物聯(lián)網(wǎng)在智慧林業(yè)中的應用現(xiàn)狀及對策

王嬌陽 米敏 劉也楠

摘要? ? 綜述了物聯(lián)網(wǎng)在林業(yè)災害監(jiān)測、林業(yè)資源保護、林業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀，探討了林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)、應用和政策方面的發(fā)展瓶頸，并針對性地提出研究發(fā)展方向和政策導向。

關(guān)鍵詞? ? 物聯(lián)網(wǎng);智慧林業(yè);發(fā)展瓶頸;發(fā)展方向

中圖分類號? ? F326.2? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

Abstract? ? This paper mainly summaried the application status of internet of things（IOT）in forestry disaster monitoring，forest resources protection and supervision system.Furthermore，this paper discussed the development bottleneck form three aspects，including the technology，application and policy of IOT in forestry.The research direction and policy guidance were put forward.

Key words? ? internet of things;intelligent forestry;development bottleneck;development countermeasure

物聯(lián)網(wǎng)（IOT）是通過無線傳感器（WSN）、射頻識別（RFI

D）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、激光掃描儀等信息傳感設備對物理世界進行感知和識別，通過“物—物”通信模式進行網(wǎng)絡傳輸互聯(lián)，實現(xiàn)智能化識別、實時控制、精確管理和科學決策的一種高度信息融合技術(shù)[1-2]。物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，已被廣泛應用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，涵蓋農(nóng)、林、漁、牧等各方面和生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、服務各環(huán)節(jié)，形成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系，對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、信息化具有重要意義[3]。智慧林業(yè)就是在此基礎(chǔ)上，充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，形成林業(yè)立體感知，實現(xiàn)高效協(xié)同管理的林業(yè)發(fā)展新模式[4]。物聯(lián)網(wǎng)在智慧林業(yè)中應用廣泛，在林業(yè)資源監(jiān)管、林業(yè)災害監(jiān)控及應急響應、生態(tài)監(jiān)測、林業(yè)有毒有害廢棄物監(jiān)管、林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面蘊藏了巨大的潛力[5-7]。

1? ? 應用現(xiàn)狀

1.1? ? 在林業(yè)災害監(jiān)測中的應用

近年來，全球氣候變化速度加劇，林業(yè)災害多發(fā)、頻發(fā)，林業(yè)管理工作面臨巨大的挑戰(zhàn)。林業(yè)災害主要包括森林火災、林業(yè)有害生物災害、沙塵暴、野生動物疫源疫病四大類，還有干旱、洪澇、雨雪冰凍、風災、雹災、地震、滑坡、泥石流等[5-8]。林業(yè)災害使森林資源受到嚴重破壞，防災減災和災后重建工作十分繁復、任務艱巨。借助氣象監(jiān)測、紅外感應、導航定位、視頻監(jiān)控、無線傳感、RFID等技術(shù)，構(gòu)建天網(wǎng)、地網(wǎng)、林網(wǎng)系統(tǒng)、信息管理平臺和物聯(lián)網(wǎng)應用操作平臺，可以有效進行林業(yè)災害監(jiān)測、及時預警預報、智能應急防控，將災害管理工作實現(xiàn)由重救災向重預防轉(zhuǎn)變，節(jié)省大量人力、物力、財力，顯著降低災害造成的損失，對于完善林業(yè)防災管理體系、災后救助體系具有重要意義[5-6，8-9]。很多專家致力于數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測手段、防控措施、管理體系等方面的調(diào)查和研究，并取得了較大的突破。柳萍萍[10]針對Hyperion高光譜數(shù)據(jù)的龐大性和高維度，進行系列預處理、分段特征提取法、特征選擇法等，有效降維，采用光譜角填圖法提高識別精度，為大面積遙感林業(yè)災害監(jiān)測及災情評估提供技術(shù)支持。陶佰睿等[11]設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的森林火災防控系統(tǒng)，可監(jiān)測指定地域森林環(huán)境，實現(xiàn)火情類型、大小、擴散速度和方向等火災信息的采集，實時生成煙霧濃度波形圖，用于制定科學、合理的滅火方案。目前，我國擁有1 000個國家級中心測報點、2 098個省級測報點、22 703個基層測報點（監(jiān)測點）[12]以及相應的監(jiān)測設備，結(jié)合應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建林業(yè)監(jiān)測體系，將極大地提升效率，有效引導科學決策、科學防治。

1.2? ? 在林業(yè)資源保護中的應用

林業(yè)資源是非常重要的再生資源，包括木質(zhì)資源和非木質(zhì)資源，木質(zhì)資源主要是指喬木資源，非木質(zhì)資源包括林地、動物、微生物、環(huán)境資源等。隨著城市化進程的不斷推進，森林資源損失嚴重，古樹名木被迫搬遷，珍稀野生動物生存環(huán)境遭受破壞，世界性林業(yè)資源日趨減少，林業(yè)資源保護工作已刻不容緩。通過建立信息庫、數(shù)據(jù)庫，設計構(gòu)架物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，擴大了林業(yè)資源保護的監(jiān)控范圍，實現(xiàn)了動態(tài)管理，提高了運行效率，增強了決策的科學性[6]。古樹名木管理方面可以將帶有苗木信息、特有屬性、養(yǎng)護日志等信息的電子標簽植入植株體內(nèi)，進行古樹名木的自動記錄、在線管理、病蟲診斷、防火監(jiān)測，實現(xiàn)全程追蹤[7，13]。楊雪清等[14]針對國內(nèi)木材進口市場供需現(xiàn)狀，通過遙感、地理信息等技術(shù)和手段獲取境外森林資源信息，構(gòu)建可集中管理和實時訪問的系統(tǒng)框架，實現(xiàn)國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設計院、地方林業(yè)局2級管理系統(tǒng)應用，充分掌握各級林業(yè)資源信息。申鳳偉[15]以江蘇大豐麋鹿保護區(qū)的動物個體或族群為對象，結(jié)合地理信息，確立模型追蹤動物位置，發(fā)送出界信息，達到整體可視化監(jiān)控，應用Oracle數(shù)據(jù)庫、VC、GIS等技術(shù)，開發(fā)保護區(qū)信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、收發(fā)、預警等過程的動態(tài)監(jiān)測，對麋鹿進行跟蹤、監(jiān)控、管理。劉 晨等[16]經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和分析，可以有效區(qū)分不同金絲猴個體的聲音差異，避免了珍稀野生動物植入RFID時可能造成的致死損失。在林業(yè)資源保護工作中，要根據(jù)資源類型、個體差異、保護需求等，適時適地采用不同的保護措施和應用模式，尤其要重視盡量保留資源的原始狀態(tài)和價值，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)人為化、小范圍的管理向自動化、大區(qū)域的保護轉(zhuǎn)變。

1.3? ? 在林業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)中的應用

林業(yè)監(jiān)管涵蓋種苗培育、林產(chǎn)品認證溯源、木材采存運銷、古樹名木追蹤管理等方面，由于自然條件復雜多變、從業(yè)人員參差不齊、管控范圍分布廣泛等原因，目前林業(yè)監(jiān)管存在較多難點。基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧林業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)集傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、運輸技術(shù)、信息安全技術(shù)、信號處理技術(shù)、云計算和資源管理為一體，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與管理、產(chǎn)地識別與追溯、車輛定位與抓拍、模型創(chuàng)建與應用等功能，形成嚴密監(jiān)管體系，具有提高監(jiān)管效率、降低生產(chǎn)成本、減少資源浪費等優(yōu)點。盧書海等[17]提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立木材干燥監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)木材種類、厚度、含水率等各項干燥指標設置干燥窯內(nèi)傳感器節(jié)點參數(shù)，建立數(shù)據(jù)處理和決策模塊，通過遠程下達指令控制加熱閥、噴蒸管等完成調(diào)節(jié)。邱榮祖等[18]應用GIS技術(shù)和遺傳算法，基于木材物流空間數(shù)據(jù)庫，對木材物流過程的數(shù)據(jù)進行采集、編輯、處理，結(jié)合道路、地形、面積、地價等影響因子和供材量、客戶需材量等業(yè)務數(shù)據(jù)，獲得最佳運輸路徑，建立物流中心選址模型，為提高企業(yè)的木材物流管理水平提供科學決策。陸研[19]基于RFID技術(shù)構(gòu)建了涵蓋名木古樹管理、工作人員管理、參觀人員管理的系統(tǒng)框架，可實現(xiàn)查詢動態(tài)管理信息、多點共享分布情況、自動統(tǒng)計各類報表、智能感應參觀權(quán)限等功能。在林業(yè)監(jiān)管過程中，可根據(jù)監(jiān)管對象、特有屬性、信息需求、管控指標等，充分運用感知手段、集成應用多種技術(shù)，制定預警參數(shù)與響應機制，推動現(xiàn)代林業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)的建立和完善，實現(xiàn)智慧林業(yè)的長效發(fā)展。

2? ? 發(fā)展瓶頸

2.1? ? 技術(shù)方面

物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要依靠信息感知、信息傳輸、信息處理等方面的設備、技術(shù)和系統(tǒng)的研發(fā)、應用和完善，以及技術(shù)規(guī)范、行業(yè)標準的制定。我國物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)相對落后，在極大程度上限制了其在智慧林業(yè)中的發(fā)展和應用。在信息感知方面，傳感器技術(shù)和身份識別技術(shù)應用較為廣泛，可感知環(huán)境參數(shù)、生理信息、個體身份等。目前，傳感器的稀缺已成為制約土壤與植物信息感知的最主要因素[20]。我國光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，高端半導體芯片被發(fā)達國家所壟斷，因而傳感器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢[21]。我國農(nóng)用傳感器種類不到世界的10%，主要集中在溫濕度監(jiān)測上，動植物生命信息感知傳感器缺乏，還存在性能不穩(wěn)定、采集誤差較大、器材壽命短等弱點，在覆蓋面、適用性、可靠性等方面與發(fā)達國家差距甚遠，不能滿足林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展需求[22]。而RFID技術(shù)作為感知、識別物體的主要技術(shù)手段，擁有非接觸式自動識別功能，但面臨成本高、識別誤差大、機密泄漏危險、隱私受侵犯等方面的制約[23]，缺乏技術(shù)標準，沒有統(tǒng)一的符號、編碼格式、語法標準、測試規(guī)范等[24]，尚未形成完整的體系。在信息傳輸方面，可以根據(jù)不同立地條件和運行需求通過有線或無線的方式將數(shù)據(jù)傳輸至應用層，借助SMDS網(wǎng)絡、ZigBee、移動通信等技術(shù)，組成網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)信息傳輸。但我國網(wǎng)絡傳輸安全性較差、抗干擾能力弱、自動動態(tài)組網(wǎng)技術(shù)落后[25]，傳輸?shù)倪^程易中斷、數(shù)據(jù)收集不穩(wěn)定等因素給智慧林業(yè)發(fā)展帶來一定的困難。另外，林業(yè)系統(tǒng)點多面廣、作業(yè)環(huán)境惡劣復雜，在傳輸距離和功耗上也提出了更高的要求。在信息處理方面，對數(shù)據(jù)進行存儲、處理、計算、智能分析，提出控制、響應參數(shù)，創(chuàng)建預測、預警模型，實現(xiàn)智能控制、診斷決策。歐美等發(fā)達國家和地區(qū)已經(jīng)研發(fā)了大量預測預警模型，而國內(nèi)生物數(shù)字化模型大都沒有建立，數(shù)據(jù)分析缺乏參照標準，控制系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)比較單一。總體來說，我國物聯(lián)網(wǎng)特別是在林業(yè)中的發(fā)展還處在初級階段，各項技術(shù)還不成熟，還需借鑒國外先進經(jīng)驗，引進先進技術(shù)，投入大量的人力和物力深入研究。

2.2? ? 應用和政策方面

我國的基本國情是人多地少，農(nóng)村剩余勞動力多，文化素質(zhì)不高，農(nóng)業(yè)企業(yè)整體規(guī)模偏小，技術(shù)手段運用不多，產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營水平不高，眾多因素極大地限制了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)中的發(fā)展和應用。目前存在的應用難點主要有3個方面。一是農(nóng)民和企業(yè)對物聯(lián)網(wǎng)的應用效果和可能帶來的商業(yè)價值認識不夠，無法主動投入設備和技術(shù);二是既懂林業(yè)生產(chǎn)管理，又能熟練使用各種智能控制設備、掌握網(wǎng)絡信息技術(shù)的專業(yè)人員嚴重緊缺;三是物聯(lián)網(wǎng)的投入大、風險高、周期長，研究人員和實驗室出好成果難且相對集中在工業(yè)領(lǐng)域，林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究成果少且轉(zhuǎn)化乏力。

物聯(lián)網(wǎng)已被我國納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃重點，《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》中指出，要“推動物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和在重點領(lǐng)域的應用示范”。但是政府尚未出臺政策對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進行宏觀指導，尚未設立獨立的財政資金支持物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、項目推廣等還處于摸索階段，資源、人才和技術(shù)的整合需要多個部門和單位高度配合、協(xié)同工作。

3? ? 發(fā)展對策

3.1? ? 技術(shù)方面

面對國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，要堅持自主研發(fā)與引進吸收并重。在信息感知方面，國內(nèi)傳感器將圍繞降低生產(chǎn)成本、減少能量消耗、開拓監(jiān)測領(lǐng)域進行，朝著低成本、低功耗、高性能、高精度的方向發(fā)展，電化學離子傳感器、生物傳感器、氣敏傳感器等先進傳感器已在實驗階段，林業(yè)方面重點研制可用于監(jiān)測林業(yè)災害信息、捕捉動物生命狀況、測量林產(chǎn)品品質(zhì)等傳感器。身份識別技術(shù)將克服語音、RFID等現(xiàn)有手段的缺點，重點研制損傷少、精度高、識別方便的技術(shù)，朝著MEMS傳感器、DNA識別等更為可靠、更為先進的技術(shù)方向發(fā)展[20，23]。在信息傳輸方面，要充分利用快速發(fā)展的公共電話交換網(wǎng)、WIFI、WIMAX、3G、4G等有線和無線網(wǎng)絡，重點優(yōu)化網(wǎng)絡部署協(xié)議，擴大覆蓋范圍，實現(xiàn)信息的高時效性。在信息處理方面，重點構(gòu)建面向林業(yè)的信息處理模型、建立云計算體系和標準，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)在云端、軟件在云端、計算在云端”。

3.2? ? 應用和政策方面

在互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、網(wǎng)絡通信等技術(shù)的支持和推動下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應用為人們的生活提供了眾多便利。各級政府、高等院校、科研機構(gòu)、相關(guān)企業(yè)等逐漸開始重視物聯(lián)網(wǎng)在林業(yè)中的研究、開發(fā)、應用和示范。目前，北京、上海、江蘇、新疆、河北、山東、吉林、黑龍江等地已建立起多個設施農(nóng)業(yè)數(shù)字化技術(shù)、大田作物數(shù)字化技術(shù)和數(shù)字農(nóng)業(yè)集成技術(shù)等綜合應用示范基地[26]，帶動不少農(nóng)戶、合作社、龍頭企業(yè)等自主投入資金、應用先進技術(shù)、建立管理系統(tǒng)。為加快物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在林業(yè)方面特別是在基層中的應用和推廣，必須重視物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)人才的培養(yǎng)與培訓。聯(lián)合科研院所和大專院校，聯(lián)合農(nóng)技推廣站，加強在基層對林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和知識的宣傳[27]。在穩(wěn)定和擴大技能型人才隊伍的同時，重點研究系統(tǒng)適應范圍，搭建集成林業(yè)災害監(jiān)測、資源保護、監(jiān)管預警等功能的服務平臺，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈動態(tài)檢測和管理;重點制定包括傳輸網(wǎng)絡接入、操作訪問準入等方面的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范，解決操作標準和信息安全問題。

4? ? 結(jié)語

林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)目前面臨著前所未有的發(fā)展機遇，同時也面臨巨大挑戰(zhàn)。在大力推進林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程中，要強化政府的宏觀調(diào)控和正向引導，提出明確的指導意見，加大財政資金的投入，做好人才隊伍的培養(yǎng)儲備，高度整合社會資源，共同打造“全要素、全過程和全系統(tǒng)”的林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系，例如建立林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)專項，全面調(diào)查、收集林業(yè)資源信息，合理配置、利用各級測報點等。林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用基礎(chǔ)薄弱、覆蓋面廣，但前景廣闊，今后將朝更加智能、更加互通、更加可靠、更加智慧的方向快速發(fā)展[28]。

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