大數(shù)據(jù)在森工行業(yè)的應(yīng)用前景

趙　塵

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037)

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大數(shù)據(jù)在森工行業(yè)的應(yīng)用前景

趙塵

(南京林業(yè)大學 土木工程學院，南京 210037)

摘要：大數(shù)據(jù)是指超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具的抓取、存儲、管理和分析能力的數(shù)據(jù)群，具有大量化、多樣化、快速化和價值的特征，大數(shù)據(jù)技術(shù)對海量數(shù)據(jù)進行存儲、分析和展示。本文闡述了森工行業(yè)在分析森林資源、森林環(huán)境、森工產(chǎn)品、森工服務(wù)，以及森工科研上對大數(shù)據(jù)的需求，以支持資源調(diào)查、建設(shè)規(guī)劃和開發(fā)利用設(shè)計，采集、分析和預測森林環(huán)境因子，優(yōu)化木材和林特產(chǎn)品生產(chǎn)和供應(yīng)，規(guī)劃森工服務(wù)項目和產(chǎn)品的開發(fā)和管理。從政府監(jiān)控、數(shù)據(jù)開放服務(wù)、森工生產(chǎn)、森林工程研究方面分析了大數(shù)據(jù)在森工行業(yè)的應(yīng)用前景。具體闡述了國外林產(chǎn)物流供應(yīng)鏈管理的MHG系統(tǒng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用案例，以及大數(shù)據(jù)對森工科研的數(shù)據(jù)采集、管理、分析、輸出的數(shù)據(jù)密集型科技支持途徑。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；森林工程；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)據(jù)開放；發(fā)展展望

0引言

近幾十年來信息技術(shù)的發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)已從硬件轉(zhuǎn)向軟件，然后再轉(zhuǎn)向了數(shù)據(jù)，近年來更是從傳統(tǒng)的常規(guī)數(shù)據(jù)概念轉(zhuǎn)向大數(shù)據(jù)(Big Data)的概念。

大數(shù)據(jù)是指大小超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具的抓取、存儲、管理和分析能力的數(shù)據(jù)群[1]。大數(shù)據(jù)包含了人類歷史和當今正在收集的關(guān)于自然、社會和經(jīng)濟等全方位的數(shù)據(jù)信息。據(jù)估算，全球的電子數(shù)據(jù)總量在2011年已達到1.8ZB(1ZB=1021 Byte)，且每兩年增加1倍(與描述計算機芯片性能發(fā)展速度的摩爾定律相符)，預計到2015年可達到8ZB，2020年達到35ZB[2]。

1大數(shù)據(jù)的概念

大數(shù)據(jù)的特征是4V(Volume，Variety，Velocity，Value)，即大量化、多樣化、快速化和價值。大量化(Volume)是指海量數(shù)據(jù)，以拍字節(jié)(PB，1015 Byte)以上的數(shù)量級來衡量[1]，需知：一頁紙上的文字約為5KB(1kB=103 Byte)，一首MP3格式的歌曲約為4MB(1MB=106 Byte)，一部影片約為1GB(1GB=109 Byte)，美國國會圖書館的所有印刷版書本的數(shù)據(jù)量為15TB的數(shù)量級(1TB=1012 Byte)，美國郵政局一年處理的信件約為5PB，而谷歌每小時處理的數(shù)據(jù)為1PB。

多樣化(Variety)指數(shù)據(jù)類型繁多，包括數(shù)字、文本等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和圖片、音頻、視頻等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以網(wǎng)絡(luò)日志、生產(chǎn)和消費記錄、地理信息、文檔、網(wǎng)頁、電子郵件、社交媒體等具體形式存在?？焖倩?Velocity)指數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、處理快速；大數(shù)據(jù)主要來源于互聯(lián)網(wǎng)，按照1秒定律，可從各種類型的數(shù)據(jù)中快速獲得高價值的信息。價值(Value)一方面是指大數(shù)據(jù)有著傳統(tǒng)常規(guī)數(shù)據(jù)處理達不到的特殊高價值，又表示單位數(shù)據(jù)的價值很低，即價值密度低。

大數(shù)據(jù)技術(shù)就是從各種各樣類型的數(shù)據(jù)中，快速獲得有價值信息的技術(shù)能力。大數(shù)據(jù)最核心的價值就是在于對于海量數(shù)據(jù)進行存儲和分析。大數(shù)據(jù)分析中大量采用統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)挖掘(分類、關(guān)聯(lián)、聚類、預測和可視化等)、模型分析(預測模型、機器學習和建模仿真)、知識發(fā)現(xiàn)等技術(shù)。圖1為大數(shù)據(jù)技術(shù)的基本框架。

圖1　大數(shù)據(jù)技術(shù)基本框架Fig.1 Basic framework of Big Data technology

大數(shù)據(jù)的成功應(yīng)用已產(chǎn)生重大價值。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用廣泛，幾乎涉及各個領(lǐng)域：食品、醫(yī)療、資源、能源、通信、交通、商業(yè)、金融、工程、環(huán)保、文化和安全等。簡言之，大數(shù)據(jù)的來源和應(yīng)用全方位覆蓋了人類的吃穿住行、收集的自然現(xiàn)象、全社會的經(jīng)濟文化活動。大數(shù)據(jù)的一些典型應(yīng)用例證包括：沃爾瑪對啤酒和尿布的捆綁銷售[3]、美國航班延誤分析系統(tǒng)[3]、紐約市教師教學效果評估[4]、廣聯(lián)達的數(shù)據(jù)銷售[5]、基于大數(shù)據(jù)的波士頓交通智能化等[6]。

2森工行業(yè)對大數(shù)據(jù)的需求

在我國林業(yè)生態(tài)體系和林業(yè)產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)中，森林工程行業(yè)肩負著森林資源建設(shè)、管理與保護以及森工產(chǎn)品和服務(wù)開發(fā)的使命。森林資源和環(huán)境建設(shè)、森工產(chǎn)品生產(chǎn)和消費均對大數(shù)據(jù)提出了迫切的需求。

2.1森林資源分析

從森林資源調(diào)查、規(guī)劃、建設(shè)到開發(fā)利用的全過程，均需要掌握詳盡的資源分布數(shù)據(jù)，包括空間分布和時間變化情況。森林資源具有自然屬性和非自然屬性，自然屬性主要是指森林資源狀況，非自然屬性包括森林經(jīng)營歷史、經(jīng)營條件及未來發(fā)展等方面。

五年一次的全國森林資源清查(一類調(diào)查)就需要大量使用衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)(3S)的大數(shù)據(jù)，綜合歷史數(shù)據(jù)，分析資源動態(tài)變化，預測發(fā)展趨勢。

規(guī)劃設(shè)計調(diào)查(森林經(jīng)理調(diào)查、二類調(diào)查)立足于林業(yè)基層生產(chǎn)單位(林業(yè)局或林場)，全面掌握森林資源的現(xiàn)狀及變動情況，分析以往的經(jīng)營活動效果，為編制基層生產(chǎn)單位的森林經(jīng)營方案或總體設(shè)計等提供可靠的科學數(shù)據(jù)。二類調(diào)查的數(shù)據(jù)粒度為小班(林業(yè)生產(chǎn)基本單位)，包括各地類小班的面積、蓄積量、生長量和枯損量等。

林業(yè)基層生產(chǎn)單位為滿足伐區(qū)設(shè)計、造林設(shè)計、撫育采伐設(shè)計和林分改造等而進行的資源調(diào)查，均屬作業(yè)設(shè)計調(diào)查(三類調(diào)查)。其目的是清查一個伐區(qū)內(nèi)或者一個撫育改造林分范圍內(nèi)的森林資源數(shù)量、出材量、生長狀況和結(jié)構(gòu)規(guī)律等，據(jù)以確定采伐或撫育改造的方式、采伐強度，預估出材量以及擬定更新措施和工藝設(shè)計等。

2.2森林環(huán)境分析

對林木個體和森林群落而言，森林環(huán)境是指森林所處的空間及其影響森林生長和發(fā)育的一切因素總和。對森林工程來說，森林環(huán)境就是影響森林工程作業(yè)的森林地理環(huán)境、森林生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟環(huán)境等因素的總和。

地理環(huán)境是指一定區(qū)域所處的地理位置以及與此相聯(lián)系的各種自然條件的總和，包括氣候、土地、河流、湖泊、山脈、礦藏以及動植物資源等。

森林的生長依賴于其生活的環(huán)境，即森林植物有機體生存空間內(nèi)各種自然因素的總和，這就是森林生態(tài)環(huán)境。同時森林對環(huán)境也具有一定的影響和改造作用。

把各種自然因素條件單位稱為環(huán)境因子，如氣候因子、土壤因子、地形因子和生物因子等。對森林植物的生長發(fā)育有著直接或間接影響的環(huán)境因子稱為生態(tài)因子，如溫度、濕度、食物、氧氣和其他相關(guān)生物等。生態(tài)因子可以劃分為氣候、土壤、地形、生物和人為共5類因子。

對森林環(huán)境的分析是一個多學科協(xié)作的共同體，需要地理、地質(zhì)、氣象、生物、非生物以及人類活動多方面的大量數(shù)據(jù)、知識和技術(shù)支撐，迫切需要大數(shù)據(jù)的支持。

2.3森工產(chǎn)品分析

森林是多資源的復合體，包括土地、立木、地被物、野生動物和微生物等，主要可為人類提供木材、竹材、薪材和工業(yè)原料等林產(chǎn)品，提供干鮮果品、木本糧油、食用菌類、藥用植物以及野生動物等。森林是原材料和能源的生產(chǎn)基地，木材是國家建設(shè)和人民生活不可缺少的重要物資，主要作為建筑材料、造紙原料及各種工藝用材。

木材產(chǎn)品面向國內(nèi)外大市場，生產(chǎn)必須符合消費需要。木材產(chǎn)品的品種、規(guī)格、價格、質(zhì)量、市場、供應(yīng)、運輸、貯存和消費逐漸形成了一體化的市場機制，必須分析各種產(chǎn)品生產(chǎn)和消費的空間和時間分布狀況，涉及到木材資源、生產(chǎn)技術(shù)、投資格局、勞動力供應(yīng)、木材物流和消費市場等全方位信息，離不開大數(shù)據(jù)及其分析技術(shù)的支持。

2.4森工服務(wù)分析

森林工程除了為社會提供森工產(chǎn)品以外，還可提供景觀旅游、文化生活、休閑娛樂等服務(wù)功能，已經(jīng)成為人類精神文明不可或缺的組成部分。這就將森林資源、森林環(huán)境、人文環(huán)境、社會經(jīng)濟、生態(tài)文明和人類精神生活等關(guān)聯(lián)起來。這是一個更大的市場，呈現(xiàn)出日趨重要、發(fā)展迅猛、需求旺盛的前景。

對森工服務(wù)項目和產(chǎn)品的開發(fā)、規(guī)劃和管理，需要詳細分析服務(wù)的資源、消費需求、消費者心理和文化狀況、軟硬件的建設(shè)、交通運輸、可持續(xù)發(fā)展等眾多方面的數(shù)據(jù)，這是個跨學科、跨行業(yè)的大數(shù)據(jù)分析，覆蓋了人、財、物、時間、空間的全面、綜合、復雜的數(shù)據(jù)收集、分析、預測和管理。

2.5科學研究

科學研究存在著4種范式：科學實驗、科學理論、模擬計算、數(shù)據(jù)密集型?？茖W實驗產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，科學理論闡述這些數(shù)據(jù)并產(chǎn)生一系列的概念和原理。模擬范式則適用于復雜問題的解決，如森林作業(yè)生態(tài)效應(yīng)模擬、復雜系統(tǒng)的蝴蝶效應(yīng)模擬、人腦存儲傳輸處理信息的運行模擬等。模擬方法正在產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。而今，數(shù)據(jù)爆炸又將理論、實驗和計算仿真統(tǒng)一起來，出現(xiàn)了新的數(shù)據(jù)密集型范式[2]。

數(shù)據(jù)密集型科學由數(shù)據(jù)的采集、管理和分析3個基本活動組成。數(shù)據(jù)的來源構(gòu)成了密集型科學數(shù)據(jù)的生態(tài)環(huán)境，主要有實驗室實驗、自然資源和環(huán)境檢測、人的社會活動監(jiān)測、地理信息、個人生活、企業(yè)活動和政府信息等，涉及多學科的大規(guī)模數(shù)據(jù)。例如森林旅游交通信息就涉及到道路、交通信號、車輛、駕駛?cè)?、行人、交警、交通法?guī)、天氣和旅游活動，如商業(yè)、游憩、娛樂和教育等。

3大數(shù)據(jù)在森工行業(yè)應(yīng)用前景分析

3.1政府監(jiān)控和數(shù)據(jù)開放服務(wù)

政府部門對森工行業(yè)的指導和監(jiān)控反映在一系列跨地域、跨時域的大數(shù)據(jù)上，包括對各地各林區(qū)各企業(yè)的資源監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、采伐限額、國有資產(chǎn)管理、安全生產(chǎn)管理、防火防災(zāi)和地理信息服務(wù)等。在這些大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，要進行資源統(tǒng)計和預測、環(huán)境變化分析和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向分析等。林業(yè)部門擁有了歷年來海量的林業(yè)信息、地理信息、生產(chǎn)信息、科教信息和政務(wù)信息等數(shù)據(jù)資源，通過數(shù)據(jù)開放可以更好地制定政策、服務(wù)社會、管理行業(yè)，促進林業(yè)生態(tài)、產(chǎn)業(yè)、文化和文明的發(fā)展，提高管理和服務(wù)技術(shù)水平。

多年來，美國和西歐發(fā)達國家的政府已經(jīng)逐步開放政府信息，擴大服務(wù)社會。在美國，自1966年開始實施《信息自由法》，到2007年實施《政府開放法》，政府信息迅速開放，目前開放率達到90%以上。政府數(shù)據(jù)開放(Data.gov)覆蓋了政府采集的原始數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)以及相關(guān)的數(shù)據(jù)分析工具和數(shù)據(jù)可視化工具，這些大數(shù)據(jù)涉及各行業(yè)、民生、社會、經(jīng)濟和科技的所有方面。

中國政府也于2008年開始實施《政府信息開放條例》，以發(fā)揮政府信息對人民群眾生產(chǎn)、生活和經(jīng)濟社會活動的服務(wù)作用，跟上世界上現(xiàn)代政府的發(fā)展步伐。2015年9月，國務(wù)院發(fā)布了《促進大數(shù)據(jù)發(fā)展行動綱要》，系統(tǒng)部署大數(shù)據(jù)發(fā)展工作。

互聯(lián)網(wǎng)搜索的發(fā)展讓越來越多的的人開始在網(wǎng)絡(luò)上快速查找林業(yè)和森工資源?；诰W(wǎng)上大數(shù)據(jù)的分析，可以預警森林病蟲害、火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展，也可分析各種森工產(chǎn)品的生產(chǎn)、貯存和銷售等趨勢，還可預測森林公園、旅游景區(qū)等的游客人數(shù)變化等。

3.2森工行業(yè)生產(chǎn)

森工行業(yè)主要生產(chǎn)木質(zhì)產(chǎn)品，可以利用大數(shù)據(jù)分析木材的需求和價格趨勢。通過物聯(lián)網(wǎng)收集木材的生產(chǎn)、物流、交易、供應(yīng)信息，分析市場需求模式，從而推行精準營銷、柔性生產(chǎn)，更好地滿足消費者需求，提升森工產(chǎn)品的市場競爭力。

林業(yè)物流是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。獲得物聯(lián)網(wǎng)支持的物流系統(tǒng)，可以使物資流通成本大大降低，使物流運輸效率極大提高。而且在物資運輸過程上，可以實現(xiàn)“精確運輸”，真正實現(xiàn)物流的信息化。對于物流來說，物聯(lián)網(wǎng)所需要用到的感應(yīng)器主要應(yīng)用在貨物、交通工具等方面[7]。

芬蘭MHG系統(tǒng)公司是世界領(lǐng)先的生物能源ERP系統(tǒng)供應(yīng)商。它提供基于信息技術(shù)服務(wù)與數(shù)字地圖服務(wù)的各種解決方案，主要服務(wù)于能源、生物燃料、林木收獲、采伐、運輸、林業(yè)管理和林木產(chǎn)業(yè)，可覆蓋從林區(qū)到生物能源熱電廠的整個供應(yīng)鏈，包括從林地到發(fā)電廠的生物質(zhì)能源材料的收獲、運輸、倉儲、分配的全過程的精細化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。MHG ERP系統(tǒng)提供野外現(xiàn)場應(yīng)用、后方系統(tǒng)中心應(yīng)用和辦公室應(yīng)用3個主要功能模塊，如圖2所示。其中野外現(xiàn)場應(yīng)用模塊采用傳感器、移動設(shè)備、智能手機、PDAs、筆記本電腦、Auto GPS和電子地圖軟件，實現(xiàn)伐區(qū)和運輸車輛的實時信息采集、交流、傳輸，包括目標地點方位數(shù)據(jù)的GPS采集、電子地圖定位和傳輸、車輛方位和道路跟蹤、單車燃料消耗記錄和CO2排放等。

圖2　林產(chǎn)物流供應(yīng)鏈管理的MHG系統(tǒng)組成和功能Fig.2 Function of MFG system for forestproducts supply-chain management

3.3森林工程研究

如前所述，數(shù)據(jù)密集型科學由數(shù)據(jù)的采集、管理和分析三個基本活動組成，涉及多學科的大規(guī)模數(shù)據(jù)。森林工程學科研究森林資源、森林環(huán)境、工程經(jīng)濟、森林服務(wù)的發(fā)展變化規(guī)律，優(yōu)化資源、環(huán)境的整體開發(fā)和可持續(xù)經(jīng)營，大數(shù)據(jù)以原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)等形式可對森工科學研究提供有力的支持。

3.3.1原始數(shù)據(jù)支持

一方面，林業(yè)和森工行業(yè)產(chǎn)生了大量有關(guān)資源、環(huán)境、產(chǎn)品的原始信息數(shù)據(jù)，分散掌握在政府部門、企業(yè)、科研院所，但由于缺乏共享機制，大多數(shù)沒有發(fā)揮出應(yīng)有的整體效益。

隨著大數(shù)據(jù)的開放，科研人員可以方便地獲取行業(yè)數(shù)據(jù)，從而有效地開展研究，提高科研投入產(chǎn)出效益。例如，大比例尺的遙感信息、林業(yè)和森工從業(yè)人員信息、森林工程投資項目信息、森工機械裝備信息、森林資源調(diào)查原始數(shù)據(jù)等均可為相關(guān)的科研項目提供原始數(shù)據(jù)依據(jù)[8]。國內(nèi)外森工作業(yè)工傷數(shù)據(jù)可支撐工傷規(guī)律的研究，以便提高安全生產(chǎn)水平。各地森林各樹種的碳吸收、碳呼吸研究數(shù)據(jù)的共享有利于森林碳匯、碳交易、碳平衡的研究[9-10]。森工機械設(shè)備的材料、制造工藝、性能指標和使用情況等數(shù)據(jù)對森林作業(yè)的生態(tài)足跡、生態(tài)效率和生態(tài)包袱的研究尤為重要。森林工程項目的規(guī)劃、設(shè)計離不開詳盡的森林資源和環(huán)境數(shù)據(jù)以及眾多的經(jīng)濟、法律、政策信息和案例數(shù)據(jù)[11-12]。

3.3.2數(shù)據(jù)分析支持

利用大數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，可為森工科研提供有效的支持。傳統(tǒng)的研究是小而全的，從數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分析、模型建立到模型數(shù)據(jù)展現(xiàn)均由研究人員自己獨立進行，研究工作效率低下。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的開放，研究人員可以便捷地利用各種分析工具，加大研究的廣度和深度。采用數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)，研究者可以探尋不同采伐方式、集材方式對資源環(huán)境的長短期影響規(guī)律，可以研究不同地形條件下的作業(yè)方式、作業(yè)機械優(yōu)化問題，研究風景旅游項目的投入產(chǎn)出績效等問題。

森林工程面臨的是復雜的生態(tài)環(huán)境經(jīng)濟問題，尤其需要對大規(guī)模的各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，以尋找復雜系統(tǒng)的變化規(guī)律，預測其發(fā)展趨勢，并通過敏感性分析研究不同因素的影響效果，從而有效地指導森工生產(chǎn)和建設(shè)。

大數(shù)據(jù)提供了各種可視化技術(shù)。大數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果以數(shù)據(jù)表格、圖形和模擬仿真動畫等形式表達。按照研究需要，這些展示內(nèi)容可以反映具體的生產(chǎn)工藝流程、工程進度圖表、效益分析圖表、人力機械材料需求圖表和工程質(zhì)量分析圖表等。

4結(jié)束語

大數(shù)據(jù)的發(fā)展正方興未艾，為森林工程行業(yè)的發(fā)展提供了一次機遇。大數(shù)據(jù)的應(yīng)用必將促進森林工程生產(chǎn)、建設(shè)、管理、服務(wù)、科研、教育的集約化、精細化和科學化，從而提高森工行業(yè)的競爭力，提升森工生產(chǎn)力水平和生態(tài)文明建設(shè)水平。

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The Application Trend of Big Data in Forest Engineering Industry

Zhao Chen

(College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037)

Abstract：Big Data is a group of data beyond the capacity of traditional database software tools to grab，store，manage and analyze.Big Data is characterized by great quantity，diversification，fast and value.Big Data technology can store，analyze and display massive data.Forest engineering has great demands on Big Data in the analysis of forest resources，forest environment，forest products and forest engineering services，as well as in scientific research.Big Data can support the survey，planning and utilization design of forest resources.With the help of Big Data，the forest environment factors can be collected，analyzed and predicted；the production and supply of timber and forest products can be optimized；the forest service projects can be developed and planned.The application of Big Data in the fields of government’s monitoring，data opening services，forest production analysis and forest engineering researches was prospected.Specifically，the application case of Big Data in the forestry supply chain management with MHG system was elaborated.The way of data-intensive science and technology support with Big Data to the collection，management，analysis and output of research data was given.

Keywords：Big Data；forest engineering；Internet of Things；data opening；development trend

中圖分類號：S 757；TP 393

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X(2016)03-0032-04

作者簡介：第一趙塵，碩士，教授。研究方向：森林工程。E-mail:czh@njfu.edu.cn

基金項目：江蘇高校優(yōu)勢學科建設(shè)工程資助項目(PAPD)

收稿日期：2015-10-14

引文格式：趙塵.大數(shù)據(jù)在森工行業(yè)的應(yīng)用前景[J].森林工程，2016，32(3)：32-35.