精确林业发展研究论文

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论文关键词：精确林业GPSGIS

论文摘要：概述了“精确林业”的内涵及其主要支撑技术(包括GPS、GIS、RS、DBMS、DSS、VRT等)、操作过程和国内外研究现状,并对精确林业在中国的发展前景进行了探讨。

在现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术的推动下，林业正在进入以知识高度密集为主要特点的知识林业发展阶段，于是，“精确林业(PrecisionForestry)”应运而生。所谓精确林业，即在林业生产过程中运用视觉传感器、卫星定位等高新技术，实时测知工作对象所需工作的质、量和时机等数据，通过对影响林木生长的环境因素实际存在的时空差异性的分析，判别林木长势优劣，确定影响长势的原因，提出科学处方，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，消除和减少这些差异，按需定量实施灌溉、施肥和喷药，以实现最小资源投入、最大林业收益和最少环境危害。

1、精确林业的主要支撑技术

精确林业以3S技术、信息技术、智能化决策技术、可变量控制技术等为技术支撑体系，以生态学、造林学、工程学、系统学、控制学、测绘学为指导，能在自动化、智能化、一体化、时效性、准确性、可靠性等方面满足人们的需要，它的建立依赖于地球空间信息基础理论及其它高新科学技术的发展。

1.1全球定位系统

全球定位系统(GPS)是＿种可供全球享用的空间信息资源，具有全球性、全天候、高精度、用途多、可靠性好、覆盖范围广、定位速度快、抗干扰性强和自动化程度高等特点。在精确林业中，它主要实现对采集的林间信息进行空间定位，实时、快速地提供包括各类传感器(如CCD摄像头)和运载平台(如作业车辆、飞机等)目标的空间位置，辅助作业机械完成处方实施.

1.2地理信息系统

地理信息系统(GIS)可以在计算机硬件、软件系统的支持下，存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有关的数据，把地理位置和相关属性有机地结合起来，根据用户需要将空间信息及属性信息准确真实、图文并茂地输出。在精确林业中，它主要实现对多种来源的时空数据进行存储、分析和处理，根据数据绘制电子地图，作为新的集成系统的基础平台。

1.3遥感

遥感(RS)是一种多平台、多波段、高分辨率和全天候的对地观测技术，主要通过遥感器获取地球表面(层)自然界目标的波谱特征信息及对这些信息进行加工、处理，从而达到认识自然界的目的。在精确林业中，它主要用于实时地获取树木生长环境、生长状况和空间差异的大量时空变化信息，及时对GIS进行数据更新。

1.4数据库管理系统

数据库管理系统(DBMS)使存储和查找数据最优化，实现了﹁体化存储和初步的一体化查询，具有很好的完整性，避免了数据过于琐碎带来的不便。在精确林业中，它主要用于建立包含林木长势、自然条件和历史数据等信息的数据库，同时，它使GIS软件能充分利用商用数据库已经成熟的众多特性，如快速索引、数据完整性和一致性保证、安全和恢复机制及分布式处理机制，明显提高GIS软件管理空间数据的能力。

1.5决策支持系统

决策支持系统(DSS)综合了专家系统(ES)和模型系统(SS)，它根据专家在长期生产中积累的知识，建立作物栽培模型、统计趋势分析与预测模

1.6可变量控制技术

可变量控制技术(VRT)就是根据不同位置及要求自动改变施用比率的技术。它通过计算机控制，对林木所需用的水、肥料、农药等变量的类别和数量进行判断，根据需要调控如植保机械向林间喷洒这些变量的速率，使系统能在特定时间对特定目标进行操作规划，以达到精确定量地灌溉、施肥、喷药的目的，体现了“对症下药”、“按需给予、”“变量投入”的原则，它的实施可有效避免传统粗放型林业生产活动中造成的资源浪费和伴随的环境污染问题。在精确林业中，它主要实现对生产过程进行调控，合理地进行施肥、灌溉、施药等措施。GIS绘制电子地图，生成林木长势情况分布图，分析此图，获得林区内树木长势的差异程度一根据该图，对影响树木成长的各项因素进行分析，将地形、土质、土壤肥力、土壤含水量、气候状况、虫害、病害发生情况空间数据输入计算机，利用树木生长发育模型、相关作业的专家知识库等建立空间智能决策支持系统，确定产生长势差异的原因，生成林木管理处方图一根据处方图，生成响应林业机械的智能控制软件，按照按需投入、区别对待的原则，利用可变量控制技术实施施肥、喷药等操作一对其执行效果进行评估。

2、精确林业的基本操作过程

精确林业的出现，使定量获取影响树木长势情况的因素及最终生成的空间差异性信息，实施可变量投入，达到低成本、低消耗、高效率、环保好等目标成为可能。图1是精确林业基本操作过程的示意图，其实施过程可描述为：带GPS和实时传感器的作业机械随时间和空间变化自动采集林间定位及对应林班的树木长势情况数据一通过型、空间分析与技术经济分析模型，通过用户选择最优模型，输入模型的参数，获得仿真运算结果，从而为决策提供辅助支持的依据。在精确林业中，它主要实现对树木长势、病害、虫害的发生趋势进行分析模拟，针对林木生长环境和生长条件的时空差异性，生成处方图，提供各林班施肥喷药方案，对精确林业的实施效果、经济效益进行评估。

3、精确林业的研究现状

3.1国外研究动态

一些发达国家在精确林业相关技术的研究方面发展较快，如在森林土壤类型分析、林地适应性评价、森林生态环境模拟、林木育种以及生长监测和森林收获等领域已有成熟的应用。

美国林务局为每个林管局和林业研究所配备了资源级GPS接收机，主要用于灾害监测和防治的飞机导航、林相图的自动更新和林区作业的定位服务。

美国林务局和伊利诺大学联合开发的SmartForest软件，实现了森林景观的可视化，以DTM三维显示技术为基础，使用GIS作为决策支持媒介来考察景观尺度的资源状况，在林业信息的支持下，可以从不同视角模拟观察森林景观及其变化。

美国太空成像公司对原有的利用卫星RS数据监测火灾的技术和方法进行了归纳、整理和合并，形成了一套基于Internet影像查询系统的、实用的火灾探测算法，该算法具有自适应和区域性敏感的特点，所以适合于区域和全球火灾监测，可以实时获取火灾位置等信息。

Reid等人(2001)研究开发了FIAMODEI。来存储和分析林业数据，主要具有森林现状分析、发展趋势预测、森林生态景观分析、观光风景区内的森林布局等功能，同时，它还可提供林道、河流、边界等数据的查询。

Dimitru和Olson运用空间信息系统集成和卫星数据来确定森林覆盖率。技术路线是，通过像素尺寸的变化来判别树种是否有所增加，对比LandsatTM和SPOY—XS遥感卫星摄像2、3、4波段得到的数据，可以得到林区内较为准确的信息。

美国克罗拉多大学研究开发了一套航空录像的自动配准和校正系统，它是实时获取资源信息的RS工具，克服了影像配准与几何校正的时间太长、费用太高、与精确GIS匹配能力有限的缺点，在不增加过多硬件的基础上，极大降低了人为干预的操作，主要用于监测森林病虫害。

3.2国内研究动态

福建农林大学交通学院研究开发了基于GIS的木材运输决策支持计划系统，它综合运用线形规划和GIS技术，可以协助计划者确定最小费用集运材路径、确定最佳楞场空间位置和木材流分配，目标是在需材单位定货和森林资源条件的约束下，木材集运综合成本最低。

东北林业大学完成了基于WEB和3S技术的森林防火智能决策支持系统的研究，实现了林火数据库、林火预报预防、林火蔓延模型、扑火指挥决策等方面的智能化、网络化管理，使系统能够在互联网上实现运行和信息传输，自动优化系统参数和自动修正模型参数，形成扑火指挥决策支持专家系统。

南京林业大学机电学院开展了利用以机器视觉、图像处理、GPS、GIS、DBMS、DSS、VRT为代表的高新技术从事精确林业的构成、实现、应用等研究，开发了基于机器视觉的室内农药自动精确施用系统。该系统以实验室环境中所建的试验模型为研究对象，模拟农药施用的真实情况，用总结出的一套算法进行图像处理，并以此为依据做出决策控制喷头实现农药的精确施用，分析和探索了在自然环境中基于实时视觉传感技术的农药精确施用的可行性和效果。在实验室内开展了一系列的试验和研究，对施药过程中的运动模拟、树木图像采集、图像分割、施药决策、数据交换、喷雾执行等主要问题和技术难点做了较为深入的探讨和研究，涵盖了基于实时视觉传感技术的农药精确施用的主要技术要点。实验室测试表明，该系统运行良好并有很好的户外应用前景，特别适用于路旁树木的病虫害防治，林木栽植株距较大时，和常规施药方法相比，可节省50%以上的用药量。

此外，该学院还开展了农药精确喷雾机时空数据分析与融合研究，目标是建立集CCD摄像头、GPS、GIS为一体的移动式农药精确喷雾系统，图2为该系统的技术路线图，它的设计思路是：将CCD实时立体摄像系统、GPS、GIS在线地安装在高射程喷雾机上，随着喷雾机的行驶，所有系统均在同一时间脉冲控制下进行实时工作，把GPS精确定位数据和CCD获取的林木数字图像通过处理随时送人GIS中，而G1S中已经存储有电子地图信息和林班图，在GIS平台上有效集成时空数据、属性数据以及历史数据，根据历史上病虫害发生情况和植物保护专家在长期生产中获得的知识，进行病虫害统计趋势模型和技术经济分析，建立农药使用技术专家系统，并根据实时数据分析、图像处理、喷雾目标特征和病虫害防治目标阈值，建立智能决策支持系统，从而可针对当时当地的森林病虫害防治实际需要确定农药投入的种类、数量等，指导自动执行变量投入决策，控制可变量喷头实现农药精确定量喷雾。根据不同林业生产情况及病虫害发生类型、程度，利用此系统来对应控制特定区域做出可变量控制决策而实现农药精确对靶喷雾，在最大程度上杜绝非目标农药沉积，减轻环境污染。

4、精确林业在我国的发展前景

我国已经进行了一定规模的精确农业试点工作，部分技术、产品已趋成型，如由北京农业信息技术中心承担的北京市小汤山精确农业示范工程已进行了谷物测量、水分在线测量、田间信息采集、RS监测作物长势、水分、病虫草害、防治环境监测、GPS采样定位、导航、农业ES分析、农业机械的实时在线控制等试验。林业与农业相比有诸多不同，如森林资源类型多、区域差异大、周期长、干扰多、变化快、条件复杂，决定了精确林业实现的难度要比精确农业大。

在我国，精确林业的理论框架逐步完善，技术体系初步建立，应用领域进一步扩大，产业部门逐渐形成。3S技术及其它高新技术现已经广泛应用于森林资源清查、林地面积实时测量、林界划分、护林防火、飞播造林、荒漠化监测等方面。目前，北京市精确林业示范地建设已经启动，2001年，国家高新技术发展计划(863计划)批准了精确林业课题立项，这标志着精确林业的研究进入了系统集成与平台建立阶段。随着一些经济发达地区精确林业示范地的建立，我国精确林业将由实验转向生产，由技术形成产业，必将拥有广泛的应用前景和强大的生命力。

构建一套林业工人认可(自动化程度高、智能化性能好、操作安全性能好)、森防部门认可(廉价适用、推广潜力大、环境污染小)的精确林业技术体系，将为科学合理地经营管理森林资源、实现森林资源的可持续发展和分类经营提供依据，以推动我国林业建设开创崭新的局面。