論精確林業(yè)的支撐技術(shù)及基本操作工程

摘要:由于人口的急劇增長(zhǎng)、人類對(duì)地球資源的過(guò)度索取以及過(guò)度開發(fā)與工業(yè)化污染環(huán)境的后果，人類的生存面臨日益嚴(yán)重的自然資源短缺和危機(jī)，這也對(duì)林業(yè)生產(chǎn)提出了更多的要求。為了既滿足人類日益增長(zhǎng)的需求又能節(jié)約林業(yè)資源并保持可持續(xù)發(fā)展，精確林業(yè)的概念和實(shí)踐自然走進(jìn)了人們的生活。 概述了“精確林業(yè)”的內(nèi)涵及其主要支撐技術(shù)、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。

關(guān)鍵詞:精確林業(yè) GPS GIS

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。

一、精確林業(yè)的含義

以微電子技術(shù)、通訊技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的信息技術(shù)的發(fā)展，使人類社會(huì)正由傳統(tǒng)的工業(yè)時(shí)代向信息時(shí)代邁進(jìn)，正將世界林業(yè)帶入數(shù)字和信息時(shí)代。它將推動(dòng)電子信息技術(shù)及人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展，引發(fā)林業(yè)科技革命，是21世紀(jì)林業(yè)的重要發(fā)展方向。

所謂精確林業(yè)，是指由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異、定位、定時(shí)、定量地實(shí)施的一整套現(xiàn)代化林業(yè)操作技術(shù)與管理系統(tǒng)。事實(shí)上，這種林業(yè)技術(shù)體系是信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化綜合應(yīng)用的體現(xiàn)，核心是實(shí)時(shí)測(cè)定工作對(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)環(huán)境因素實(shí)際存在的時(shí)空差異性分析，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。并按需定量實(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。制定出針對(duì)性的林業(yè)生產(chǎn)措施，在取得最優(yōu)效果的同時(shí)，減少污染，保護(hù)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

二、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、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)機(jī)械完成處方實(shí)施.

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)。

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。

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。

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(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

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)樹木長(zhǎng)勢(shì)的差異程度一根據(jù)該圖，對(duì)影響樹木成長(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(zhǎng)發(fā)育模型、相關(guān)作業(yè)的專家知識(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。

三、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。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)樹木長(zhǎng)勢(shì)、病害、蟲害的發(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。

四、精確林業(yè)之路

精確林業(yè)是一種基于知識(shí)的林業(yè)技術(shù)體系，是知識(shí)經(jīng)濟(jì)在林業(yè)中的最好體現(xiàn)，也是林業(yè)創(chuàng)新體系主要組成部分，可以說(shuō)是一次世界性林業(yè)科技革命的歷史機(jī)遇。更為重要的是，發(fā)展精確林業(yè)是有效利用生態(tài)資源，實(shí)現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求。我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，地大物博早已成為一種過(guò)時(shí)觀念，因?yàn)槎嗄陙?lái)的粗放性和掠奪性開發(fā)早就造成了自然資源的匱乏，再加上人口眾多，人均資源就更少。比如，人均林地占有量逐年下降，水土流失、氣候異常、環(huán)境污染、土地荒漠化嚴(yán)重，致使自然災(zāi)害愈加頻繁。

在此情況下，實(shí)施精確林業(yè)必然可以優(yōu)化資源，保護(hù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)際上這已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本戰(zhàn)略。但是，在實(shí)施精確林業(yè)上還有很多困難，如實(shí)施精確林業(yè)技術(shù)必須使計(jì)算機(jī)控制的林業(yè)技術(shù)與土地狀況的空間差異精確匹配。我國(guó)疆域遼闊，林業(yè)生產(chǎn)條件復(fù)雜，林業(yè)領(lǐng)域電子計(jì)算機(jī)和信息等技術(shù)應(yīng)用較少，基礎(chǔ)設(shè)施還不先進(jìn)。

精確林業(yè)是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果，是超前性的林業(yè)新技術(shù)，是信息林業(yè)的重要組成部分。結(jié)合國(guó)情、省情，研究發(fā)展適用的精確林業(yè)技術(shù)體系、運(yùn)用體系是必要的。精確林業(yè)的研究與發(fā)展，將有助于人口、資源與環(huán)境方面重大問(wèn)題的解決，有助于林業(yè)資源的高效利用和林業(yè)環(huán)境保護(hù)。GIS作為精確林業(yè)的核心技術(shù)，也應(yīng)適應(yīng)精確林業(yè)需要，作技術(shù)上的改進(jìn)與深入。