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“精確林業(yè)”的發(fā)展及其應(yīng)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(nèi)涵及其主要支撐技術(shù) (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(duì)精確林業(yè)在中國的發(fā)展前景進(jìn)行了探討。
在現(xiàn)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(shí)高度密集為主要特點(diǎn)的知識(shí)林業(yè)發(fā)展階段，于是，“精確林業(yè)(Precision Forestry)”應(yīng)運(yùn)而生。所謂精確林業(yè)，即在林業(yè)生產(chǎn)過程中運(yùn)用視覺傳感器、衛(wèi)星定位等高新技術(shù)，實(shí)時(shí)測知工作對(duì)象所需工作的質(zhì)、量和時(shí)機(jī)等數(shù)據(jù)，通過對(duì)影響林木生長的因素實(shí)際存在的時(shí)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(xué)處方，采取技術(shù)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(shí)施灌溉、施肥和噴，以實(shí)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(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(tǒng)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(zhǔn)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(chǔ)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(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(qiáng)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(xiàn)對(duì)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傳感器(如CCD攝像頭)和運(yùn)載平臺(tái)(如作業(yè)車輛、飛機(jī)等)目標(biāo)的空間位置，輔助作業(yè)完成處方實(shí)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(chǔ)、、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(shù)據(jù)，把地理位置和相關(guān)屬性有機(jī)地結(jié)合起來，根據(jù)用戶需要將空間信息及屬性信息準(zhǔn)確真實(shí)、圖文并茂地輸出。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)多種來源的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、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(chǔ)平臺(tái)。
1.3 遙感
遙感(RS)是一種多平臺(tái)、多波段、高分辨率和全天候的對(duì)地觀測技術(shù)，主要通過遙感器獲取地球表面(層)自然界目標(biāo)的波譜特征信息及對(duì)這些信息進(jìn)行加工、處理，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)自然界的目的。在精確林業(yè)中，它主要用于實(shí)時(shí)地獲取樹木生長環(huán)境、生長狀況和空間差異的大量時(shí)空變化信息，及時(shí)對(duì)GIS進(jìn)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(chǔ)和查找數(shù)據(jù)最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了﹁體化存儲(chǔ)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(shí)，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(fù)機(jī)制及分布式處理機(jī)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(shí)，建立作物栽培模型、趨勢分析與預(yù)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(jù)不同位置及要求自動(dòng)改變施用比率的技術(shù)。它通過控制，對(duì)林木所需用的水、肥料、農(nóng)等變量的類別和數(shù)量進(jìn)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(shí)間對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行操作規(guī)劃，以達(dá)到精確定量地灌溉、施肥、噴藥的目的，體現(xiàn)了“對(duì)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(tǒng)粗放型生產(chǎn)活動(dòng)中造成的資源浪費(fèi)和伴隨的污染問題。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)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(duì)影響樹木成長的各項(xiàng)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、蟲害、病害發(fā)生情況空間數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，利用樹木生長發(fā)育模型、相關(guān)作業(yè)的專家知識(shí)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(yīng)林業(yè)機(jī)械的智能控制軟件，按照按需投入、區(qū)別對(duì)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(duì)其執(zhí)行效果進(jìn)行評(píng)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(shí)施可變量投入，達(dá)到低、低消耗、高效率、環(huán)保好等目標(biāo)成為可能。圖1是精確林業(yè)基本操作過程的示意圖，其實(shí)施過程可描述為：帶GPS和實(shí)時(shí)傳感器的作業(yè)機(jī)械隨時(shí)間和空間變化自動(dòng)采集林間定位及對(duì)應(yīng)林班的樹木長勢情況數(shù)據(jù)一通過型、空間分析與技術(shù)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(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)樹木長勢、病害、蟲害的發(fā)生趨勢進(jìn)行分析模擬，針對(duì)林木生長環(huán)境和生長條件的時(shí)空差異性，生成處方圖，提供各林班施肥噴藥方案，對(duì)精確林業(yè)的實(shí)施效果、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估。
3、精確林業(yè)的研究現(xiàn)狀
3.1 國外研究動(dòng)態(tài)
一些發(fā)達(dá)國家在精確林業(yè)相關(guān)技術(shù)的研究方面發(fā)展較快，如在森林土壤類型分析、林地適應(yīng)性評(píng)價(jià)、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(lǐng)域已有成熟的應(yīng)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(jí)GPS接收機(jī)，主要用于災(zāi)害監(jiān)測和防治的飛機(jī)導(dǎo)航、林相圖的自動(dòng)更新和林區(qū)作業(yè)的定位服務(wù)。
美國林務(wù)局和伊利諾大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的Smart Forest軟件，實(shí)現(xiàn)了森林景觀的可視化，以DTM三維顯示技術(shù)為基礎(chǔ)，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(duì)原有的利用衛(wèi)星RS數(shù)據(jù)監(jiān)測火災(zāi)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影像查詢系統(tǒng)的、實(shí)用的火災(zāi)探測算法，該算法具有自適應(yīng)和區(qū)域性敏感的特點(diǎn)，所以適合于區(qū)域和全球火災(zāi)監(jiān)測，可以實(shí)時(shí)獲取火災(zāi)位置等信息。
Reid等人(2001)研究開發(fā)了FIAMODEI。來存儲(chǔ)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(yù)測、森林生態(tài)景觀分析、觀光風(fēng)景區(qū)內(nèi)的森林布局等功能，同時(shí)，它還可提供林道、河流、邊界等數(shù)據(jù)的查詢。
Dimitru和Olson運(yùn)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(shù)路線是，通過像素尺寸的變化來判別樹種是否有所增加，對(duì)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(zhǔn)確的信息。
美國克羅拉多大學(xué)研究開發(fā)了一套航空錄像的自動(dòng)配準(zhǔn)和校正系統(tǒng)，它是實(shí)時(shí)獲取資源信息的RS工具，克服了影像配準(zhǔn)與幾何校正的時(shí)間太長、費(fèi)用太高、與精確GIS匹配能力有限的缺點(diǎn)，在不增加過多硬件的基礎(chǔ)上，極大降低了人為干預(yù)的操作，主要用于監(jiān)測森林病蟲害。
3.2 國內(nèi)研究動(dòng)態(tài)
福建大學(xué)學(xué)院研究開發(fā)了基于GIS的木材決策支持計(jì)劃系統(tǒng)，它綜合運(yùn)用線形規(guī)劃和GIS技術(shù)，可以協(xié)助計(jì)劃者確定最小費(fèi)用集運(yùn)材路徑、確定最佳楞場空間位置和木材流分配，目標(biāo)是在需材單位定貨和森林資源條件的約束下，木材集運(yùn)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(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了林火數(shù)據(jù)庫、林火預(yù)報(bào)、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(tǒng)能夠在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)行和信息傳輸，自動(dòng)優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)和自動(dòng)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(xué)機(jī)電學(xué)院開展了利用以機(jī)器視覺、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(gòu)成、實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用等研究，開發(fā)了基于機(jī)器視覺的室內(nèi)農(nóng)自動(dòng)精確施用系統(tǒng)。該系統(tǒng)以實(shí)驗(yàn)室中所建的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑檠芯繉?duì)象，模擬農(nóng)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(jù)做出決策控制噴頭實(shí)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(shí)時(shí)視覺傳感技術(shù)的農(nóng)藥精確施用的可行性和效果。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了一系列的試驗(yàn)和研究，對(duì)施藥過程中的運(yùn)動(dòng)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(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)視覺傳感技術(shù)的農(nóng)藥精確施用的主要技術(shù)要點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室測試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好并有很好的戶外應(yīng)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(shí)，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(xué)院還開展了農(nóng)藥精確噴霧機(jī)時(shí)空數(shù)據(jù)分析與融合研究，目標(biāo)是建立集CCD攝像頭、GPS、GIS為一體的移動(dòng)式農(nóng)藥精確噴霧系統(tǒng)，圖2為該系統(tǒng)的技術(shù)路線圖，它的設(shè)計(jì)思路是：將CCD實(shí)時(shí)立體攝像系統(tǒng)、GPS、GIS在線地安裝在高射程噴霧機(jī)上，隨著噴霧機(jī)的行駛，所有系統(tǒng)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(shù)據(jù)和CCD獲取的林木數(shù)字圖像通過處理隨時(shí)送人GIS中，而G1S中已經(jīng)存儲(chǔ)有地圖信息和林班圖，在GIS平臺(tái)上有效集成時(shí)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(hù)專家在長期生產(chǎn)中獲得的知識(shí)，進(jìn)行病蟲害趨勢模型和技術(shù)分析，建立農(nóng)藥使用技術(shù)專家系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析、圖像處理、噴霧目標(biāo)特征和病蟲害防治目標(biāo)閾值，建立智能決策支持系統(tǒng)，從而可針對(duì)當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐纳植∠x害防治實(shí)際需要確定農(nóng)藥投入的種類、數(shù)量等，自動(dòng)執(zhí)行變量投入決策，控制可變量噴頭實(shí)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(duì)應(yīng)控制特定區(qū)域做出可變量控制決策而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精確對(duì)靶噴霧，在最大程度上杜絕非目標(biāo)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(jìn)行了一定規(guī)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(nóng)業(yè)信息技術(shù)中心承擔(dān)的北京市小湯山精確農(nóng)業(yè)示范工程已進(jìn)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(dǎo)航、農(nóng)業(yè)ES分析、農(nóng)業(yè)的實(shí)時(shí)在線控制等試驗(yàn)。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(fù)雜，決定了精確林業(yè)實(shí)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(shù)體系初步建立，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)部門逐漸形成。3S技術(shù)及其它高新技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于森林資源清查、林地面積實(shí)時(shí)測量、林界劃分、護(hù)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(shè)已經(jīng)啟動(dòng)，2001年，國家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)批準(zhǔn)了精確林業(yè)課題立項(xiàng)，這標(biāo)志著精確林業(yè)的研究進(jìn)入了系統(tǒng)集成與平臺(tái)建立階段。隨著一些經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)精確林業(yè)示范地的建立，我國精確林業(yè)將由實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)，由技術(shù)形成產(chǎn)業(yè)，必將擁有廣泛的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。
構(gòu)建一套林業(yè)工人認(rèn)可(自動(dòng)化程度高、智能化性能好、操作安全性能好)、森防部門認(rèn)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)營管理森林資源、實(shí)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(dòng)我國林業(yè)建設(shè)開創(chuàng)嶄新的局面。
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