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談“精確林業(yè)”的發(fā)展及其應(yīng)用前景
摘要：概述了“精確林業(yè)”的內(nèi)涵及其主要支撐技術(shù) (包括 GPS、GIS、RS、DBMS、DSS、VRT等 )、操作過程和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ,并對精確林業(yè)在中國的發(fā)展前景進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞：精確林業(yè) GPS GIS
在現(xiàn)代信息技術(shù)、生物技術(shù)、工程技術(shù)等一系列高新技術(shù)的推動下，林業(yè)正在進(jìn)入以知識高度密集為主要特點(diǎn)的知識林業(yè)發(fā)展階段，于是，“精確林業(yè)(Precision Forestry)”應(yīng)運(yùn)而生。所謂精確林業(yè)，即在林業(yè)生產(chǎn)過程中運(yùn)用視覺傳感器、衛(wèi)星定位等高新技術(shù)，實(shí)時(shí)測知工作對象所需工作的質(zhì)、量和時(shí)機(jī)等數(shù)據(jù)，通過對影響林木生長的環(huán)境因素實(shí)際存在的時(shí)空差異性的分析，判別林木長勢優(yōu)劣，確定影響長勢的原因，提出科學(xué)處方，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效的調(diào)控措施，消除和減少這些差異，按需定量實(shí)施灌溉、施肥和噴藥，以實(shí)現(xiàn)最小資源投入、最大林業(yè)收益和最少環(huán)境危害。
1、精確林業(yè)的主要支撐技術(shù)
精確林業(yè)以3S技術(shù)、信息技術(shù)、智能化決策技術(shù)、可變量控制技術(shù)等為技術(shù)支撐體系，以生態(tài)學(xué)、造林學(xué)、工程學(xué)、系統(tǒng)學(xué)、控制學(xué)、測繪學(xué)為指導(dǎo)，能在自動化、智能化、一體化、時(shí)效性、準(zhǔn)確性、可靠性等方面滿足人們的需要，它的建立依賴于地球空間信息基礎(chǔ)理論及其它高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
1.1 全球定位系統(tǒng)
全球定位系統(tǒng)(GPS)是＿種可供全球享用的空間信息資源，具有全球性、全天候、高精度、用途多、可靠性好、覆蓋范圍廣、定位速度快、抗干擾性強(qiáng)和自動化程度高等特點(diǎn)。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現(xiàn)對采集的林間信息進(jìn)行空間定位，實(shí)時(shí)、快速地提供包括各類傳感器(如CCD攝像頭)和運(yùn)載平臺(如作業(yè)車輛、飛機(jī)等)目標(biāo)的空間位置，輔助作業(yè)機(jī)械完成處方實(shí)施.
1.2 地理信息系統(tǒng)
地理信息系統(tǒng)(GIS)可以在計(jì)算機(jī)硬件、軟件系統(tǒng)的支持下，存儲、管理、分析和描述整個(gè)或部分地球表面與空間和地理分布有關(guān)的數(shù)據(jù)，把地理位置和相關(guān)屬性有機(jī)地結(jié)合起來，根據(jù)用戶需要將空間信息及屬性信息準(zhǔn)確真實(shí)、圖文并茂地輸出。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現(xiàn)對多種來源的時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析和處理，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制電子地圖，作為新的集成系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺。
1.3 遙感
遙感(RS)是一種多平臺、多波段、高分辨率和全天候的對地觀測技術(shù)，主要通過遙感器獲取地球表面(層)自然界目標(biāo)的波譜特征信息及對這些信息進(jìn)行加工、處理，從而達(dá)到認(rèn)識自然界的目的。在精確林業(yè)中，它主要用于實(shí)時(shí)地獲取樹木生長環(huán)境、生長狀況和空間差異的大量時(shí)空變化信息，及時(shí)對GIS進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。
1.4 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)
數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)使存儲和查找數(shù)據(jù)最優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了﹁體化存儲和初步的一體化查詢，具有很好的完整性，避免了數(shù)據(jù)過于瑣碎帶來的不便。在精確林業(yè)中，它主要用于建立包含林木長勢、自然條件和歷史數(shù)據(jù)等信息的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)，它使GIS軟件能充分利用商用數(shù)據(jù)庫已經(jīng)成熟的眾多特性，如快速索引、數(shù)據(jù)完整性和一致性保證、安全和恢復(fù)機(jī)制及分布式處理機(jī)制，明顯提高GIS軟件管理空間數(shù)據(jù)的能力。
1.5 決策支持系統(tǒng)
決策支持系統(tǒng)(DSS)綜合了專家系統(tǒng)(ES)和模型系統(tǒng)(SS)，它根據(jù)專家在長期生產(chǎn)中積累的知識，建立作物栽培模型、統(tǒng)計(jì)趨勢分析與預(yù)測模
1.6 可變量控制技術(shù)
可變量控制技術(shù)(VRT)就是根據(jù)不同位置及要求自動改變施用比率的技術(shù)。它通過計(jì)算機(jī)控制，對林木所需用的水、肥料、農(nóng)藥等變量的類別和數(shù)量進(jìn)行判斷，根據(jù)需要調(diào)控如植保機(jī)械向林間噴灑這些變量的速率，使系統(tǒng)能在特定時(shí)間對特定目標(biāo)進(jìn)行操作規(guī)劃，以達(dá)到精確定量地灌溉、施肥、噴藥的目的，體現(xiàn)了“對癥下藥”、“按需給予、”“變量投入”的原則，它的實(shí)施可有效避免傳統(tǒng)粗放型林業(yè)生產(chǎn)活動中造成的資源浪費(fèi)和伴隨的環(huán)境污染問題。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)控，合理地進(jìn)行施肥、灌溉、施藥等措施。GIS繪制電子地圖，生成林木長勢情況分布圖，分析此圖，獲得林區(qū)內(nèi)樹木長勢的差異程度一根據(jù)該圖，對影響樹木成長的各項(xiàng)因素進(jìn)行分析，將地形、土質(zhì)、土壤肥力、土壤含水量、氣候狀況、蟲害、病害發(fā)生情況空間數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，利用樹木生長發(fā)育模型、相關(guān)作業(yè)的專家知識庫等建立空間智能決策支持系統(tǒng)，確定產(chǎn)生長勢差異的原因，生成林木管理處方圖一根據(jù)處方圖，生成響應(yīng)林業(yè)機(jī)械的智能控制軟件，按照按需投入、區(qū)別對待的原則，利用可變量控制技術(shù)實(shí)施施肥、噴藥等操作一對其執(zhí)行效果進(jìn)行評估。
2、精確林業(yè)的基本操作過程
精確林業(yè)的出現(xiàn)，使定量獲取影響樹木長勢情況的因素及最終生成的空間差異性信息，實(shí)施可變量投入，達(dá)到低成本、低消耗、高效率、環(huán)保好等目標(biāo)成為可能。圖1是精確林業(yè)基本操作過程的示意圖，其實(shí)施過程可描述為：帶GPS和實(shí)時(shí)傳感器的作業(yè)機(jī)械隨時(shí)間和空間變化自動采集林間定位及對應(yīng)林班的樹木長勢情況數(shù)據(jù)一通過型、空間分析與技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析模型，通過用戶選擇最優(yōu)模型，輸入模型的參數(shù)，獲得仿真運(yùn)算結(jié)果，從而為決策提供輔助支持的依據(jù)。在精確林業(yè)中，它主要實(shí)現(xiàn)對樹木長勢、病害、蟲害的發(fā)生趨勢進(jìn)行分析模擬，針對林木生長環(huán)境和生長條件的時(shí)空差異性，生成處方圖，提供各林班施肥噴藥方案，對精確林業(yè)的實(shí)施效果、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評估。
3、精確林業(yè)的研究現(xiàn)狀
3.1 國外研究動態(tài)
一些發(fā)達(dá)國家在精確林業(yè)相關(guān)技術(shù)的研究方面發(fā)展較快，如在森林土壤類型分析、林地適應(yīng)性評價(jià)、森林生態(tài)環(huán)境模擬、林木育種以及生長監(jiān)測和森林收獲等領(lǐng)域已有成熟的應(yīng)用。
美國林務(wù)局為每個(gè)林管局和林業(yè)研究所配備了資源級GPS接收機(jī)，主要用于災(zāi)害監(jiān)測和防治的飛機(jī)導(dǎo)航、林相圖的自動更新和林區(qū)作業(yè)的定位服務(wù)。
美國林務(wù)局和伊利諾大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的Smart Forest軟件，實(shí)現(xiàn)了森林景觀的可視化，以DTM三維顯示技術(shù)為基礎(chǔ)，使用GIS作為決策支持媒介來考察景觀尺度的資源狀況，在林業(yè)信息的支持下，可以從不同視角模擬觀察森林景觀及其變化。
美國太空成像公司對原有的利用衛(wèi)星RS數(shù)據(jù)監(jiān)測火災(zāi)的技術(shù)和方法進(jìn)行了歸納、整理和合并，形成了一套基于Internet影像查詢系統(tǒng)的、實(shí)用的火災(zāi)探測算法，該算法具有自適應(yīng)和區(qū)域性敏感的特點(diǎn)，所以適合于區(qū)域和全球火災(zāi)監(jiān)測，可以實(shí)時(shí)獲取火災(zāi)位置等信息。
Reid等人(2001)研究開發(fā)了FIAMODEI。來存儲和分析林業(yè)數(shù)據(jù)，主要具有森林現(xiàn)狀分析、發(fā)展趨勢預(yù)測、森林生態(tài)景觀分析、觀光風(fēng)景區(qū)內(nèi)的森林布局等功能，同時(shí)，它還可提供林道、河流、邊界等數(shù)據(jù)的查詢。
Dimitru和Olson運(yùn)用空間信息系統(tǒng)集成和衛(wèi)星數(shù)據(jù)來確定森林覆蓋率。技術(shù)路線是，通過像素尺寸的變化來判別樹種是否有所增加，對比Landsat TM和SPOY—XS遙感衛(wèi)星攝像2、3、4波段得到的數(shù)據(jù)，可以得到林區(qū)內(nèi)較為準(zhǔn)確的信息。
美國克羅拉多大學(xué)研究開發(fā)了一套航空錄像的自動配準(zhǔn)和校正系統(tǒng)
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