森林資源監(jiān)測(cè)中林業(yè)3S技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

摘 要：科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了各行各業(yè)的發(fā)展，并為各行業(yè)的進(jìn)步優(yōu)化提供了有力的技術(shù)支撐。在森林資源的監(jiān)測(cè)發(fā)展中，最具應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的技術(shù)就是3S技術(shù)。為使人們對(duì)3S技術(shù)在林業(yè)資源中的應(yīng)用有全面地了解，本文從3S技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，分析其在林業(yè)資源監(jiān)測(cè)方面的具體應(yīng)用，并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)做出相關(guān)預(yù)測(cè)展望。

關(guān)鍵詞：森林資源監(jiān)測(cè);林業(yè)3S技術(shù);應(yīng)用現(xiàn)狀;展望

中圖分類號(hào)：S758

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20200915026

收稿日期：2020-07-20

作者簡(jiǎn)介：李淳（1983-），男，本科，工程師。研究方向：生態(tài)林業(yè)。

森林資源、濕地資源和海洋資源并稱為地球3大生態(tài)系統(tǒng)，國(guó)家對(duì)森林資源的重視自改革開放以來不斷加強(qiáng)。3S技術(shù)的出現(xiàn)為森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)帶來了技術(shù)手段。利用3S技術(shù)開發(fā)和監(jiān)測(cè)林業(yè)是林業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。目前，3S技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用前景已得到世界各國(guó)的認(rèn)可。

在傳統(tǒng)的森林資源監(jiān)測(cè)中，主要的監(jiān)測(cè)方法是人工監(jiān)測(cè)。這類方法要求工作人員到監(jiān)測(cè)區(qū)域親力親為地對(duì)該地區(qū)進(jìn)行全面調(diào)查，既費(fèi)時(shí)又麻煩，有必要進(jìn)行全面地改進(jìn)。為此，相關(guān)部門引進(jìn)了3S技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用，大大提高了監(jiān)測(cè)效率，節(jié)約了監(jiān)測(cè)成本，同時(shí)也使監(jiān)測(cè)工作更加容易。在森林和山區(qū)等不易監(jiān)測(cè)資源的地區(qū)，3S技術(shù)更能發(fā)揮其監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，為相關(guān)工作人員減輕很大負(fù)擔(dān)。

1?國(guó)外森林資源監(jiān)測(cè)中林業(yè)3S的應(yīng)用現(xiàn)狀

地理信息系統(tǒng)（GIS）起源于北美。20世紀(jì)60年代，為了對(duì)大量的土地調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，加拿大國(guó)家土地調(diào)查局開始建立起地理信息系統(tǒng)。經(jīng)過10a余的研究，在20世紀(jì)70年代，GIS被正式投入生產(chǎn)。在這一時(shí)期，GIS主要用于規(guī)劃管理自然資源。20世紀(jì)80年代，加拿大將GIS技術(shù)投入到森林資源管理當(dāng)中，以此為森林資源的管理規(guī)劃、空間分析、決策評(píng)價(jià)等提供了重要的數(shù)據(jù)，成為資源監(jiān)測(cè)的重要平臺(tái)。

20世紀(jì)80年代初，加拿大將地理信息系統(tǒng)引入森林資源的管理和監(jiān)測(cè)中，為森林資源的空間分析、決策評(píng)價(jià)和規(guī)劃設(shè)計(jì)提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，成為資源監(jiān)測(cè)的重要平臺(tái)。近年來，地理信息系統(tǒng)（GIS）的強(qiáng)大功能在國(guó)外被廣泛應(yīng)用于分析林業(yè)和各種林業(yè)活動(dòng)的可行性。其應(yīng)用范圍是森林資源調(diào)查、系統(tǒng)中簡(jiǎn)單的檢索和復(fù)雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、森林經(jīng)營(yíng)的資源分析和決策。其還可作為連續(xù)調(diào)查、森林管理設(shè)計(jì)、森林模型制作的工具，其中對(duì)這一技術(shù)的應(yīng)用處于領(lǐng)先地位的有奧地利、瑞典、芬蘭、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家。20世紀(jì)80年代中期以后，美國(guó)林務(wù)局在資源、流域、生物多樣性保護(hù)等領(lǐng)域廣泛推廣GIS、GPS等技術(shù)，地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)旨在應(yīng)用遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和相關(guān)技術(shù)。目前，傳統(tǒng)森林資源調(diào)查與監(jiān)測(cè)的范圍不斷擴(kuò)大，美國(guó)甚至已經(jīng)滲透到全球環(huán)境監(jiān)測(cè)和森林健康監(jiān)測(cè)中。利用遙感技術(shù)，構(gòu)建大范圍的森林生態(tài)圖和森林健康指數(shù)圖，對(duì)森林生物環(huán)境因子和森林健康狀況進(jìn)行連續(xù)、動(dòng)態(tài)地研究和監(jiān)測(cè)。

德國(guó)在森林資源監(jiān)測(cè)中，利用空中飛行、地面模型和數(shù)字地形模型，擴(kuò)大了森林資源監(jiān)測(cè)區(qū)域的信息量，并進(jìn)行了山林類型、土地利用和多元回歸分析。

奧地利利用地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)，每2a拍攝1張航空照片，并利用空中飛行和上述圖像信息，建立了完整的森林管理信息系統(tǒng)。通過對(duì)森林資源的分析，提供最新的森林資源狀況。

法國(guó)利用遙感信息監(jiān)測(cè)國(guó)家森林資源，特別是通過地層學(xué)方法提取標(biāo)本。飛行不僅要確定區(qū)域的位置，而且要采用面積判斷、森林多用途評(píng)價(jià)、土地利用調(diào)查、地面試驗(yàn)等多種抽樣方法，并將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到GIS系統(tǒng)中進(jìn)行生長(zhǎng)預(yù)測(cè)。

芬蘭從1964年第5次國(guó)家森林資源調(diào)查開始，采取地面調(diào)查和空中調(diào)查相結(jié)合的方式，解決了國(guó)家森林資源的長(zhǎng)期調(diào)查問題。1989年，GIS和RS的引入極大地提高了森林資源的監(jiān)測(cè)功能。

瑞典在第7次國(guó)家森林資源調(diào)查（1992—2002年）利用地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)向各區(qū)域提供最新的森林資源信息，并以此作為區(qū)域森林管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。高級(jí)林業(yè)衛(wèi)星遙感主要是對(duì)自然資源進(jìn)行常規(guī)詳細(xì)地分類，為了獲得與地面相同的位置信息，采用GPS數(shù)字化組織測(cè)量;連接到相冊(cè)或相應(yīng)的列表數(shù)據(jù)庫(kù);通過主屬性數(shù)據(jù)的融合，實(shí)現(xiàn)遙感影像、被測(cè)對(duì)象的空間位置信息和資源調(diào)查數(shù)據(jù)的融合。

2?3S技術(shù)在國(guó)內(nèi)資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用綜述

從當(dāng)前的應(yīng)用狀態(tài)來看，3S技術(shù)主要包括遙感技術(shù)（RS）、全球定位技術(shù)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）。該技術(shù)在檢測(cè)中的應(yīng)用非常有效，是當(dāng)前監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要表現(xiàn)形式。3S測(cè)量技術(shù)的共同核心部件是空間衛(wèi)星、地面觀測(cè)站和用戶設(shè)備。

3S測(cè)量技術(shù)的空間衛(wèi)星配置主要由24顆衛(wèi)星組成，其中3顆是替代衛(wèi)星，21顆是正常服務(wù)衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星平均分為6個(gè)空間軌道，在其平面上運(yùn)行，平均高度為20180km。正常情況下，每顆衛(wèi)星的正常運(yùn)行周期為11h 58min，每個(gè)軌道平面上的傾角為55°。L波段是衛(wèi)星和無線電正常情況下空間傳播模式的主波段，多數(shù)用戶已經(jīng)按照規(guī)則使用了L波段，繼續(xù)發(fā)送與導(dǎo)航定位有關(guān)的信號(hào)，不同衛(wèi)星的位置信息也包含在導(dǎo)航信號(hào)信息中，使衛(wèi)星形成獨(dú)特的已知?jiǎng)討B(tài)特性[1]。

一個(gè)聯(lián)絡(luò)點(diǎn)可以分布在世界各地。5個(gè)不同的監(jiān)測(cè)站和3個(gè)注入站組成了所謂的3S地面站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。3S測(cè)量技術(shù)中的地面監(jiān)測(cè)站主要依據(jù)3S監(jiān)測(cè)站的相關(guān)匯總數(shù)據(jù);通過測(cè)量技術(shù)衛(wèi)星的監(jiān)測(cè)，對(duì)每個(gè)衛(wèi)星軌道的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算和統(tǒng)計(jì)相關(guān)參數(shù)差，最終以特定的方式安排在可用的導(dǎo)航信息中，并傳送到每個(gè)注入站，進(jìn)而將注入站的準(zhǔn)確信息發(fā)送到各衛(wèi)星的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行備份保存。

3S測(cè)量技術(shù)由3S儀器技術(shù)、相關(guān)數(shù)據(jù)處理器、處理軟件及其它幾種數(shù)據(jù)設(shè)備構(gòu)成。3S測(cè)量技術(shù)的精密接收機(jī)能準(zhǔn)確掌握每顆先進(jìn)衛(wèi)星的衛(wèi)星信號(hào)和被測(cè)對(duì)象的衛(wèi)星信號(hào)，準(zhǔn)確跟蹤每顆衛(wèi)星的實(shí)際運(yùn)行軌跡，對(duì)相應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行處理、交換和擴(kuò)展，并利用相關(guān)技術(shù)軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。這使得測(cè)量效果和定位效果更加完美[2]。

3?3S技術(shù)在林業(yè)資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用背景

3S技術(shù)是最現(xiàn)代的勘探技術(shù)，其中最重要的內(nèi)容就是對(duì)地形進(jìn)行良好勘探。在林業(yè)資源領(lǐng)域的應(yīng)用也源于其自身的特點(diǎn)。其可監(jiān)測(cè)面積比其它監(jiān)測(cè)技術(shù)大，可以探測(cè)到所有的森林資源，防止遺漏。在這樣的形勢(shì)下，3S技術(shù)在林業(yè)資源開發(fā)中發(fā)揮著越來越重要的作用。同時(shí)，與其它技術(shù)相比，3S技術(shù)工具更多。3S技術(shù)的誕生使保障人類生命信息安全成為可能。如，森林野火是困擾人們的一大火災(zāi)問題，由于野火初發(fā)很難被感知，只有當(dāng)火勢(shì)以肉眼可見的形式表現(xiàn)出來時(shí)才被發(fā)現(xiàn)，這給野火的防控帶來極大困難。3S技術(shù)的誕生可以在互聯(lián)網(wǎng)上記錄森林?jǐn)?shù)據(jù)異常，對(duì)提前預(yù)防山火發(fā)生具有積極影響。

4?3S技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)及存在問題

4.1?應(yīng)用特點(diǎn)

信息技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了森林資源監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新。集成技術(shù)與現(xiàn)代森林資源監(jiān)測(cè)技術(shù)不是單一的技術(shù)，而是多種技術(shù)或多部門的綜合積累;是采樣技術(shù)與數(shù)學(xué)建模、航空與衛(wèi)星遙感解譯、GIS與空間分析、地圖與GPS的有機(jī)結(jié)合。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是森林資源監(jiān)測(cè)的綜合技術(shù)。

數(shù)據(jù)的多樣性，21世紀(jì)，森林研究和監(jiān)測(cè)的目的是可持續(xù)發(fā)展。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括森林資源和生態(tài)環(huán)境。進(jìn)一步的調(diào)查和監(jiān)測(cè)需要多種數(shù)據(jù)。

森林資源的空間分布具有廣泛的信息可用性，因此森林監(jiān)測(cè)必須強(qiáng)調(diào)其有效性。利用整顆衛(wèi)星采集的遙感數(shù)據(jù)，大大提高了森林資源監(jiān)測(cè)信息的有效性。特別是衛(wèi)星遙感進(jìn)一步提高了森林資源監(jiān)測(cè)的時(shí)空分辨率。通過傳播的發(fā)展，監(jiān)測(cè)的有效性更高。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，GPS采集的信息和遙感圖像可以通過GIS軟件進(jìn)行處理，提供給網(wǎng)絡(luò)上的不同用戶，從而提高森林資源調(diào)查監(jiān)測(cè)信息的共享程度。

4.2?存在問題

現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，包括3S集成技術(shù)，使森林資源環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)逐漸現(xiàn)代化、數(shù)字化，但在應(yīng)用中還存在一些亟待解決的問題。

考慮到精度、性能和價(jià)格等因素，TM圖像通常被用作空間分辨率為30m/30m、空間分辨率為15m/15m的信息源，這使得線性目標(biāo)和小目標(biāo)的結(jié)合變得困難。

探測(cè)因子難以準(zhǔn)確解釋，空間分辨率為1m的衛(wèi)星圖像無法準(zhǔn)確確定樹木組成、森林等級(jí)、水管直徑、樹木高度、子樹網(wǎng)格、樹木等參數(shù)，必須與野外作業(yè)相結(jié)合。

由于圖像色調(diào)的變化和輻射光譜的差異，森林資源監(jiān)測(cè)區(qū)域的準(zhǔn)確區(qū)域劃分存在一定的困難。受森林植被分布、地形因素、攝影季節(jié)和氣候條件等因素的影響，TM圖像顏色不一，植物存在動(dòng)物異質(zhì)性現(xiàn)象，時(shí)間因子和地面因子難以判斷，影響了分割精度。

由于地形因素的影響，GPS的精確定位很難跟蹤。GPS具有衛(wèi)星多、信號(hào)好、位置跟蹤快、精度高等特點(diǎn)。但在山谷或狹窄地形地區(qū)，GPS觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量少、信號(hào)不穩(wěn)定，衛(wèi)星雖能定位，但定位速度慢、精度低，GPS的使用受到限制。

很難將航空航天遠(yuǎn)程探測(cè)與現(xiàn)行法規(guī)相協(xié)調(diào)。在實(shí)踐中，我國(guó)的空間遙感探測(cè)方法在探測(cè)方面是一種有效的方法，但其使用與現(xiàn)行法規(guī)不符。在法規(guī)方面，空間遙感沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，法律地位簡(jiǎn)單提及，沒有主要情報(bào)人員的職務(wù)。

5?3S技術(shù)在林業(yè)資源監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用

3S技術(shù)在實(shí)際林業(yè)過程和方向上有著不同的運(yùn)作模式。因此，本文重點(diǎn)考察了3S技術(shù)在林業(yè)中的后續(xù)工作內(nèi)容。

5.1?森林資源監(jiān)測(cè)

由于森林資源是可變動(dòng)資源，因此林業(yè)部門會(huì)對(duì)森林資源密切監(jiān)測(cè)，審查不同的森林情況，以便找到適當(dāng)?shù)慕鉀Q辦法。3S技術(shù)的出現(xiàn)使森林資源的識(shí)別更加高效[3]。在實(shí)際記錄過程中，3S技術(shù)可充分捕捉樹木生長(zhǎng)狀況并幫助森林管理人員分析問題對(duì)策。

5.2?整理林業(yè)資源數(shù)據(jù)

在3S技術(shù)誕生之前，對(duì)森林資源數(shù)據(jù)進(jìn)行整理時(shí)，往往都是人工進(jìn)行的。人為組織工作，需要員工有較強(qiáng)的工作能力和責(zé)任心，然而在實(shí)際工作過程中，許多員工的工作責(zé)任感不高，進(jìn)而增加了人工工作條件的錯(cuò)誤率。3S技術(shù)的誕生和應(yīng)用，對(duì)改變?nèi)斯けO(jiān)測(cè)方式具有極大幫助，能夠使森林資源的收集和整理變得簡(jiǎn)單而精確。

5.3?災(zāi)害防治

由于森林是自然災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，森林自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)防成為當(dāng)前工作的重點(diǎn)。3S技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了森林防火監(jiān)測(cè)質(zhì)量。在實(shí)踐中，3S技術(shù)提供了快速森林掃描、快速變化檢測(cè)和報(bào)警功能。此外，3S技術(shù)還可利用輻射檢測(cè)森林病蟲害;紅外3S技術(shù)還被應(yīng)用于火災(zāi)監(jiān)測(cè)，通過探測(cè)火災(zāi)和溫度來探測(cè)森林火災(zāi)。

5.4?能夠?yàn)榱謽I(yè)管理人員提供幫助

在正式應(yīng)用3S技術(shù)之前，林業(yè)管理人員使用的是傳統(tǒng)的林業(yè)管理系統(tǒng)。在實(shí)際管理過程中，傳統(tǒng)的工作方式效率低下，各種管理失誤問題不斷發(fā)生，極大地影響了林業(yè)經(jīng)營(yíng)質(zhì)量。3S技術(shù)的研究開發(fā)，改善了林業(yè)管理人員的工作方式，在管理過程中具有更高的工作效率和工作質(zhì)量，對(duì)保證林業(yè)的深入管理貫徹落實(shí)具有積極影響。

6?3S技術(shù)應(yīng)用展望

對(duì)森林的管理經(jīng)營(yíng)是促進(jìn)林業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵所在，雖然森林建設(shè)項(xiàng)目可以在一段時(shí)間內(nèi)完成，但在短時(shí)間內(nèi)樹木的生長(zhǎng)不可能完成?；谶@種情況，將3S技術(shù)應(yīng)用于林業(yè)，可以對(duì)其進(jìn)行有效保護(hù)，保證林業(yè)的健康發(fā)展。在未來的發(fā)展應(yīng)用方面，3S技術(shù)應(yīng)該在森林資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。對(duì)林業(yè)病蟲害的監(jiān)測(cè)。一般來說，森林面積很大，工作人員想要對(duì)林木疾病展開全面監(jiān)測(cè)具有較大困難，但應(yīng)用3S技術(shù)，在監(jiān)測(cè)測(cè)量中可以便捷地監(jiān)測(cè)到每棵樹的情況，并能檢測(cè)出病害的狀況;對(duì)林業(yè)生態(tài)的監(jiān)測(cè)。森林發(fā)展依賴于自身的生態(tài)系統(tǒng)和其它生物，利用3S技術(shù)對(duì)物種的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)行觀測(cè)尤為重要。

7?總結(jié)

目前，3S技術(shù)在監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，并且非常適用于林業(yè)的發(fā)展。3S技術(shù)可以確保對(duì)森林資源的全面監(jiān)控，在森林火災(zāi)等其它領(lǐng)域的應(yīng)用也非常有效。由此可見，3S技術(shù)是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的必備技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)任編輯?李媛媛）