農(nóng)林學(xué)類(lèi)論文-“精確林業(yè)”的發(fā)展及其應(yīng)用前景.doc

農(nóng)林學(xué)類(lèi)論文-“精確林業(yè)”的發(fā)展及其應(yīng)用前景作者：張慧春周宏平鄭加強(qiáng)姚會(huì)春論文關(guān)鍵詞：精確林業(yè)GPSGIS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(guò)程和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并對(duì)精確林業(yè)在中國(guó)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)(PrecisionForestry)”應(yīng)運(yùn)而生。所謂精確林業(yè)，即在林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用視覺(jué)傳感器、衛(wèi)星定位等高新技術(shù)，實(shí)時(shí)測(cè)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(guò)對(duì)影響林木生長(zhǎng)的環(huán)境因素實(shí)際存在的時(shí)空差異性的分析，判別林木長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)劣，確定影響長(zhǎng)勢(shì)的原因，提出科學(xué)處方，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)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、施肥和噴藥，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)、造林學(xué)、工程學(xué)、系統(tǒng)學(xué)、控制學(xué)、測(cè)繪學(xué)為指導(dǎo)，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(lèi)傳感器(如CCD攝像頭)和運(yùn)載平臺(tái)(如作業(yè)車(chē)輛、飛機(jī)等)目標(biāo)的空間位置，輔助作業(yè)機(jī)械完成處方實(shí)施.1.2地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(GIS)可以在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)的支持下，存儲(chǔ)、管理、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(lái)，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(lái)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)繪制電子地圖，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(cè)技術(shù)，主要通過(guò)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(shù)木生長(zhǎng)環(huán)境、生長(zhǎng)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(kù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)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(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(zhǎng)勢(shì)、自然條件和歷史數(shù)據(jù)等信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)，它使GIS軟件能充分利用商用數(shù)據(jù)庫(kù)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(zhuān)家系統(tǒng)(ES)和模型系統(tǒng)(SS)，它根據(jù)專(zhuān)家在長(zhǎng)期生產(chǎn)中積累的知識(shí)，建立作物栽培模型、統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)分析與預(yù)測(cè)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(guò)計(jì)算機(jī)控制，對(duì)林木所需用的水、肥料、農(nóng)藥等變量的類(lèi)別和數(shù)量進(jìn)行判斷，根據(jù)需要調(diào)控如植保機(jī)械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)粗放型林業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中造成的資源浪費(fèi)和伴隨的環(huán)境污染問(wèn)題。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行調(diào)控，合理地進(jìn)行施肥、灌溉、施藥等措施。GIS繪制電子地圖，生成林木長(zhǎng)勢(shì)情況分布圖，分析此圖，獲得林區(qū)內(nèi)樹(shù)木長(zhǎng)勢(shì)的差異程度一根據(jù)該圖，對(duì)影響樹(shù)木成長(zhǎng)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(chóng)害、病害發(fā)生情況空間數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，利用樹(shù)木生長(zhǎng)發(fā)育模型、相關(guān)作業(yè)的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)等建立空間智能決策支持系統(tǒng)，確定產(chǎn)生長(zhǎng)勢(shì)差異的原因，生成林木管理處方圖一根據(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(guò)程精確林業(yè)的出現(xiàn)，使定量獲取影響樹(shù)木長(zhǎng)勢(shì)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)到低成本、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(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(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(shù)木長(zhǎng)勢(shì)情況數(shù)據(jù)一通過(guò)型、空間分析與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型，通過(guò)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(shù)木長(zhǎng)勢(shì)、病害、蟲(chóng)害的發(fā)生趨勢(shì)進(jìn)行分析模擬，針對(duì)林木生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)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(guó)外研究動(dòng)態(tài)一些發(fā)達(dá)國(guó)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(yīng)性評(píng)價(jià)、森林生態(tài)環(huán)境模擬、林木育種以及生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和森林收獲等領(lǐng)域已有成熟的應(yīng)用。美國(guó)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(cè)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(guó)林務(wù)局和伊利諾大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的SmartForest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(lái)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(guó)太空成像公司對(duì)原有的利用衛(wèi)星RS數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)，可以實(shí)時(shí)獲取火災(zāi)位置等信息。Reid等人(2001)研究開(kāi)發(fā)了FIAMODEI。來(lái)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(shì)預(yù)測(cè)、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(lái)確定森林覆蓋率。技術(shù)路線是，通過(guò)像素尺寸的變化來(lái)判別樹(shù)種是否有所增加，對(duì)比LandsatTM和SPOYXS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(guó)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(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(zhǎng)、費(fèi)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(chǔ)上，極大降低了人為干預(yù)的操作，主要用于監(jiān)測(cè)森林病蟲(chóng)害。3.2國(guó)內(nèi)研究動(dòng)態(tài)福建農(nóng)林大學(xué)交通學(xué)院研究開(kāi)發(fā)了基于GIS的木材運(yùn)輸決策支持計(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(chǎng)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)綜合成本最低。東北林業(yè)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(kù)、林火預(yù)報(bào)預(yù)防、林火蔓延模型、撲火指揮決策等方面的智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理，使系統(tǒng)