林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報理論基礎(chǔ)與技術(shù)集成

朱純祥++張汪炎++胡德松++張國慶

摘要 林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報就是通過對林業(yè)生物災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)建模分析，從中尋找林業(yè)有害生物的種群變化動態(tài)與環(huán)境因子變化之間的關(guān)系，建立預(yù)測預(yù)報模型，實(shí)現(xiàn)林業(yè)生物災(zāi)害預(yù)報在時間、空間、強(qiáng)度等維度有較高分辨率?，F(xiàn)以安徽省潛山縣馬尾松毛蟲為例，潛山縣以現(xiàn)有的監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用SPSS，采用回歸、時間序列與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3種算法建立精細(xì)化預(yù)報模型，通過對歷史發(fā)生數(shù)據(jù)與預(yù)報值的對比分析發(fā)現(xiàn)，采用回歸與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立的預(yù)報模型要優(yōu)于時間序列算法建立的預(yù)報模型，其預(yù)報精度基本能滿足精細(xì)化預(yù)報精度要求。

關(guān)鍵詞 林業(yè)生物災(zāi)害；馬尾松毛蟲；精細(xì)化預(yù)報；生態(tài)論；復(fù)雜系統(tǒng)；技術(shù)集成；安徽潛山

中圖分類號 S718 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）17-0201-03

1 精細(xì)化預(yù)報理論基礎(chǔ)

1.1 精細(xì)化管理

精細(xì)化管理理論淵源于Frederick Winslow Taylor（1856—1915），他在《The Principles of Scientific Management》提出了工人操作管理的基本理論與方法。隨后W. Edwards Deming提出了質(zhì)量控制理論，到了20世紀(jì)50年代，日本推行Deming質(zhì)量控制理論，總結(jié)出了“豐田生產(chǎn)方式”（TPS，Toyota Production System），其中包括了精細(xì)化管理要點(diǎn)[1-6]。

在我國，一開始將精益制造（LM，Lean Manufacturing）或精益生產(chǎn)（LP，Lean Production）作為精細(xì)化管理主體內(nèi)容，后來，精細(xì)管理工程創(chuàng)始人劉先明提出了以“五精四細(xì)”為核心理念的“精細(xì)管理工程”理論[7-11]。

“五精”是指學(xué)習(xí)和運(yùn)用現(xiàn)代企業(yè)管理理論“精髓”，運(yùn)用、總結(jié)和提煉公司運(yùn)作實(shí)踐中的技術(shù)和管理“精華”，精致打造暢通于國家和地方政府主管部門的渠道，精致建好暢通于所有相關(guān)方的管道，精密構(gòu)造公司內(nèi)部各部門、公司總部與分公司、分公司與項目部、公司與相關(guān)部門的關(guān)系，建設(shè)“精品”市場。四細(xì)是指細(xì)分資源和市場，細(xì)分職能和崗位，細(xì)化戰(zhàn)略和目標(biāo)，細(xì)化制度和流程。精細(xì)化管理就是重基礎(chǔ)、重細(xì)節(jié)、重過程、重落實(shí)、重質(zhì)量，專注地做好每一件事，并在每一個細(xì)節(jié)上精益求精，通過精細(xì)化管理，使管理工作做到“四化”，即“復(fù)雜的事情簡單化”“簡單的事情流程化”“流程化的事情定量化”“定量化的事情信息化”。

在劉先明先生的推動下，精細(xì)化管理理論在海爾、海信、美的、紅豆、中國空間技術(shù)研究院、航天科工集團(tuán)三院33所、首都機(jī)場股份有限公司、上海鐵路局、武漢鐵路局、深圳衛(wèi)視、北京建行、山東農(nóng)行、山西省公路局晉城分局等企業(yè)與行政事業(yè)單位得到了應(yīng)用[7-9]。

與此同時，精細(xì)化管理理論在我國也得到了較快發(fā)展，姚小風(fēng)在工廠管理方面，細(xì)化了工廠的生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)設(shè)備管理、物料采購管理、物資倉儲管理、物流配送管理、產(chǎn)品研發(fā)與工藝技術(shù)管理、生產(chǎn)質(zhì)量管理、標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證管理、生產(chǎn)外協(xié)管理、車間現(xiàn)場管理、作業(yè)方式管理、安全管理、成本費(fèi)用控制、行政后勤管理、人力資源管理、環(huán)境衛(wèi)生管理等16個工作大項的管理流程、管理制度、管理方案與范本[12]。

王德敏則在行政事業(yè)單位管理方面提供了“控制內(nèi)容+控制目的+控制制度+控制流程”（明確了行政事業(yè)單位內(nèi)部控制的管理目的，清晰了行政事業(yè)單位內(nèi)部控制的工作內(nèi)容，規(guī)范了行政事業(yè)單位內(nèi)部事項的管理制度，細(xì)化內(nèi)控業(yè)務(wù)的操作流程）四位一體的行政事業(yè)單位內(nèi)部控制精細(xì)化管理全案，細(xì)化了行政事業(yè)單位資金、實(shí)物、無形資產(chǎn)、預(yù)算與結(jié)余、收入、支出、工程項目、合同協(xié)議、政府采購、內(nèi)部審計、財務(wù)報告、財務(wù)管理信息化、人力資源等14類工作事項的規(guī)范化設(shè)計內(nèi)容[13-16]。

張國慶則引入生態(tài)論，將人類社會作為一個復(fù)雜系統(tǒng)，通過系統(tǒng)管理中的系統(tǒng)評價、系統(tǒng)的精確管理與健康管理來實(shí)施精細(xì)化管理，并通過PDCS循環(huán)（Plan，Do，Check，Study），通過主動學(xué)習(xí)、主動糾錯，并將成功的經(jīng)驗繼承并遺傳到下一個管理循環(huán)，從而不斷提高管理水平[17-31]。

1.2 精細(xì)化預(yù)報

張國慶認(rèn)為，對于復(fù)雜系統(tǒng)而言，精細(xì)化預(yù)報實(shí)際上是系統(tǒng)管理理論中系統(tǒng)監(jiān)測與評價中的一個重要組成部分[17-19]。目前，在天氣預(yù)報上，已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用，形成了比較完善的理論與技術(shù)體系，并取得了較好的成果。就天氣預(yù)報而言，精細(xì)化預(yù)報包括“精”和“細(xì)”2個方面（“精”是指天氣預(yù)報要精確，預(yù)報準(zhǔn)確率要高，“細(xì)”是指氣象要素和氣象及相關(guān)災(zāi)害的時空分辨率以及強(qiáng)度、量級的細(xì)化程度）[32-37]。

當(dāng)前，在精細(xì)化天氣預(yù)報技術(shù)上，多采用MM5（由美國大氣研究中心NCAR和美國濱州大學(xué)PSU聯(lián)合研制的中尺度數(shù)值預(yù)報模式，是基于天氣運(yùn)動變化的非線性變化偏微分方程組，用來處理大密度的數(shù)據(jù)，進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算）、WRF（由美國環(huán)境預(yù)測中心NCEP和美國國家大氣研究中心NCAR等開發(fā)的一種統(tǒng)一的氣象模式，用于真實(shí)天氣的個案模擬）模式或中尺度數(shù)值模式。

新一代云端一體化GIS平臺軟件Super Map GIS 7C實(shí)現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)接入與展示、歷史資料查詢、天氣預(yù)報制作、在線訂正、快速制圖等功能，可以提供統(tǒng)一的省、市、縣三級聯(lián)動，逐級指導(dǎo)的天氣預(yù)報制作平臺，精細(xì)化預(yù)報空間分辨率可達(dá)1 km×1 km，時間分辨率可達(dá)1 h，基本上能滿足天氣預(yù)報尤其是災(zāi)害性天氣預(yù)報“定量、定時、定點(diǎn)”的精細(xì)化要求。

1.3 生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報

生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報是系統(tǒng)健康管理理論在生物災(zāi)害管理中的應(yīng)用，是生物災(zāi)害精確管理的重要環(huán)節(jié)與組成部分。生物災(zāi)害精確管理的理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)健康管理理論，包括精密監(jiān)測（即精細(xì)化預(yù)報）、GCSP管理和精確治理等，其中精密監(jiān)測（精細(xì)化預(yù)報）就是對生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)的、實(shí)時的監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)建立預(yù)測預(yù)報模型，對生物災(zāi)害進(jìn)行精細(xì)化預(yù)測預(yù)報[38-55]。endprint

同樣地，像天氣的精細(xì)化預(yù)報一樣，生物災(zāi)害的精細(xì)化預(yù)報也包括2個方面，在“精”的方面，預(yù)報準(zhǔn)確率要高；在“細(xì)”的方面，生物災(zāi)害的時間、空間、強(qiáng)度等維度的分辨率盡可能地做到小，最大限度地滿足生產(chǎn)實(shí)踐需要。

2 林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報技術(shù)基礎(chǔ)與集成

2.1 技術(shù)基礎(chǔ)

林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)林業(yè)有害生物的生物生態(tài)學(xué)特性，通過對林業(yè)生物災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累與建模分析，從中尋找林業(yè)有害生物的種群變化動態(tài)與環(huán)境因子變化之間的關(guān)系，建立預(yù)測預(yù)報模型，實(shí)現(xiàn)林業(yè)生物災(zāi)害預(yù)報在時間、空間、強(qiáng)度等維度有較高分辨率。生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報的技術(shù)基礎(chǔ)，一是積累生物災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)素材，二是積極運(yùn)用空間遙感技術(shù)和信息處理技術(shù)，三是引入復(fù)雜系統(tǒng)生態(tài)論中的能流、TSE（TSDA，Time-Space Dynamic Analysis About Event）、代謝分析等分析方法，創(chuàng)建新的預(yù)報算法，建立較為精準(zhǔn)的預(yù)報模型。

2.2 技術(shù)集成

2.2.1 數(shù)據(jù)獲取。盡管當(dāng)前以人工地面監(jiān)測為主，對于林業(yè)生物災(zāi)害監(jiān)測而言，還是應(yīng)該盡快應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行林業(yè)有害生物發(fā)生范圍、發(fā)生強(qiáng)度監(jiān)測為主，人工地面監(jiān)測為輔，來快速獲取更為準(zhǔn)確的林業(yè)生物災(zāi)害空間維與強(qiáng)度維數(shù)據(jù)。對于時間維度的數(shù)據(jù)獲取，可以借助燈光誘集、化學(xué)誘集（尤其是性誘集）或遠(yuǎn)程視頻、標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查等技術(shù)手段，以及借助生命表分析技術(shù)，以獲取林業(yè)有害生物時間維度數(shù)據(jù)和當(dāng)前種群變化趨勢數(shù)據(jù)[45，49，56-58]。

2.2.2 預(yù)報算法。在時間維度上，林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報主要內(nèi)容有發(fā)生期預(yù)報和防治關(guān)鍵期預(yù)報；在空間維度上，林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報主要內(nèi)容有發(fā)生范圍預(yù)報；在強(qiáng)度維度上，林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報主要內(nèi)容有危害程度預(yù)報。發(fā)生期、危害程度預(yù)報可以采用回歸、時間序列與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法建立預(yù)報模型；防治關(guān)鍵期預(yù)報可以采用回歸、時間序列與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法，結(jié)合事因鏈中關(guān)鍵事因分析（key factor analysis）算法建立預(yù)報模型；發(fā)生范圍預(yù)報可以直接使用Arc GIS空間分析技術(shù)進(jìn)行預(yù)報，如果僅僅只是預(yù)測發(fā)生面積，也可以采用回歸、時間序列或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法建立預(yù)報模型。

分析建模工具可以根據(jù)需要選擇SSPS、MATLAB或Arc GIS，選擇好分析工具和預(yù)報算法后，可以采用TSE、系統(tǒng)代謝分析（metabolic analysis）、系統(tǒng)房室分析（atrioventricular analysis）或元胞自動機(jī)（CA，Cellular Automaton）等方法，在Arc GIS上進(jìn)行精確描述、分析和仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，發(fā)布林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報[46-49]。

2.2.3 預(yù)報發(fā)布。通過網(wǎng)絡(luò)、微信以及短信、電視、廣播、簡報等形式進(jìn)行發(fā)布，對于邊遠(yuǎn)落后地區(qū)的重大林業(yè)生物災(zāi)害的發(fā)生，尤其要重視紙質(zhì)簡報的發(fā)布。

2.2.4 預(yù)報質(zhì)量與效益評估。

預(yù)報質(zhì)量可以用預(yù)報值與實(shí)際發(fā)生值的相對差值，也即預(yù)報準(zhǔn)確率來表示：

預(yù)報準(zhǔn)確率（%）=1-■×100

預(yù)報效益可以采用精細(xì)化預(yù)報與傳統(tǒng)預(yù)報效益差值表示，其效益可以用林業(yè)生物災(zāi)害損失來表示?？梢酝ㄟ^對當(dāng)前預(yù)報質(zhì)量與預(yù)報效益的評估，或者系列評估值的分析，為林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報管理中的PDCS提供依據(jù)，通過林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報管理的PDCS循環(huán)，不斷提高林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報水平。

2.3 潛山縣馬尾松毛蟲精細(xì)化預(yù)報

由于當(dāng)前我國林業(yè)生物災(zāi)害尚未開展基于小班的監(jiān)測，缺少基于小班的監(jiān)測數(shù)據(jù)，因此本次精細(xì)化預(yù)報試驗沒有進(jìn)行基于Arc GIS的發(fā)生范圍建模試驗分析。

2.3.1 數(shù)據(jù)獲取。通過人工地面調(diào)查和國家中心測報點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查獲取發(fā)生期、發(fā)生面積（發(fā)生量、發(fā)生強(qiáng)度）數(shù)據(jù)，通過性誘劑和蟲情測報燈獲取成蟲發(fā)生期數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)由國家氣候信息中心提供。

2.3.2 預(yù)報算法。發(fā)生期、發(fā)生面積（發(fā)生量、發(fā)生強(qiáng)度）使用SPSS，采用回歸、時間序列與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)3種算法建立精細(xì)化預(yù)報模型。

2.3.3 預(yù)報發(fā)布。定期通過潛山縣政府網(wǎng)、潛山縣政府信息公開網(wǎng)向全社會公開發(fā)布預(yù)報信息，通過潛山縣電子政務(wù)平臺和QQ群定點(diǎn)推送預(yù)報信息，同時向基層林業(yè)站發(fā)送紙質(zhì)預(yù)報簡報。

2.3.4 預(yù)報質(zhì)量評估。通過對歷史發(fā)生數(shù)據(jù)與預(yù)報值的對比分析發(fā)現(xiàn)，采用回歸與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立的預(yù)報模型要優(yōu)于時間序列算法建立的預(yù)報模型，其預(yù)報精度基本能滿足精細(xì)化預(yù)報精度要求。

3 林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報管理技術(shù)

林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報管理是林業(yè)生物災(zāi)害管理的一部分，是林業(yè)生物災(zāi)害精確管理的基礎(chǔ)，是保障林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報質(zhì)量與水平的重要措施。林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報實(shí)際上是一個復(fù)雜系統(tǒng)，因此林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報管理可以運(yùn)用系統(tǒng)健康管理原理，采取系統(tǒng)管理技術(shù)措施，以高效地達(dá)到林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報工作組織目標(biāo)。具體說來，就是通過對林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報質(zhì)量的評估，利用PDCS管理技術(shù)，通過學(xué)習(xí)與糾錯，不斷提高預(yù)報水平。

4 結(jié)語

就當(dāng)前而言，對于林業(yè)生物災(zāi)害精細(xì)化預(yù)報來說，關(guān)鍵是要改變傳統(tǒng)的以地面監(jiān)測為主的思維與做法，重點(diǎn)是要開展對現(xiàn)有遙感照片的林業(yè)生物災(zāi)害信息和森林資源信息的快速解讀技術(shù)研究，引入先進(jìn)的數(shù)學(xué)、系統(tǒng)學(xué)、信息學(xué)分析技術(shù)與工具，創(chuàng)新林業(yè)生物災(zāi)害預(yù)測算法，將林業(yè)生物災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)與森林資源二類清查數(shù)據(jù)復(fù)合，以小班為基本預(yù)測單位，建立以GIS和互聯(lián)網(wǎng)為平臺的智能化預(yù)報專家系統(tǒng)。

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