了人為干預的操作，主要用于監(jiān)測森林病蟲害。
3.2 國內(nèi)研究動態(tài)
福建大學學院研究開發(fā)了基于GIS的木材決策支持計劃系統(tǒng)，它綜合運用線形規(guī)劃和GIS技術，可以協(xié)助計劃者確定最小費用集運材路徑、確定最佳楞場空間位置和木材流分配，目標是在需材單位定貨和森林資源條件的約束下，木材集運綜合最低。
東北大學完成了基于WEB和3S技術的森林防火智能決策支持系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了林火數(shù)據(jù)庫、林火預報、林火蔓延模型、撲火指揮決策等方面的智能化、網(wǎng)絡化，使系統(tǒng)能夠在互聯(lián)網(wǎng)上實現(xiàn)運行和信息傳輸，自動優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和自動修正模型參數(shù)，形成撲火指揮決策支持專家系統(tǒng)。
南京林業(yè)大學機電學院開展了利用以機器視覺、圖像處理、GPS、GIS、DBMS、DSS、VRT為代表的高新技術從事精確林業(yè)的構成、實現(xiàn)、應用等研究，開發(fā)了基于機器視覺的室內(nèi)農(nóng)自動精確施用系統(tǒng)。該系統(tǒng)以實驗室中所建的試驗模型為研究對象，模擬農(nóng)藥施用的真實情況，用出的一套算法進行圖像處理，并以此為依據(jù)做出決策控制噴頭實現(xiàn)農(nóng)藥的精確施用，分析和探索了在自然環(huán)境中基于實時視覺傳感技術的農(nóng)藥精確施用的可行性和效果。在實驗室內(nèi)開展了一系列的試驗和研究，對施藥過程中的運動模擬、樹木圖像采集、圖像分割、施藥決策、數(shù)據(jù)交換、噴霧執(zhí)行等主要問題和技術難點做了較為深入的探討和研究，涵蓋了基于實時視覺傳感技術的農(nóng)藥精確施用的主要技術要點。實驗室測試表明，該系統(tǒng)運行良好并有很好的戶外應用前景，特別適用于路旁樹木的病蟲害防治，林木栽植株距較大時，和常規(guī)施藥方法相比，可節(jié)省50%以上的用藥量。
此外，該學院還開展了農(nóng)藥精確噴霧機時空數(shù)據(jù)分析與融合研究，目標是建立集CCD攝像頭、GPS、GIS為一體的移動式農(nóng)藥精確噴霧系統(tǒng)，圖2為該系統(tǒng)的技術路線圖，它的設計思路是：將CCD實時立體攝像系統(tǒng)、GPS、GIS在線地安裝在高射程噴霧機上，隨著噴霧機的行駛，所有系統(tǒng)均在同一時間脈沖控制下進行實時工作，把GPS精確定位數(shù)據(jù)和CCD獲取的林木數(shù)字圖像通過處理隨時送人GIS中，而G1S中已經(jīng)存儲有地圖信息和林班圖，在GIS平臺上有效集成時空數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史上病蟲害發(fā)生情況和植物保護專家在長期生產(chǎn)中獲得的知識，進行病蟲害趨勢模型和技術分析，建立農(nóng)藥使用技術專家系統(tǒng)，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)分析、圖像處理、噴霧目標特征和病蟲害防治目標值，建立智能決策支持系統(tǒng)，從而可針對當時當?shù)氐纳植∠x害防治實際需要確定農(nóng)藥投入的種類、數(shù)量等，自動執(zhí)行變量投入決策，控制可變量噴頭實現(xiàn)農(nóng)藥精確定量噴霧。根據(jù)不同林業(yè)生產(chǎn)情況及病蟲害發(fā)生類型、程度，利用此系統(tǒng)來對應控制特定區(qū)域做出可變量控制決策而實現(xiàn)農(nóng)藥精確對靶噴霧，在最大程度上杜絕非目標農(nóng)藥沉積，減輕環(huán)境污染。
4、精確林業(yè)在我國的發(fā)展前景
我國已經(jīng)進行了一定規(guī)模的精確試點工作，部分技術、產(chǎn)品已趨成型，如由北京農(nóng)業(yè)信息技術中心承擔的北京市小湯山精確農(nóng)業(yè)示范工程已進行了谷物測量、水分在線測量、田間信息采集、RS監(jiān)測作物長勢、水分、病蟲草害、防治環(huán)境監(jiān)測、GPS采樣定位、導航、農(nóng)業(yè)ES分析、農(nóng)業(yè)的實時在線控制等試驗。林業(yè)與農(nóng)業(yè)相比有諸多不同，如森林資源類型多、區(qū)域差異大、周期長、干擾多、變化快、條件復雜，決定了精確林業(yè)實現(xiàn)的難度要比精確農(nóng)業(yè)大。
在我國，精確林業(yè)的理論框架逐步完善，技術體系初步建立，應用領域進一步擴大，產(chǎn)業(yè)部門逐漸形成。3S技術及其它高新技術現(xiàn)已經(jīng)廣泛應用于森林資源清查、林地面積實時測量、林界劃分、護林防火、飛播造林、荒漠化監(jiān)測等方面。目前，北京市精確林業(yè)示范地建設已經(jīng)啟動，2001年，國家高新技術發(fā)展計劃(863計劃)批準了精確林業(yè)課題立項，這標志著精確林業(yè)的研究進入了系統(tǒng)集成與平臺建立階段。隨著一些經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)精確林業(yè)示范地的建立，我國精確林業(yè)將由實驗轉(zhuǎn)向生產(chǎn)，由技術形成產(chǎn)業(yè)，必將擁有廣泛的應用前景和強大的生命力。
構建一套林業(yè)工人認可(自動化程度高、智能化性能好、操作安全性能好)、森防部門認可(廉價適用、推廣潛力大、環(huán)境污染小)的精確林業(yè)技術體系，將為科學合理地經(jīng)營管理森林資源、實現(xiàn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展和分類經(jīng)營提供依據(jù)，以推動我國林業(yè)建設開創(chuàng)嶄新的局面。
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