淺探“精確林業”的發展及其應用前景

淺探“精確林業”的發展及其應用前景

摘要：概述了“精確林業”的內涵及其主要支撐技術 (包括 GPS、GIS、RS、DBMS、DSS、VRT等 )、操作過程和國內外研究現狀 ,并對精確林業在中國的發展前景進行了探討。

關鍵詞：精確林業 GPS GIS

　　在現代信息技術、生物技術、工程技術等一系列高新技術的推動下，林業正在進入以知識高度密集為主要特點的知識林業發展階段，于是，“精確林業(Precision　Forestry)”應運而生。所謂精確林業，即在林業生產過程中運用視覺傳感器、衛星定位等高新技術，實時測知工作對象所需工作的質、量和時機等數據，通過對影響林木生長的環境因素實際存在的時空差異性的分析，判別林木長勢優劣，確定影響長勢的原因，提出科學處方，采取技術上可行、經濟上有效的調控措施，消除和減少這些差異，按需定量實施灌溉、施肥和噴藥，以實現最小資源投入、最大林業收益和最少環境危害。
　　1、精確林業的主要支撐技術
　　精確林業以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，以生態學、造林學、工程學、系統學、控制學、測繪學為指導，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、抗干擾性強和自動化程度高等特點。在精確林業中，它主要實現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(如作業車輛、飛機等)目標的空間位置，輔助作業機械完成處方實施.
　　1.2 地理信息系統
　　地理信息系統(GIS)可以在計算機硬件、軟件系統的支持下，存儲、管理、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據，把地理位置和相關屬性有機地結合起來，根據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。在精確林業中，它主要實現對多種來源的時空數據進行存儲、分析和處理，根據數據繪制電子地圖，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。在精確林業中，它主要用于實時地獲取樹木生長環境、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化，實現了﹁體化存儲和初步的一體化查詢，具有很好的完整性，避免了數據過于瑣碎帶來的不便。在精確林業中，它主要用于建立包含林木長勢、自然條件和歷史數據等信息的數據庫，同時，它使GIS軟件能充分利用商用數據庫已經成熟的眾多特性，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)綜合了專家系統(ES)和模型系統(SS)，它根據專家在長期生產中積累的知識，建立作物栽培模型、統計趨勢分析與預測模
　　1.6 可變量控制技術
　　可變量控制技術(VRT)就是根據不同位置及要求自動改變施用比率的技術。它通過計算機控制，對林木所需用的水、肥料、農藥等變量的類別和數量進行判斷，根據需要調控如植保機械向林間噴灑這些變量的速率，使系統能在特定時間對特定目標進行操作規劃，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，它的實施可有效避免傳統粗放型林業生產活動中造成的資源浪費和伴隨的環境污染問題。在精確林業中，它主要實現對生產過程進行調控，合理地進行施肥、灌溉、施藥等措施。GIS繪制電子地圖，生成林木長勢情況分布圖，分析此圖，獲得林區內樹木長勢的差異程度一根據該圖，對影響樹木成長的各項因素進行分析，將地形、土質、土壤肥力、土壤含水量、氣候狀況、蟲害、病害發生情況空間數據輸入計算機，利用樹木生長發育模型、相關作業的專家知識庫等建立空間智能決策支持系統，確定產生長勢差異的原因，生成林木管理處方圖一根據處方圖，生成響應林業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實施施肥、噴藥等操作一對其執行效果進行評估。
　　2、精確林業的基本操作過程
　　精確林業的出現，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，達到低成本、低消耗、高效率、環保好等目標成為可能。圖1是精確林業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據一通過型、空間分析與技術經濟分析模型，通過用戶選擇最優模型，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。在精確林業中，它主要實現對樹木長勢、病害、蟲害的發生趨勢進行分析模擬，針對林木生長環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，對精確林業的實施效果、經濟效益進行評估。
　　3、精確林業的研究現狀
　　3.1 國外研究動態
　　一些發達國家在精確林業相關技術的研究方面發展較快，如在森林土壤類型分析、林地適應性評價、森林生態環境模擬、林木育種以及生長監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、林相圖的自動更新和林區作業的定位服務。
　　美國林務局和伊利諾大學聯合開發的Smart　Forest軟件，實現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星RS數據監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影像查詢系統的、實用的火災探測算法，該算法具有自適應和區域性敏感的特點，所以適合于區域和全球火災監測，可以實時獲取火災位置等信息。
　　Reid等人(2001)研究開發了FIAMODEI。來存儲和分析林業數據，主要具有森林現狀分析、發展趨勢預測、森林生態景觀分析、觀光風景區內的森林布局等功能，同時，它還可提供林道、河流、邊界等數據的查詢。
　　Dimitru和Olson運用空間信息系統集成和衛星數據來確定森林覆蓋率。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。
美國克羅拉多大學研究開發了一套航空錄像的自動配準和校正系統，它是實時

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