“精確林業(yè)”的發(fā)展及其應用前景
論文關(guān)鍵詞：精確 GPS GIS
論文摘要：概述了“精確林業(yè)”的內涵及其主要支撐技術(shù) (包括 GPS、GIS、RS、DBMS、DSS、VRT等 )、操作過(guò)程和國內外研究現狀 ,并對精確林業(yè)在中國的發(fā)展前景進(jìn)行了探討。
在現代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)的推動(dòng)下，林業(yè)正在進(jìn)入以知識高度密集為主要特點(diǎn)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(guò)程中運用視覺(jué)傳感器、衛星定位等高新技術(shù)，實(shí)時(shí)測知工作對象所需工作的質(zhì)、量和時(shí)機等數據，通過(guò)對影響林木生長(cháng)的因素實(shí)際存在的時(shí)空差異性的分析，判別林木長(cháng)勢優(yōu)劣，確定影響長(cháng)勢的原因，提出科學(xué)處方，采取技術(shù)上可行、上有效的調控措施，消除和減少這些差異，按需定量實(shí)施灌溉、施肥和噴，以實(shí)現最小資源投入、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(shù)
精確林業(yè)以3S技術(shù)、信息技術(shù)、智能化決策技術(shù)、可變量控制技術(shù)等為技術(shù)支撐體系，以生態(tài)學(xué)、造、工程學(xué)、系統學(xué)、控制學(xué)、測繪學(xué)為，能在自動(dòng)化、智能化、一體化、時(shí)效性、準確性、可靠性等方面滿(mǎn)足人們的需要，它的建立依賴(lài)于地球空間信息基礎理論及其它高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
1.1 全球定位系統
全球定位系統(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(dòng)化程度高等特點(diǎn)。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現對采集的林間信息進(jìn)行空間定位，實(shí)時(shí)、快速地提供包括各類(lèi)傳感器(如CCD攝像頭)和運載平臺(如作業(yè)車(chē)輛、飛機等)目標的空間位置，輔助作業(yè)完成處方實(shí)施.
1.2 信息系統
地理信息系統(GIS)可以在硬件、軟件系統的支持下，存儲、、分析和描述整個(gè)或部分地球表面與空間和地理分布有關(guān)的數據，把地理位置和相關(guān)屬性有機地結合起來(lái)，根據用戶(hù)需要將空間信息及屬性信息準確真實(shí)、圖文并茂地輸出。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現對多種來(lái)源的時(shí)空數據進(jìn)行存儲、分析和處理，根據數據繪制地圖，作為新的集成系統的基礎平臺。
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(guān)測技術(shù)，主要通過(guò)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(jìn)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(shí)時(shí)地獲取樹(shù)木生長(cháng)環(huán)境、生長(cháng)狀況和空間差異的大量時(shí)空變化信息，及時(shí)對GIS進(jìn)行數據更新。
1.4 數據庫管理系統
數據庫管理系統(DBMS)使存儲和查找數據最優(yōu)化，實(shí)現了﹁體化存儲和初步的一體化查詢(xún)，具有很好的完整性，避免了數據過(guò)于瑣碎帶來(lái)的不便。在精確林業(yè)中，它主要用于建立包含林木長(cháng)勢、自然條件和數據等信息的數據庫，同時(shí)，它使GIS軟件能充分利用商用數據庫已經(jīng)成熟的眾多特性，如快速索引、數據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軟件管理空間數據的能力。
1.5 決策支持系統
決策支持系統(DSS)綜合了專(zhuān)家系統(ES)和模型系統(SS)，它根據專(zhuān)家在長(cháng)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(shù)
可變量控制技術(shù)(VRT)就是根據不同位置及要求自動(dòng)改變施用比率的技術(shù)。它通過(guò)控制，對林木所需用的水、肥料、農等變量的類(lèi)別和數量進(jìn)行判斷，根據需要調控如植保向林間噴灑這些變量的速率，使系統能在特定時(shí)間對特定目標進(jìn)行操作規劃，以達到精確定量地灌溉、施肥、噴藥的目的，體現了“對癥下藥”、“按需給予、”“變量投入”的原則，它的實(shí)施可有效避免傳統粗放型生產(chǎn)活動(dòng)中造成的資源浪費和伴隨的污染問(wèn)題。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調控，合理地進(jìn)行施肥、灌溉、施藥等措施。GIS繪制地圖，生成林木長(cháng)勢情況分布圖，分析此圖，獲得林區內樹(shù)木長(cháng)勢的差異程度一根據該圖，對影響樹(shù)木成長(cháng)的各項因素進(jìn)行分析，將地形、土質(zhì)、土壤肥力、土壤含水量、氣候狀況、蟲(chóng)害、病害發(fā)生情況空間數據輸入計算機，利用樹(shù)木生長(cháng)發(fā)育模型、相關(guān)作業(yè)的專(zhuān)家知識庫等建立空間智能決策支持系統，確定產(chǎn)生長(cháng)勢差異的原因，生成林木處方圖一根據處方圖，生成響應林業(yè)機械的智能控制軟件，按照按需投入、區別對待的原則，利用可變量控制技術(shù)實(shí)施施肥、噴藥等操作一對其執行效果進(jìn)行評估。
2、精確林業(yè)的基本操作過(guò)程
精確林業(yè)的出現，使定量獲取影響樹(shù)木長(cháng)勢情況的因素及最終生成的空間差異性信息，實(shí)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(guò)程的示意圖，其實(shí)施過(guò)程可描述為：帶GPS和實(shí)時(shí)傳感器的作業(yè)機械隨時(shí)間和空間變化自動(dòng)采集林間定位及對應林班的樹(shù)木長(cháng)勢情況數據一通過(guò)型、空間分析與技術(shù)分析模型，通過(guò)用戶(hù)選擇最優(yōu)模型，輸入模型的參數，獲得仿真運算結果，從而為決策提供輔助支持的依據。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現對樹(shù)木長(cháng)勢、病害、蟲(chóng)害的發(fā)生趨勢進(jìn)行分析模擬，針對林木生長(cháng)環(huán)境和生長(cháng)條件的時(shí)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(shí)施效果、經(jīng)濟效益進(jìn)行評估。
3、精確林業(yè)的研究現狀
3.1 國外研究動(dòng)態(tài)
一些發(fā)達國家在精確林業(yè)相關(guān)技術(shù)的研究方面發(fā)展較快，如在森林土壤類(lèi)型分析、林地適應性評價(jià)、森林生態(tài)環(huán)境模擬、林木育種以及生長(cháng)監測和森林收獲等領(lǐng)域已有成熟的應用。
美國林務(wù)局為每個(gè)林管局和林業(yè)研究所配備了資源級GPS接收機，主要用于災害監測和防治的飛機導航、林相圖的自動(dòng)更新和林區作業(yè)的定位服務(wù)。
美國林務(wù)局和伊利諾大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Smart Forest軟件，實(shí)現了森林景觀(guān)的可視化，以DTM三維顯示技術(shù)為基礎，使用GIS作為決策支持媒介來(lái)考察景觀(guān)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(guān)察森林景觀(guān)及其變化。
美國太空成像公司對原有的利用衛星RS數據監測火災的技術(shù)和方法進(jìn)行了歸納、整理和合并，形成了一套基于Internet影像查詢(xún)系統的、實(shí)用的火災探測算法，該算法具有自適應和區域性敏感的特點(diǎn)，所以適合于區域和全球火災監測，可以實(shí)時(shí)獲取火災位置等信息。
Reid等人(2001)研究開(kāi)發(fā)了FIAMODEI。來(lái)存儲和分析林業(yè)數據，主要具有森林現狀分析、發(fā)展趨勢預測、森林生態(tài)景觀(guān)分析、觀(guān)光風(fēng)景區內的森林布局等功能，同時(shí)，它還可提供林道、河流、邊界等數據的查詢(xún)。
Dimitru和Olson運用空間信息系統集成和衛星數據來(lái)確定森林覆蓋率。技術(shù)路線(xiàn)是，通過(guò)像素尺寸的變化來(lái)判別樹(shù)種是否有所增加，對比Landsat TM和SPOY—XS遙感衛星攝像2、3、4波段得到的數據，可以得到林區內較為準確的信息。
美國克羅拉多大學(xué)研究開(kāi)發(fā)了一套航空錄像的自動(dòng)配準和校正系統，它是實(shí)時(shí)獲取資源信息的RS工具，克服了影像配準與幾何校正的時(shí)間太長(cháng)、費用太高、與精確GIS匹配能力有限的缺點(diǎn)，在不增加過(guò)多硬件的基礎上，極大降低了人為干預的操作，主要用于監測森林病蟲(chóng)害。
3.2 國內研究動(dòng)態(tài)
福建大學(xué)學(xué)院研究開(kāi)發(fā)了基于GIS的木材決策支持計劃系統，它綜合運用線(xiàn)形規劃和GIS技術(shù)，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(chǎng)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(xué)完成了基于WEB和3S技術(shù)的森林防火智能決策支持系統的研究，實(shí)現了林火數據庫、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(luò )化，使系統能夠在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現運行和信息傳輸，自動(dòng)優(yōu)化系統參數和自動(dòng)修正模型參數，形成撲火指揮決策支持專(zhuān)家系統。
南京林業(yè)大學(xué)機電學(xué)院開(kāi)展了利用以機器視覺(jué)、圖像處理、GPS、GIS、DBMS、DSS、VRT為代表的高新技術(shù)從事精確林業(yè)的構成、實(shí)現、應用等研究，開(kāi)發(fā)了基于機器視覺(jué)的室內農自動(dòng)精確施用系統。該系統以實(shí)驗室中所建的試驗模型為研究對象，模擬農藥施用的真實(shí)情況，用出的一套算法進(jìn)行圖像處理，并以此為依據做出決策控制噴頭實(shí)現農藥的精確施用，分析和探索了在自然環(huán)境中基于實(shí)時(shí)視覺(jué)傳感技術(shù)的農藥精確施用的可行性和效果。在實(shí)驗室內開(kāi)展了一系列的試驗和研究，對施藥過(guò)程中的運動(dòng)模擬、樹(shù)木圖像采集、圖像分割、施藥決策、數據交換、噴霧執行等主要問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)做了較為深入的探討和研究，涵蓋了基于實(shí)時(shí)視覺(jué)傳感技術(shù)的農藥精確施用的主要技術(shù)要點(diǎn)。實(shí)驗室測試表明，該系統運行良好并有很好的戶(hù)外應用前景，特別適用于路旁樹(shù)木的病蟲(chóng)害防治，林木栽植株距較大時(shí)，和常規施藥方法相比，可節省50%以上的用藥量。
此外，該學(xué)院還開(kāi)展了農藥精確噴霧機時(shí)空數據分析與融合研究，目標是建立集CCD攝像頭、GPS、GIS為一體的移動(dòng)式農藥精確噴霧系統，圖2為該系統的技術(shù)路線(xiàn)圖，它的設計思路是：將CCD實(shí)時(shí)立體攝像系統、GPS、GIS在線(xiàn)地安裝在高射程噴霧機上，隨著(zhù)噴霧機的行駛，所有系統均在同一時(shí)間脈沖控制下進(jìn)行實(shí)時(shí)工作，把GPS精確定位數據和CCD獲取的林木數字圖像通過(guò)處理隨時(shí)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(shí)空數據、屬性數據以及數據，根據歷史上病蟲(chóng)害發(fā)生情況和植物保護專(zhuān)家在長(cháng)期生產(chǎn)中獲得的知識，進(jìn)行病蟲(chóng)害趨勢模型和技術(shù)分析，建立農藥使用技術(shù)專(zhuān)家系統，并根據實(shí)時(shí)數據分析、圖像處理、噴霧目標特征和病蟲(chóng)害防治目標閾值，建立智能決策支持系統，從而可針對當時(shí)當地的森林病蟲(chóng)害防治實(shí)際需要確定農藥投入的種類(lèi)、數量等，自動(dòng)執行變量投入決策，控制可變量噴頭實(shí)現農藥精確定量噴霧。根據不同林業(yè)生產(chǎn)情況及病蟲(chóng)害發(fā)生類(lèi)型、程度，利用此系統來(lái)對應控制特定區域做出可變量控制決策而實(shí)現農藥精確對靶噴霧，在最大程度上杜絕非目標農藥沉積，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(jìn)行了一定規模的精確試點(diǎn)工作，部分技術(shù)、產(chǎn)品已趨成型，如由北京農業(yè)信息技術(shù)中心承擔的北京市小湯山精確農業(yè)示范工程已進(jìn)行了谷物測量、水分在線(xiàn)測量、田間信息采集、RS監測作物長(cháng)勢、水分、病蟲(chóng)草害、防治環(huán)境監測、GPS采樣定位、導航、農業(yè)ES分析、農業(yè)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)控制等試驗。林業(yè)與農業(yè)相比有諸多不同，如森林資源類(lèi)型多、區域差異大、周期長(cháng)、干擾多、變化快、條件復雜，決定了精確林業(yè)實(shí)現的難度要比精確農業(yè)大。
在我國，精確林業(yè)的理論框架逐步完善，技術(shù)體系初步建立，應用領(lǐng)域進(jìn)一步擴大，產(chǎn)業(yè)部門(mén)逐漸形成。3S技術(shù)及其它高新技術(shù)現已經(jīng)廣泛應用于森林資源清查、林地面積實(shí)時(shí)測量、林界劃分、護林防火、飛播造林、荒漠化監測等方面。目前，北京市精確林業(yè)示范地建設已經(jīng)啟動(dòng)，2001年，國家高新技術(shù)發(fā)展計劃(863計劃)批準了精確林業(yè)課題立項，這標志著(zhù)精確林業(yè)的研究進(jìn)入了系統集成與平臺建立階段。隨著(zhù)一些經(jīng)濟發(fā)達地區精確林業(yè)示范地的建立，我國精確林業(yè)將由實(shí)驗轉向生產(chǎn)，由技術(shù)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(dòng)化程度高、智能化性能好、操作安全性能好)、森防部門(mén)認可(廉價(jià)適用、推廣潛力大、環(huán)境污染小)的精確林業(yè)技術(shù)體系，將為科學(xué)合理地經(jīng)營(yíng)管理森林資源、實(shí)現森林資源的可持續發(fā)展和分類(lèi)經(jīng)營(yíng)提供依據，以推動(dòng)我國林業(yè)建設開(kāi)創(chuàng )嶄新的局面。
【“精確林業(yè)”的發(fā)展及其應用前景】相關(guān)文章：
淺探“精確林業(yè)”的發(fā)展及其應用前景03-18
研究數據融合技術(shù)及其在林業(yè)中的應用03-18
探析數據融合技術(shù)及其在林業(yè)中的應用03-18
淺析數據融合技術(shù)及其在林業(yè)中的應用03-19
淺談數據通信及其應用前景03-20
嵌入式Linux系統及其應用前景03-18