國(guó)有林場(chǎng)智能林業(yè)發(fā)展淺析

關(guān)則崧徐放王保華李彬

(1.陽(yáng)江市國(guó)有陽(yáng)江林場(chǎng)，廣東 陽(yáng)江 527499；2.廣東省林業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510520)

我國(guó)森林面積廣大，全國(guó)各省區(qū)均有不同比例的林地覆蓋，2021年底我國(guó)的森林面積達(dá)到2.2億hm2，占國(guó)土面積的22.9%。我國(guó)國(guó)有林場(chǎng)承擔(dān)了我國(guó)國(guó)土綠化、木材產(chǎn)品供給和生態(tài)建設(shè)的多重任務(wù)，2015年起我國(guó)實(shí)施了國(guó)有林場(chǎng)改革，進(jìn)一步確立了我國(guó)林場(chǎng)維系生態(tài)穩(wěn)定的核心任務(wù)。國(guó)有林場(chǎng)改革完成后，我國(guó)擁有4200余個(gè)國(guó)有林場(chǎng)，分布在31個(gè)省區(qū)的1600多個(gè)縣級(jí)行政區(qū)內(nèi)。林業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較為特殊，林地地形也不適于開展機(jī)械化作業(yè)，因此先進(jìn)技術(shù)手段在林業(yè)中的應(yīng)用比例相對(duì)較低，遙感監(jiān)測(cè)等手段在20世紀(jì)90年代開始應(yīng)用于林業(yè)資源的調(diào)查和評(píng)估[1]。在同一時(shí)間，歐美國(guó)家基于坡度較小的林地，開發(fā)出了一大批機(jī)械化種植、撫育、采伐和運(yùn)輸設(shè)備，顯著提升了林業(yè)的生產(chǎn)效率[2]。近年來(lái)，電子信息技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，也給智能林業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了助力，各種林地生產(chǎn)、檢測(cè)和管理設(shè)備小型化、智能化，林業(yè)管理人員也配發(fā)了各種智能終端用于林業(yè)資源調(diào)查和巡檢等。本文總結(jié)了現(xiàn)有“智能林業(yè)”相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期為未來(lái)國(guó)有林場(chǎng)的發(fā)展提供參考。

1 種苗繁育與林業(yè)生產(chǎn)

長(zhǎng)期以來(lái)，木材生產(chǎn)一直是我國(guó)國(guó)有林場(chǎng)的核心任務(wù)，目前國(guó)有林場(chǎng)的工作重心轉(zhuǎn)為維系生態(tài)穩(wěn)定，但依然需要利用現(xiàn)有林地，更為高效地實(shí)現(xiàn)木材蓄積量的提升，保證我國(guó)木材安全。以往的林業(yè)生產(chǎn)中，育苗、種植、撫育、管護(hù)、采伐等工作大多由人力完成，隨著近年來(lái)人工成本的大幅提升，木材生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)收益被人工成本大幅壓縮，部分林區(qū)的一些樹種出現(xiàn)木材售價(jià)低于采伐成本的情況，某些林場(chǎng)采伐后直接就地丟棄于林地中改種其他樹種，造成了木材的大量浪費(fèi)。而利用現(xiàn)代化的智能設(shè)備輔助林業(yè)生產(chǎn)，可以大幅度降低成本。以林下經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物種茶樹為例，周順珍等[3]開發(fā)了茶樹的智能育苗技術(shù)，在優(yōu)良無(wú)性系扦插后利用電子設(shè)備對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，由控制系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)噴淋和遮陽(yáng)設(shè)施實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)的光、溫、水、肥的自動(dòng)調(diào)控，極大提升了苗木的生產(chǎn)效率，由于實(shí)現(xiàn)了更為合理的管護(hù)，苗木成活率提升了25個(gè)百分點(diǎn)。日本ISEKI公司研發(fā)的用于嫁接的撫育機(jī)器人，每小時(shí)可嫁接900株左右，成功率超過(guò)95%。另外，日本研發(fā)了修枝機(jī)器人，可在樹干上自由移動(dòng)，利用自帶的電鋸進(jìn)行修枝，十分有利于珍貴樹種大徑級(jí)無(wú)節(jié)材的培育，提升修枝質(zhì)量的同時(shí)降低了修枝成本。美國(guó)約翰迪爾公司研制出了新一代伐木聯(lián)合機(jī)，集伐木、打枝、造材等功能于一體，可在陡坡和林地連續(xù)運(yùn)動(dòng)，計(jì)算機(jī)程序根據(jù)傳感器反饋的路況信息控制機(jī)器行進(jìn)的步伐，生產(chǎn)效率高，且減少了對(duì)地表生物資源的破壞。而木材生產(chǎn)重要的采伐環(huán)節(jié)方面，1995年芬蘭Plustech公司推出了六足步行式采伐機(jī)器人樣機(jī)，1997年TimberJack公司在此基礎(chǔ)上推出了更為完善的采伐機(jī)器人[4]，但早期的機(jī)器人智能化水平較低，難以適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境，近年來(lái)我國(guó)的福馬機(jī)械集團(tuán)公司與北京林業(yè)大學(xué)共同開發(fā)了采伐機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了最新智能化設(shè)備在林木采伐機(jī)械上的應(yīng)用。

2 森林病蟲害與火災(zāi)的監(jiān)測(cè)與控制

森林病蟲害和森林火災(zāi)等災(zāi)害一直是威脅森林生態(tài)穩(wěn)定的重要因素之一，二者均有突發(fā)性、隨機(jī)性發(fā)生的特點(diǎn)，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測(cè)相關(guān)威脅至關(guān)重要。目前，隨著衛(wèi)星和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，森林災(zāi)害的監(jiān)測(cè)能力提升迅速，衛(wèi)星可以提供高分辨率的圖片，在軌衛(wèi)星可以每天多次獲取某一特定地點(diǎn)的圖像，而部分靜止軌道遙感衛(wèi)星更是實(shí)現(xiàn)了特定地區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用軟件對(duì)高清圖像進(jìn)行比對(duì)，可發(fā)現(xiàn)葉色明顯變化的林地或起火點(diǎn)，進(jìn)而及時(shí)通報(bào)林業(yè)部門進(jìn)行處理。長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司基于現(xiàn)有的高清遙感和資源檢測(cè)衛(wèi)星，開發(fā)了可以實(shí)現(xiàn)單株樹木松材線蟲病的檢測(cè)技術(shù)，能夠根據(jù)病樹的顏色發(fā)生的變化確定感病單株，評(píng)判出染病單株后，衛(wèi)星自動(dòng)解算出染病單株的地理位置，林業(yè)工作者在手持終端上看到病株的位置和病株的衛(wèi)星圖片，即可及時(shí)進(jìn)行無(wú)害化處理，防止病害蔓延。而無(wú)人機(jī)與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合也可以實(shí)現(xiàn)類似的效果[5]，而相關(guān)技術(shù)也可在火災(zāi)的監(jiān)測(cè)中發(fā)揮類似的作用。森林火災(zāi)等發(fā)生后，現(xiàn)有消防設(shè)備也開始了智能化改良，如防火直升機(jī)和水上飛機(jī)根據(jù)智能終端提供的數(shù)據(jù)向火場(chǎng)中投入滅火彈或直接灑水；目前最先進(jìn)的機(jī)載滅火彈已經(jīng)引入軍用技術(shù)，可以搭載引導(dǎo)頭，實(shí)現(xiàn)滅火彈的衛(wèi)星精確制導(dǎo)，如我國(guó)已經(jīng)大量生產(chǎn)的雙尾蝎A無(wú)人機(jī)能夠攜帶4枚200kg級(jí)的制導(dǎo)滅火彈完成火場(chǎng)撲救任務(wù)，且無(wú)人機(jī)保養(yǎng)簡(jiǎn)單，可以利用公路完成起降，提升了滅火效率，且制導(dǎo)滅火彈的發(fā)射平臺(tái)也可以擴(kuò)展至履帶車輛、輪式車輛等，避免了人員過(guò)于靠近火場(chǎng)造成意外傷亡的情況出現(xiàn)。而火災(zāi)發(fā)生后，對(duì)火災(zāi)跡地可燃物和恢復(fù)狀況的分析也可通過(guò)智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)，張齊等[6]利用基于信息熵的多遙感指數(shù)集成火燒跡地制圖，利用無(wú)人機(jī)或者衛(wèi)星的遙感影響快速實(shí)現(xiàn)火災(zāi)跡地高精度的范圍提取和受災(zāi)狀況的精準(zhǔn)評(píng)估，并對(duì)災(zāi)后植被恢復(fù)的情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。相關(guān)技術(shù)顯著提升了林業(yè)部門對(duì)災(zāi)害的預(yù)警能力，節(jié)約了處置時(shí)間，可以顯著降低森林災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失。

3 林業(yè)資源調(diào)查與評(píng)估

20世紀(jì)90年代遙感衛(wèi)星投入使用之前，我國(guó)森林調(diào)查主要由各級(jí)林業(yè)調(diào)查隊(duì)完成，主要采用抽樣的方法獲取森林資源情況，林業(yè)調(diào)查技術(shù)人員工作強(qiáng)度極大，以西藏等地區(qū)的林業(yè)調(diào)查為例，調(diào)查人員需自帶糧食以馬匹代步在原始森林中連續(xù)調(diào)查2個(gè)月以上[7]。而遙感、激光雷達(dá)、無(wú)人機(jī)等設(shè)備提供了更加快捷有效的森林資源監(jiān)測(cè)方法，尤其是無(wú)人機(jī)和激光雷達(dá)的聯(lián)合使用，提供了更為精準(zhǔn)的調(diào)查林地和單株生長(zhǎng)情況的方式。無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)不僅可以獲取平面坐標(biāo)信息，還可以獲取地物的高程信息，通過(guò)不同視角對(duì)相關(guān)三維坐標(biāo)信息進(jìn)行三維顯示和量測(cè)，并采用數(shù)據(jù)處理軟件獲取三維坐標(biāo)信息中所表達(dá)的地物表面積、體積等信息[8]。無(wú)人機(jī)和激光雷達(dá)可以實(shí)現(xiàn)林地中的單木分割、樹高估測(cè)、葉面積指數(shù)計(jì)算、郁閉度估計(jì)和林分密度估測(cè)定。這是首次出現(xiàn)的可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的單株生長(zhǎng)量調(diào)查的智能設(shè)備，隨著激光雷達(dá)技術(shù)的改進(jìn)，單束激光脈沖能量的提升和獲取反射數(shù)量的增加，該系統(tǒng)可以更為有效地實(shí)現(xiàn)地表、地物信息的獲取，智能識(shí)別技術(shù)也可以更加高效地對(duì)各單株的生長(zhǎng)情況進(jìn)行評(píng)判。范光鵬[9]提出基于激光雷達(dá)點(diǎn)云的樹木定量結(jié)構(gòu)模型，可以完整地描述出樹木地上部分所有木質(zhì)部的幾何模型，除可以準(zhǔn)確提取胸徑、株高等基本數(shù)據(jù)外，還可以實(shí)現(xiàn)枝干結(jié)構(gòu)的精確重構(gòu)和生長(zhǎng)量提取，該技術(shù)未來(lái)能夠大大降低林業(yè)調(diào)查的工作量，有利于林業(yè)工作者更方便全面地掌握林地的生長(zhǎng)情況。陳東鵬[10]開展了林業(yè)背包式激光雷達(dá)過(guò)傳感器集成和數(shù)據(jù)融合研究，實(shí)現(xiàn)了激光雷達(dá)設(shè)備的小型化，確定林業(yè)背包式激光雷達(dá)多傳感器集成系統(tǒng)的安裝方式，在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)更具靈活性、便攜性的特點(diǎn)，拆卸式連接結(jié)構(gòu)使本系統(tǒng)維護(hù)維修成本更低。

4 林業(yè)綜合服務(wù)能力

隨著林業(yè)生產(chǎn)的逐漸集約化，各種環(huán)境因子對(duì)林業(yè)生產(chǎn)影響機(jī)制研究的逐漸深入，森林模擬經(jīng)營(yíng)系統(tǒng)也為林業(yè)生產(chǎn)者提供了更為有效的指導(dǎo)。如，葡萄牙等國(guó)家的林業(yè)主管部門的網(wǎng)站中已經(jīng)設(shè)有森林經(jīng)營(yíng)模擬系統(tǒng)，在輸入位置、立地、栽培樹種等參數(shù)后，會(huì)直接給出相應(yīng)的營(yíng)林措施，栽培密度、肥料施用量和施用時(shí)間、撫育措施、病蟲害防治和采伐周期等，極大提升了森林經(jīng)營(yíng)的效率，減少了人工和肥料的浪費(fèi)[11]。目前4G和5G通訊技術(shù)的普及使得對(duì)林業(yè)的監(jiān)控和感知能力得到了質(zhì)的提升，在一些交通特別不便的林地中設(shè)置監(jiān)控設(shè)備，采用蓄電池或光伏供電，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)林區(qū)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如林區(qū)內(nèi)的重要道路、古樹名木等，最大限度保證林區(qū)的安全；此類設(shè)備更換紅外攝像頭等，放置于保護(hù)動(dòng)物經(jīng)常出現(xiàn)的地區(qū)，可以對(duì)保護(hù)動(dòng)物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為后續(xù)的行為學(xué)分析和種群保護(hù)提供技術(shù)支持。目前，各林區(qū)和保護(hù)區(qū)已經(jīng)廣泛設(shè)置了具有自動(dòng)提示功能的標(biāo)識(shí)牌，利用光伏設(shè)備充電，人靠近時(shí)可以自動(dòng)提示來(lái)訪者已經(jīng)進(jìn)入林區(qū)或提醒來(lái)訪者此處禁止進(jìn)入，該設(shè)備配合監(jiān)控設(shè)備使用，可更好地保證林區(qū)和自然保護(hù)區(qū)的安全。近年來(lái)，林業(yè)法規(guī)政策的逐年完善，林長(zhǎng)制的施行，也為林業(yè)的發(fā)展提供了更好的社會(huì)環(huán)境，而短視頻、自媒體、社交軟件等新興傳媒的出現(xiàn)也更有利于相關(guān)政策法規(guī)的推廣和宣傳，各級(jí)林業(yè)部門通過(guò)在各類社交媒體上發(fā)布最新的林業(yè)法規(guī)、珍稀瀕危動(dòng)植物信息、林業(yè)科學(xué)技術(shù)等文章或視頻，大大提升宣講效果，各個(gè)林區(qū)開發(fā)的森林游憩資源，也可以通過(guò)各平臺(tái)進(jìn)行宣傳和推送，可以更好地實(shí)現(xiàn)森林的康養(yǎng)功能和經(jīng)濟(jì)效益。另外，林業(yè)部門的政務(wù)服務(wù)功能也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，利用電腦或手機(jī)端實(shí)現(xiàn)部分非關(guān)鍵行政事務(wù)的審批，提高林業(yè)部門的工作效率。

5 總結(jié)

現(xiàn)代林業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，要求林業(yè)產(chǎn)業(yè)必須逐漸走向機(jī)械化和智能化，從而提升林業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)能力。由于林業(yè)與第一產(chǎn)業(yè)或第二產(chǎn)業(yè)中的產(chǎn)業(yè)門類相比，林業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境差異極大，因此在機(jī)械化和智能化方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。但隨著未來(lái)對(duì)林產(chǎn)品需求的增加以及勞動(dòng)力成本的大幅提升，林業(yè)產(chǎn)業(yè)需要在木材生產(chǎn)、木材加工、環(huán)境感知、資源調(diào)查、保護(hù)監(jiān)控、社會(huì)服務(wù)等領(lǐng)域內(nèi)廣泛全面地引入智能化設(shè)備，可以更好地在提升勞動(dòng)生產(chǎn)率的同時(shí)獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益。未來(lái)國(guó)有林場(chǎng)的發(fā)展中，智能設(shè)備會(huì)覆蓋林業(yè)生產(chǎn)和監(jiān)管的各個(gè)環(huán)節(jié)，智能設(shè)備也會(huì)持續(xù)向小型化、低廉化、操作簡(jiǎn)單化的方向發(fā)展，國(guó)有林場(chǎng)也應(yīng)培養(yǎng)和吸納相關(guān)人才，以適應(yīng)未來(lái)林業(yè)技術(shù)的發(fā)展，提升國(guó)有林場(chǎng)維系木材安全和穩(wěn)定生態(tài)的能力，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)穩(wěn)定發(fā)揮更大的作用。