我國(guó)林業(yè)地理信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新

趙修莉，馮仲科，常 晨，朱 妍

(北京林業(yè)大學(xué) 精準(zhǔn)林業(yè)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

0 引 言

地理信息的應(yīng)用從根本上改變了傳統(tǒng)的森林資源信息管理的方式，成為現(xiàn)代林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理的嶄新工具隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)森林資源的開(kāi)發(fā)、利用和保護(hù)需要及時(shí)跟上發(fā)展的步伐，掌握資源動(dòng)態(tài)變化，做出正確決策就顯得尤為重要[1]。因林業(yè)自身的森林資源地域遼闊性和再生性，森林生長(zhǎng)的長(zhǎng)期性和成熟的不確定性等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的管理手段已不能滿足林業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。而地理信息系統(tǒng)可以及時(shí)、快速準(zhǔn)確地獲取森林資源的各種數(shù)據(jù)，為森林資源管理和決策提供優(yōu)質(zhì)高效的服務(wù)[2]。本文將從林業(yè)地理信息特征、產(chǎn)業(yè)需求、裝備創(chuàng)新3個(gè)方面進(jìn)行闡述。

1 林業(yè)地理信息特征

地理信息地理數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含和表達(dá)的地理含義，是與地理環(huán)境要素有關(guān)的物質(zhì)的數(shù)量、質(zhì)量、性質(zhì)、分布特征、聯(lián)系和規(guī)律的數(shù)字、文字、圖像和圖形等的總稱。地理信息屬于空間信息，是通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)的，地理信息系統(tǒng)區(qū)別于其他類型信息最顯著的標(biāo)志，是地理信息的定位特征。通過(guò)地理坐標(biāo)x,y,z實(shí)現(xiàn)空間中線、面、體位置的識(shí)別，空間數(shù)據(jù)是數(shù)字地球的基礎(chǔ)信息，數(shù)字地球功能的絕大部分將以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，現(xiàn)在空間數(shù)據(jù)已廣泛應(yīng)用于社會(huì)各行業(yè)、各部門(mén)，如城市規(guī)劃、林業(yè)、交通、航空航天等。

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，林業(yè)資源信息面對(duì)大量的數(shù)據(jù)、種類繁多、來(lái)源廣泛、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和獲取成本等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的森林資源信息管理手段已不再適用于現(xiàn)代社會(huì)的森林資源經(jīng)營(yíng)管理，根據(jù)GIS的功能特點(diǎn)，其應(yīng)用能力能為其提供新型的服務(wù)，并成為現(xiàn)代林業(yè)資源科學(xué)管理的重要工具?？蓱?yīng)用GIS對(duì)森林生態(tài)與地形地勢(shì)、土壤狀態(tài)、氣象氣候等林業(yè)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)及管理。

林業(yè)地理信息作為近年來(lái)將林業(yè)與地理信息結(jié)合的新興產(chǎn)業(yè)，其主要特征為：資源分布的空間廣域性、森林演替過(guò)程的時(shí)空性、人類對(duì)森林資源利用和經(jīng)營(yíng)的機(jī)理性、環(huán)境對(duì)森林資源的數(shù)量和質(zhì)量的依賴性、受損森林恢復(fù)再建的周期性、森林結(jié)構(gòu)時(shí)空異常復(fù)雜性、中國(guó)森林生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要性及全球森林生態(tài)系統(tǒng)模型的精確性[3]。將解決傳統(tǒng)林業(yè)調(diào)查儀器和調(diào)查方法難以滿足現(xiàn)代林業(yè)數(shù)字化和精準(zhǔn)化發(fā)展的問(wèn)題[4]。

2 林業(yè)地理信息產(chǎn)業(yè)需求

森林資源作為地球陸地覆蓋面積最大、對(duì)人類生存環(huán)境和生活質(zhì)量影響最大的因素，一直是地信工作者重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象之一。我國(guó)林業(yè)經(jīng)歷的主要時(shí)期是傳統(tǒng)林業(yè)階段、林業(yè)發(fā)展探索階段及現(xiàn)在面臨挑戰(zhàn)的階段。森林生態(tài)系統(tǒng)資源的廣域性、森林演替的時(shí)空性、環(huán)境對(duì)森林資源的數(shù)量和質(zhì)量的依賴性、受損森林恢復(fù)再建的周期性、森林結(jié)構(gòu)時(shí)空異常復(fù)雜性、中國(guó)森林生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要性及全球森林生態(tài)系統(tǒng)模型的精確性等這些特性都顯示出，傳統(tǒng)林業(yè)的調(diào)查儀器和調(diào)查方法難以滿足現(xiàn)代林業(yè)對(duì)森林資源變化及生態(tài)環(huán)境響應(yīng)信息的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)獲取和森林生態(tài)環(huán)境建設(shè)多功能效益的準(zhǔn)確評(píng)估，我國(guó)林業(yè)現(xiàn)階段迫切需要建立數(shù)字化、生態(tài)化、精準(zhǔn)化的林業(yè)平臺(tái)，而地理信息系統(tǒng)可以及時(shí)、快速準(zhǔn)確地獲取森林資源的各種數(shù)據(jù)，為森林資源管理和決策提供優(yōu)質(zhì)高效的服務(wù)，這也為林業(yè)地理信息系統(tǒng)提供了發(fā)展的必要性?，F(xiàn)今林業(yè)地理信息主要的產(chǎn)業(yè)需求主要分為森林觀測(cè)、造林規(guī)劃設(shè)計(jì)與作業(yè)、森林經(jīng)營(yíng)、林火防控、森林災(zāi)害防控這五方面。

2.1 森林觀測(cè)

森林資源豐富且多種多樣，這就需要有不斷更新的測(cè)量?jī)x器作為森林觀測(cè)的支持，在森林資源觀測(cè)中,林業(yè)工作者所使用的裝備及技術(shù)是保證調(diào)查能夠得以順利進(jìn)行的重要手段,是調(diào)查數(shù)據(jù)精確程度的重要保證[5-6]。由于林中地形復(fù)雜多變且林分環(huán)境陰暗潮濕,森林資源調(diào)查面臨著許多問(wèn)題,對(duì)測(cè)量裝備的使用帶了新的挑戰(zhàn)，因此，將林業(yè)與地理信息結(jié)合起來(lái)研發(fā)出便于在林中使用的測(cè)量?jī)x器對(duì)林業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐工作具有現(xiàn)實(shí)意義。

馮仲科教授帶領(lǐng)國(guó)家精準(zhǔn)林業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制出一系列儀器用于森林觀測(cè)，無(wú)人機(jī)方面，研制飛鷹固定翼無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、飛虎多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、工蜂多旋翼無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、便攜式無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，主要用于面積測(cè)量，地形測(cè)量（1:500），地籍測(cè)量，森林資源調(diào)查，森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)，單木樹(shù)高、胸徑、冠幅、材積測(cè)量，林分平均高、林分密度、蓄積量測(cè)量，樣地的傾斜攝影；地面攝影測(cè)量方面，研制精密CCD超站儀，實(shí)現(xiàn)林木無(wú)伐倒無(wú)損材積精測(cè)；研制便攜式測(cè)樹(shù)全站儀，實(shí)現(xiàn)電子角規(guī)、樹(shù)高、林分、面積測(cè)量；研制測(cè)樹(shù)超站儀，實(shí)現(xiàn)一、二、三調(diào)野外數(shù)據(jù)采集（樹(shù)高、胸徑、材積、林分參數(shù)）和外業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理；研制遠(yuǎn)程攝影測(cè)量?jī)x，利用長(zhǎng)焦CCD攝影系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程拍攝，并結(jié)合EDM測(cè)距系統(tǒng)測(cè)距和MEMS的PAD系統(tǒng)測(cè)傾角和方位角，經(jīng)過(guò)攝影測(cè)量后處理軟件提取相關(guān)調(diào)查結(jié)果，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程攝影測(cè)量、遠(yuǎn)程森林調(diào)查。

2.2 造林規(guī)劃設(shè)計(jì)與作業(yè)

造林規(guī)劃設(shè)計(jì)是林業(yè)生態(tài)工程基本建設(shè)程序中不可缺少的最重要環(huán)節(jié)，計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展給林業(yè)管理部門(mén)提出了越來(lái)越高的要求。造林規(guī)劃設(shè)計(jì)也直接關(guān)系到林業(yè)工程的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)三大效益的發(fā)揮，為實(shí)現(xiàn)造林規(guī)劃設(shè)計(jì)管理流程的信息化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化、科學(xué)化，必須大量依托于地理信息科學(xué)的發(fā)展，這是現(xiàn)代林業(yè)能迅速發(fā)展的重要基石[7]。

目前，我國(guó)森林資源存在著總量不足、分布不均、質(zhì)量不高、林地流失依然嚴(yán)峻、林木過(guò)量采伐相當(dāng)嚴(yán)重等問(wèn)題，要解決這些問(wèn)題，就要加強(qiáng)國(guó)家森林資源的保護(hù)管理，同時(shí)，必須要進(jìn)行大量人工造林來(lái)擴(kuò)大森林資源、改善我國(guó)的生態(tài)環(huán)境，因此必須要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的林業(yè)信息化，在地理信息科學(xué)與林業(yè)科學(xué)結(jié)合下，研建全球、中國(guó)、北京森林經(jīng)理平臺(tái)，

基于互聯(lián)網(wǎng)+RS+GIS+氣象氣候數(shù)據(jù)+林政管理數(shù)據(jù)，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)+全球森林植被基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性研究，發(fā)掘、發(fā)現(xiàn)林木生長(zhǎng)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)林地、林種、樹(shù)種3D規(guī)劃與設(shè)計(jì)[8-10]。并建全球基于互聯(lián)網(wǎng)+的森林生態(tài)數(shù)據(jù)模型，精準(zhǔn)計(jì)測(cè)森林空間環(huán)境效應(yīng)，引領(lǐng)和推動(dòng)我國(guó)智慧林業(yè)的建設(shè)與發(fā)展。實(shí)現(xiàn)全球森林資源實(shí)施監(jiān)測(cè)、區(qū)域森林科學(xué)規(guī)劃，林場(chǎng)級(jí)森林資源精準(zhǔn)設(shè)計(jì)、作業(yè)、實(shí)施、造林、撫育、采伐、擇伐精細(xì)化經(jīng)營(yíng)管理。

2.3 森林經(jīng)營(yíng)

現(xiàn)階段，對(duì)森林從認(rèn)識(shí)論到方法論的轉(zhuǎn)變，使得森林經(jīng)營(yíng)處在一個(gè)新階段——森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)階段。為此，森林經(jīng)營(yíng)既要實(shí)行整體協(xié)調(diào)，又要實(shí)行分類經(jīng)營(yíng)，關(guān)鍵是依靠森林經(jīng)營(yíng)管理這種組織手段，研究森林經(jīng)營(yíng)的整合機(jī)制，實(shí)行功能耦合，林業(yè)地理信息系統(tǒng)的建立為森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)管理階段提供了必要保障。

針對(duì)我國(guó)森林生長(zhǎng)規(guī)律和其對(duì)經(jīng)營(yíng)的響應(yīng)機(jī)理不清等問(wèn)題，通過(guò)多目標(biāo)決策模型，以林木覆蓋率增加、荒地面積、碳吸排平衡、造林經(jīng)費(fèi)、立地條件、人居工程、木材及林產(chǎn)品消費(fèi)等為約束條件，規(guī)劃求解實(shí)現(xiàn)林地、林種、樹(shù)種最優(yōu)規(guī)劃與計(jì)算機(jī)3D成果，研建森林精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)管理平臺(tái)。針對(duì)皆伐作業(yè)中出材量和出材率計(jì)算上的缺陷，利用3D角規(guī)測(cè)樹(shù)原理建立森林小班最佳皆伐造材方法，通過(guò)3D電子角規(guī)對(duì)計(jì)數(shù)木樹(shù)種、胸徑、樹(shù)高的測(cè)定，推算整個(gè)小班的樹(shù)種、徑階分布，進(jìn)而得到林分總出材量、廢材量、出材率、廢材率結(jié)果。通過(guò)研建天然成過(guò)熟林小班N-D-d時(shí)空模型、56種樹(shù)種二元材積模型、球狀樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)林分成熟模型，構(gòu)建小班林木Tin-Voronoi模型網(wǎng)，配合微樣地監(jiān)測(cè)，定義單木樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)面積所求得的年度每公頃生長(zhǎng)量FSCG/hm2×y為精準(zhǔn)林業(yè)關(guān)鍵變量，依擇伐量≤生長(zhǎng)量，現(xiàn)場(chǎng)利用測(cè)樹(shù)儀互聯(lián)網(wǎng)終端，擇伐最小FSCG/hm2×y對(duì)應(yīng)大徑木，撫育、補(bǔ)植最大FSCG/hm2×y林木，調(diào)控密度，使成過(guò)熟小班實(shí)施擇伐作業(yè)后每年都多收獲與生長(zhǎng)量相等的木材，可使得年收益提高5%～15%，這將是今后森林精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)發(fā)展的主要方向。

2.4 林火防控

由于近年來(lái)氣候變暖，夏秋雨水增多；林區(qū)灌草生長(zhǎng)茂盛，植被豐富；秋冬季干枯的茅草和其他植被積累較多，可燃性加強(qiáng)，森林防火形勢(shì)較為嚴(yán)峻。目前，世界上每年發(fā)生的火災(zāi)約22萬(wàn)次以上，燒毀森林面積640多萬(wàn) hm2，約占世界覆被率的0.23%以上，是20世紀(jì)70年代的兩倍。特別是進(jìn)入90年代，隨著天氣異?，F(xiàn)象(如厄爾尼諾現(xiàn)象)的增加，森林火災(zāi)呈直線上升趨勢(shì)，如1996年蒙古國(guó)和我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)發(fā)生的森林火災(zāi)，在我國(guó)境內(nèi)的過(guò)火面積達(dá)50萬(wàn) hm2。

在信息時(shí)代的今天，充分利用無(wú)人機(jī)(UAV)、地理信息系統(tǒng)(GIS)及網(wǎng)絡(luò)通訊等高新技術(shù)，可以做到在火災(zāi)發(fā)生前，不斷提供火災(zāi)發(fā)生背景和條件的大量信息，有助于圈定某些火災(zāi)可能發(fā)生的地區(qū)、時(shí)段及危險(xiǎn)程度，采取必要的防范措施，減輕火災(zāi)造成的損失；在火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展過(guò)程中，不斷監(jiān)測(cè)火災(zāi)的進(jìn)程和態(tài)勢(shì)，及時(shí)把信息傳到防火撲救指揮中心，以便有效地組織救助活動(dòng)；成災(zāi)之后，可以在大范圍內(nèi)實(shí)施快速反應(yīng)，迅速準(zhǔn)確地查明受損狀況而做出較為準(zhǔn)確的評(píng)估，為現(xiàn)代化森林防火工作提供重要的技術(shù)保證。

2.5 森林災(zāi)害防控

森林災(zāi)害可分為森林火災(zāi)、森林病蟲(chóng)害、森林氣象災(zāi)害、森林自然災(zāi)害。林火防控在2.4節(jié)已經(jīng)討論過(guò)，故在此只討論另外3種災(zāi)害防控。由于森林災(zāi)害的不可控性，森林災(zāi)害頻繁發(fā)生。為了避免這種情況，應(yīng)對(duì)災(zāi)害提前做出預(yù)警，可利用林業(yè)地理信息系統(tǒng)，將森林資源可視化，將災(zāi)害降到最低。

建立典型生態(tài)脆弱區(qū)森林植被監(jiān)測(cè)與健康評(píng)價(jià)；大尺度森林植被動(dòng)態(tài)（如森林破碎化、自然生境島嶼化過(guò)程等）的遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法；森林植被結(jié)構(gòu)、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能、環(huán)境因子與生態(tài)關(guān)鍵要素、重要功能群的相互作用機(jī)制；以森林植被為主體的區(qū)域生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)、測(cè)度與閾值。開(kāi)展多尺度森林生長(zhǎng)及森林經(jīng)營(yíng)措施影響的可視化模擬研究，研發(fā)大視景虛擬森林與交互式森林經(jīng)營(yíng)仿真模擬技術(shù)，構(gòu)建三維樹(shù)種庫(kù)，形成單木-林分-景觀多尺度森林生長(zhǎng)及經(jīng)營(yíng)可視化模擬平臺(tái)，有效預(yù)防森林災(zāi)害的發(fā)生[11]。

森林管理信息系統(tǒng)和林業(yè)地理信息系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)需求如圖1、圖2所示。

圖1 森林管理信息系統(tǒng)Fig.1 The forest management information system

圖2 林業(yè)地理信息系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)需求Fig.2 The demand of forestry geographic information system industry

3 林業(yè)地理信息科技創(chuàng)新

3.1 森林觀測(cè)裝備

在森林資源調(diào)查過(guò)程中，外業(yè)調(diào)查勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低下，內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)多且費(fèi)時(shí)費(fèi)力[12]，對(duì)此國(guó)家精準(zhǔn)林業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)明研制了一系列森林觀測(cè)裝備和系統(tǒng)平臺(tái)。包括無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量林業(yè)調(diào)查系統(tǒng)，利用飛鷹固定翼無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)FIM5.UAV-2015A，可實(shí)現(xiàn)森林資源調(diào)查，森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)，單木樹(shù)高、胸徑、冠幅、材積測(cè)量，林分平均高，林分密度，蓄積量測(cè)量。地面森林觀測(cè)設(shè)備包括樊仲謀等利用全站儀結(jié)合電子手薄測(cè)量樹(shù)冠面積，結(jié)合三維激光掃描儀對(duì)單木進(jìn)行量測(cè)及模擬，獲得單木的材積[13]；曹忠、馮仲科等研發(fā)了3D電子角規(guī)，進(jìn)行林分調(diào)查，利用測(cè)樹(shù)經(jīng)緯儀[14-15]、測(cè)樹(shù)全站儀[16]、測(cè)樹(shù)超站進(jìn)行單木量測(cè)，并對(duì)精度進(jìn)行分析；黃曉東等研制可量測(cè)胸徑和樹(shù)高的多功能便攜式微型超站儀，實(shí)現(xiàn)樹(shù)高、胸徑的自動(dòng)測(cè)量。徐偉恒等研制了手持式數(shù)字化多功能電子測(cè)樹(shù)槍，實(shí)現(xiàn)了樹(shù)高測(cè)量、林分調(diào)查、樣地標(biāo)定等功能；邱梓軒等研制了便攜式智能森林測(cè)繪計(jì)算器，利用PDA、EDM、云臺(tái)以及安卓系統(tǒng)，具有樹(shù)高測(cè)量、胸徑測(cè)量、三元材積解算、3D角規(guī)樣地測(cè)量、基本測(cè)量等五項(xiàng)功能，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化[17]。隨著便攜式測(cè)樹(shù)產(chǎn)品的不斷創(chuàng)新，基本解決了上述儀器設(shè)備落后且昂貴外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大和內(nèi)業(yè)處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題，如圖3～圖5所示。

圖3 無(wú)人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)FIM5.UAV-2015AFig.3 UAV measurement system FIM5.UAV-2015A

圖4 森林觀測(cè)設(shè)備示意圖Fig.4 Schematic of forest telescope intelligent dendrometer

圖5 硬件總體框架Fig.5 Framework of hardware

3.2 林火防控管理系統(tǒng)

我國(guó)是世界上森林火災(zāi)多發(fā)國(guó)家之一，扎實(shí)做好森林防火工作，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全、森林資源安全和維護(hù)林區(qū)社會(huì)安定，是林業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重大任務(wù)。國(guó)家精準(zhǔn)林業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制出集GNSS導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感與無(wú)人機(jī)攝影測(cè)量、地面CCD攝影與3D激光掃描、GIS、機(jī)器人等軟硬件技術(shù)于一體的智能林火預(yù)警防控系統(tǒng)。智能林火預(yù)警防控系統(tǒng)使用Visual Studio2010軟件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，使用C#語(yǔ)言在.Net Framework4.0框架下，結(jié)合ArcGIS Engine10.2實(shí)現(xiàn)軟件編寫(xiě)。該系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)+UAV+GIS+氣象氣候數(shù)據(jù)+林政管理數(shù)據(jù)，建立全球森林火災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)+全球森林火災(zāi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)，利用大數(shù)據(jù)智能處理技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性研究，達(dá)到大數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)林火發(fā)生，針對(duì)初生林火細(xì)小林火及時(shí)感應(yīng)報(bào)警、快速創(chuàng)建林火蔓延模型、對(duì)林火狀況進(jìn)行分析決策并制定相應(yīng)的撲救方案、自動(dòng)組織消防無(wú)人機(jī)進(jìn)行林火撲滅等，實(shí)現(xiàn)了地圖數(shù)據(jù)的漫游、放大、縮小、測(cè)量、查詢等基本地圖功能，同時(shí)根據(jù)風(fēng)向、溫度、濕度、地形因子數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)林火的蔓延預(yù)測(cè)，及時(shí)決策分析進(jìn)行消防力量分配，最后又可對(duì)災(zāi)后損失進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)。軟件建立了以小班為單位的區(qū)域林火模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)地形、氣象、土壤、植被、人為社會(huì)因素的提取和錄入，并使用區(qū)域林火預(yù)報(bào)模型對(duì)林火發(fā)生概率和蔓延區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)，精準(zhǔn)計(jì)測(cè)森林林火發(fā)生規(guī)律，集分析決策行動(dòng)為一體，引領(lǐng)和推動(dòng)我國(guó)智慧林業(yè)火災(zāi)防控系統(tǒng)的建設(shè)與發(fā)展，如圖6所示。

圖6 構(gòu)架設(shè)計(jì)及消防無(wú)人機(jī)Fig.6 Architecture design and fire control of UAV

3.3 森林精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)體系

在對(duì)森林精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)經(jīng)過(guò)反復(fù)研討之后，國(guó)家精準(zhǔn)林業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研建了森林精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)平臺(tái)，森林精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)平臺(tái)使用C#語(yǔ)言在Visual Studio2010平臺(tái)上進(jìn)行構(gòu)建，其中GIS部分基于ArcGIS Engine10.2進(jìn)行組件式開(kāi)發(fā)，圖像識(shí)別部分采用OpenCV相關(guān)接口，空間數(shù)據(jù)庫(kù)采用Geodatabase空間數(shù)據(jù)模型，軟件界面采用DotNetbar來(lái)構(gòu)建美觀友好的操作界面。森林精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了森林GIS基礎(chǔ)、森林基礎(chǔ)經(jīng)營(yíng)、森林精準(zhǔn)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)和森林精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)設(shè)計(jì)4個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)的具體業(yè)務(wù)包含了對(duì)應(yīng)GIS空間數(shù)據(jù)的管理、空間區(qū)劃和林相圖制圖功能，對(duì)應(yīng)單株立木參數(shù)的材積表材積計(jì)算、樹(shù)干解析、無(wú)損立木精測(cè)和年輪識(shí)別功能，對(duì)應(yīng)林分參數(shù)的3D角規(guī)觀測(cè)、森林五棵樹(shù)法觀測(cè)和MINI全站/超站后處理功能以及對(duì)應(yīng)經(jīng)營(yíng)決策的小班最佳輪伐期、最大蓄積量和最佳撫育擇伐功能。其創(chuàng)新特點(diǎn)在于，平臺(tái)通過(guò)對(duì)GIS數(shù)據(jù)、測(cè)樹(shù)電徑/全站、MINI全站/超站等新式森林觀測(cè)儀器的數(shù)據(jù)兼容和處理，實(shí)現(xiàn)多元的森林經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)獲取及處理分析方法；平臺(tái)業(yè)務(wù)從森林GIS數(shù)據(jù)管理、單株立木參數(shù)獲取計(jì)算、林分參數(shù)獲取計(jì)算到森林經(jīng)營(yíng)分析決策，構(gòu)建了全面系統(tǒng)的森林經(jīng)營(yíng)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)；平臺(tái)通過(guò)針對(duì)每一種新式森林觀測(cè)儀器裝備的功能模塊開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)通訊，解決了觀測(cè)儀器自身運(yùn)算統(tǒng)計(jì)能力和可視化表達(dá)上的不足，實(shí)現(xiàn)硬件調(diào)查裝備數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化、精準(zhǔn)化；平臺(tái)采用C/S軟件架構(gòu)模式和輕量化的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，資源占用低且無(wú)網(wǎng)絡(luò)依賴，適合外業(yè)儀器觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，同時(shí)整合森林3S數(shù)據(jù)的全流程化操作，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化與3S集成。

在我國(guó)森林經(jīng)營(yíng)基層單位進(jìn)行擇伐過(guò)程中，常常會(huì)遇到擇伐木撘掛、壓倒、壓傷非擇伐木、幼樹(shù)幼苗的情況，為森林經(jīng)營(yíng)砍伐帶來(lái)了很大不便。而通過(guò)森林精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)平臺(tái)精準(zhǔn)調(diào)研計(jì)算，智能識(shí)別需要進(jìn)行擇伐的林分，精準(zhǔn)定位需要擇伐的單木，使用大功率工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)攜帶油鋸、牽引繩、保護(hù)架等設(shè)備對(duì)單木進(jìn)行伐取、運(yùn)輸、堆放等，整體流程自動(dòng)、快捷、無(wú)損且成本低廉，避免了伐木人員進(jìn)入林分對(duì)底層灌木草本的破壞，符合森林經(jīng)營(yíng)的基本要求，這將是林業(yè)精準(zhǔn)經(jīng)營(yíng)創(chuàng)新發(fā)展的重要方向，如圖7所示。

圖7 無(wú)人機(jī)進(jìn)行單木擇伐Fig.7 UAVs single wood selective cutting

3.4 造林決策體系

由于傳統(tǒng)造林決策存在一定局限性，國(guó)家精準(zhǔn)林業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)利用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)，針對(duì)森林固定樣地的3種不同地形（平地、上坡向地和下坡向地），建立無(wú)人機(jī)兩次攝影點(diǎn)間的基線長(zhǎng)B、無(wú)人機(jī)起始拍攝點(diǎn)距地面的高度H、無(wú)人機(jī)傾斜攝影角度ω、無(wú)人機(jī)的相機(jī)拍攝視場(chǎng)角β以及森林固定樣地的邊長(zhǎng)ab之間的幾何關(guān)系，如圖8所示，確定無(wú)人機(jī)森林固定樣地觀測(cè)的攝影傾角和拍攝基線長(zhǎng)，以便形成航空攝影立體像對(duì)，由此針對(duì)不同的森林樣地地形條件，分別設(shè)計(jì)不同地形情況下的最佳飛行攝影方案，通過(guò)模型換算獲得當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)結(jié)構(gòu)，并收集小班調(diào)查數(shù)據(jù)，將小班調(diào)查數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)、面積、地類及海拔、地貌、坡向、坡度、坡位、裸巖率、土壤名稱、厚度、質(zhì)地、母質(zhì)等立地條件信息輸入數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)造林地小班的立地條件類型，發(fā)現(xiàn)所有適宜的造林樹(shù)種，建立基于立地的造林樹(shù)種決策支持模型。構(gòu)建數(shù)學(xué)模型Tr={x：f(x)=st，st∈ST}，st為作業(yè)小班的立地類型，它是森林立地類型總集合ST中的一個(gè)元素；x為造林樹(shù)種，f(x)是造林樹(shù)種對(duì)立地類型的映射函數(shù)；f(x)=st為運(yùn)算法則，表當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)應(yīng)立地類型為st時(shí)的造林樹(shù)種。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，其造林規(guī)劃決策快捷方便且成本較低，成功在內(nèi)蒙古喀喇沁旗旺業(yè)甸林場(chǎng)、吉林省延邊朝鮮自治州黃泥河林場(chǎng)等地進(jìn)行了實(shí)地造林，效果良好。

在傳統(tǒng)造林體系中，造林育苗多使用人工方式進(jìn)行，其成本高、速度慢、效率低且人工進(jìn)入造林地過(guò)程中可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成不可逆影響，據(jù)此無(wú)人機(jī)飛播造林成為了當(dāng)今精準(zhǔn)林業(yè)的首選方式。無(wú)人機(jī)飛播造林簡(jiǎn)稱飛播造林，飛播造林需結(jié)合造林決策體系做好規(guī)劃設(shè)計(jì)、樹(shù)種選擇、飛播作業(yè)，結(jié)合GNSS、GIS進(jìn)行精準(zhǔn)規(guī)劃、精準(zhǔn)造林，利用大型植保無(wú)人機(jī)配合種苗投彈倉(cāng)可進(jìn)行單株幼樹(shù)幼苗或種子的投放，避免了傳統(tǒng)飛播造林落種不均勻，形成的幼林常稀密不均，用種量過(guò)大的問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、速度快、工效高、成本低、適宜范圍廣，能應(yīng)用于交通不便、人煙稀少，其他造林方法難以施行的邊遠(yuǎn)山區(qū)、荒野。和小型直升機(jī)相比，無(wú)人機(jī)更加機(jī)動(dòng)靈活、安全方便，不受陰天、霧霾天、降雨等天氣影響。而且無(wú)人機(jī)可空中懸停，遠(yuǎn)距離遙控操作，確保作業(yè)人員安全，如圖8所示。

圖8 無(wú)人機(jī)傾斜攝影示意圖及飛播造林Fig.8 UAV oblique photography sketch map and aerial seeding aあorestation

4 結(jié)束語(yǔ)

地理信息系統(tǒng)技術(shù)是一門(mén)與多門(mén)學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科，其在林業(yè)中的不斷應(yīng)用，不僅為林業(yè)管理提供了先進(jìn)技術(shù)以及工具支持，而且為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、生態(tài)化的精準(zhǔn)林業(yè)提供了巨大幫助。本文從林業(yè)地理信息系統(tǒng)的特點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)需求以及裝備創(chuàng)新3個(gè)方面展開(kāi)論述，主要介紹國(guó)家精準(zhǔn)林業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)用于森林觀測(cè)、造林設(shè)計(jì)與規(guī)劃、森林經(jīng)營(yíng)、林火防控以及災(zāi)害防控等的自主研制的創(chuàng)新裝備，包括硬件及軟件平臺(tái)，并深入闡述這些裝備發(fā)揮的作用。

現(xiàn)代自然科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，正在改變著傳統(tǒng)的林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理模式，GIS作為一種嶄新的管理工具和高新技術(shù)正滲透到林業(yè)經(jīng)營(yíng)管理的各個(gè)領(lǐng)域。它不僅可以解決用傳統(tǒng)方法無(wú)法解決的許多問(wèn)題，而且可應(yīng)用它來(lái)探索新的規(guī)律。由于林業(yè)資源自身的特點(diǎn)，要想更加快速、合理、有效地發(fā)展林業(yè)領(lǐng)域，就需要GIS技術(shù)的支持。在今后的發(fā)展中GIS在林業(yè)領(lǐng)域上會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用推廣，并將在數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化、林業(yè)地理信息的智能化、地理信息系統(tǒng)共享與網(wǎng)絡(luò)化、綜合評(píng)價(jià)與模擬預(yù)測(cè)等方面擁有更加廣闊的發(fā)展前景，也為建設(shè)林業(yè)信息化的一個(gè)必然趨勢(shì)——“數(shù)字林業(yè)”的建設(shè)打下良好的基礎(chǔ)，使林業(yè)更好地可持續(xù)發(fā)展。

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