物聯網在智慧林業中的應用現狀及對策

王嬌陽 米敏 劉也楠

摘要? ? 綜述了物聯網在林業災害監測、林業資源保護、林業監管系統中的應用現狀，探討了林業物聯網的技術、應用和政策方面的發展瓶頸，并針對性地提出研究發展方向和政策導向。

關鍵詞? ? 物聯網;智慧林業;發展瓶頸;發展方向

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

物聯網（IOT）是通過無線傳感器（WSN）、射頻識別（RFI

D）、全球定位系統（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”通信模式進行網絡傳輸互聯，實現智能化識別、實時控制、精確管理和科學決策的一種高度信息融合技術[1-2]。物聯網經過十幾年的發展，已被廣泛應用于農業領域，涵蓋農、林、漁、牧等各方面和生產、經營、管理、服務各環節，形成農業物聯網體系，對于實現農業現代化、信息化具有重要意義[3]。智慧林業就是在此基礎上，充分利用物聯網技術，形成林業立體感知，實現高效協同管理的林業發展新模式[4]。物聯網在智慧林業中應用廣泛，在林業資源監管、林業災害監控及應急響應、生態監測、林業有毒有害廢棄物監管、林業產業發展等方面蘊藏了巨大的潛力[5-7]。

1? ? 應用現狀

1.1? ? 在林業災害監測中的應用

近年來，全球氣候變化速度加劇，林業災害多發、頻發，林業管理工作面臨巨大的挑戰。林業災害主要包括森林火災、林業有害生物災害、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。借助氣象監測、紅外感應、導航定位、視頻監控、無線傳感、RFID等技術，構建天網、地網、林網系統、信息管理平臺和物聯網應用操作平臺，可以有效進行林業災害監測、及時預警預報、智能應急防控，將災害管理工作實現由重救災向重預防轉變，節省大量人力、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]。很多專家致力于數據處理、監測手段、防控措施、管理體系等方面的調查和研究，并取得了較大的突破。柳萍萍[10]針對Hyperion高光譜數據的龐大性和高維度，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，為大面積遙感林業災害監測及災情評估提供技術支持。陶佰睿等[11]設計了一套基于物聯網的森林火災防控系統，可監測指定地域森林環境，實現火情類型、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（監測點）[12]以及相應的監測設備，結合應用物聯網技術構建林業監測體系，將極大地提升效率，有效引導科學決策、科學防治。

1.2? ? 在林業資源保護中的應用

林業資源是非常重要的再生資源，包括木質資源和非木質資源，木質資源主要是指喬木資源，非木質資源包括林地、動物、微生物、環境資源等。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境遭受破壞，世界性林業資源日趨減少，林業資源保護工作已刻不容緩。通過建立信息庫、數據庫，設計構架物聯網系統，擴大了林業資源保護的監控范圍，實現了動態管理，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、養護日志等信息的電子標簽植入植株體內，進行古樹名木的自動記錄、在線管理、病蟲診斷、防火監測，實現全程追蹤[7，13]。楊雪清等[14]針對國內木材進口市場供需現狀，通過遙感、地理信息等技術和手段獲取境外森林資源信息，構建可集中管理和實時訪問的系統框架，實現國家林業局調查規劃設計院、地方林業局2級管理系統應用，充分掌握各級林業資源信息。申鳳偉[15]以江蘇大豐麋鹿保護區的動物個體或族群為對象，結合地理信息，確立模型追蹤動物位置，發送出界信息，達到整體可視化監控，應用Oracle數據庫、VC、GIS等技術，開發保護區信息管理系統，實現數據采集、收發、預警等過程的動態監測，對麋鹿進行跟蹤、監控、管理。劉 晨等[16]經過數據處理和分析，可以有效區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。在林業資源保護工作中，要根據資源類型、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和價值，通過物聯網系統實現人為化、小范圍的管理向自動化、大區域的保護轉變。

1.3? ? 在林業監管系統中的應用

林業監管涵蓋種苗培育、林產品認證溯源、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、從業人員參差不齊、管控范圍分布廣泛等原因，目前林業監管存在較多難點。基于物聯網的智慧林業監管系統集傳感技術、通訊技術、運輸技術、信息安全技術、信號處理技術、云計算和資源管理為一體，可以實現數據收集與管理、產地識別與追溯、車輛定位與抓拍、模型創建與應用等功能，形成嚴密監管體系，具有提高監管效率、降低生產成本、減少資源浪費等優點。盧書海等[17]提出利用物聯網技術建立木材干燥監測系統，根據木材種類、厚度、含水率等各項干燥指標設置干燥窯內傳感器節點參數，建立數據處理和決策模塊，通過遠程下達指令控制加熱閥、噴蒸管等完成調節。邱榮祖等[18]應用GIS技術和遺傳算法，基于木材物流空間數據庫，對木材物流過程的數據進行采集、編輯、處理，結合道路、地形、面積、地價等影響因子和供材量、客戶需材量等業務數據，獲得最佳運輸路徑，建立物流中心選址模型，為提高企業的木材物流管理水平提供科學決策。陸研[19]基于RFID技術構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框架，可實現查詢動態管理信息、多點共享分布情況、自動統計各類報表、智能感應參觀權限等功能。在林業監管過程中，可根據監管對象、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，制定預警參數與響應機制，推動現代林業監管系統的建立和完善，實現智慧林業的長效發展。

2? ? 發展瓶頸

2.1? ? 技術方面

物聯網的發展需要依靠信息感知、信息傳輸、信息處理等方面的設備、技術和系統的研發、應用和完善，以及技術規范、行業標準的制定。我國物聯網關鍵技術相對落后，在極大程度上限制了其在智慧林業中的發展和應用。在信息感知方面，傳感器技術和身份識別技術應用較為廣泛，可感知環境參數、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]。我國光電產業發展滯后，高端半導體芯片被發達國家所壟斷，因而傳感器產業化發展緩慢[21]。我國農用傳感器種類不到世界的10%，主要集中在溫濕度監測上，動植物生命信息感知傳感器缺乏，還存在性能不穩定、采集誤差較大、器材壽命短等弱點，在覆蓋面、適用性、可靠性等方面與發達國家差距甚遠，不能滿足林業物聯網系統的發展需求[22]。而RFID技術作為感知、識別物體的主要技術手段，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]，缺乏技術標準，沒有統一的符號、編碼格式、語法標準、測試規范等[24]，尚未形成完整的體系。在信息傳輸方面，可以根據不同立地條件和運行需求通過有線或無線的方式將數據傳輸至應用層，借助SMDS網絡、ZigBee、移動通信等技術，組成網絡系統，實現信息傳輸。但我國網絡傳輸安全性較差、抗干擾能力弱、自動動態組網技術落后[25]，傳輸的過程易中斷、數據收集不穩定等因素給智慧林業發展帶來一定的困難。另外，林業系統點多面廣、作業環境惡劣復雜，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，對數據進行存儲、處理、計算、智能分析，提出控制、響應參數，創建預測、預警模型，實現智能控制、診斷決策。歐美等發達國家和地區已經研發了大量預測預警模型，而國內生物數字化模型大都沒有建立，數據分析缺乏參照標準，控制系統的技術參數比較單一。總體來說，我國物聯網特別是在林業中的發展還處在初級階段，各項技術還不成熟，還需借鑒國外先進經驗，引進先進技術，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，農村剩余勞動力多，文化素質不高，農業企業整體規模偏小，技術手段運用不多，產業化經營水平不高，眾多因素極大地限制了物聯網技術在林業中的發展和應用。目前存在的應用難點主要有3個方面。一是農民和企業對物聯網的應用效果和可能帶來的商業價值認識不夠，無法主動投入設備和技術;二是既懂林業生產管理，又能熟練使用各種智能控制設備、掌握網絡信息技術的專業人員嚴重緊缺;三是物聯網的投入大、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領域，林業物聯網研究成果少且轉化乏力。

物聯網已被我國納入戰略性新興產業規劃重點，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》中指出，要“推動物聯網關鍵技術研發和在重點領域的應用示范”。但是政府尚未出臺政策對物聯網發展進行宏觀指導，尚未設立獨立的財政資金支持物聯網產業，技術研發、產業發展、項目推廣等還處于摸索階段，資源、人才和技術的整合需要多個部門和單位高度配合、協同工作。

3? ? 發展對策

3.1? ? 技術方面

面對國內物聯網技術的發展現狀，要堅持自主研發與引進吸收并重。在信息感知方面，國內傳感器將圍繞降低生產成本、減少能量消耗、開拓監測領域進行，朝著低成本、低功耗、高性能、高精度的方向發展，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，林業方面重點研制可用于監測林業災害信息、捕捉動物生命狀況、測量林產品品質等傳感器。身份識別技術將克服語音、RFID等現有手段的缺點，重點研制損傷少、精度高、識別方便的技術，朝著MEMS傳感器、DNA識別等更為可靠、更為先進的技術方向發展[20，23]。在信息傳輸方面，要充分利用快速發展的公共電話交換網、WIFI、WIMAX、3G、4G等有線和無線網絡，重點優化網絡部署協議，擴大覆蓋范圍，實現信息的高時效性。在信息處理方面，重點構建面向林業的信息處理模型、建立云計算體系和標準，實現“數據在云端、軟件在云端、計算在云端”。

3.2? ? 應用和政策方面

在互聯網、大數據、云計算、網絡通信等技術的支持和推動下，物聯網技術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、相關企業等逐漸開始重視物聯網在林業中的研究、開發、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業數字化技術、大田作物數字化技術和數字農業集成技術等綜合應用示范基地[26]，帶動不少農戶、合作社、龍頭企業等自主投入資金、應用先進技術、建立管理系統。為加快物聯網技術在林業方面特別是在基層中的應用和推廣，必須重視物聯網專業人才的培養與培訓。聯合科研院所和大專院校，聯合農技推廣站，加強在基層對林業物聯網系統和知識的宣傳[27]。在穩定和擴大技能型人才隊伍的同時，重點研究系統適應范圍，搭建集成林業災害監測、資源保護、監管預警等功能的服務平臺，實現全產業鏈動態檢測和管理;重點制定包括傳輸網絡接入、操作訪問準入等方面的統一技術規范，解決操作標準和信息安全問題。

4? ? 結語

林業物聯網目前面臨著前所未有的發展機遇，同時也面臨巨大挑戰。在大力推進林業物聯網發展的過程中，要強化政府的宏觀調控和正向引導，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儲備，高度整合社會資源，共同打造“全要素、全過程和全系統”的林業物聯網體系，例如建立林業物聯網專項，全面調查、收集林業資源信息，合理配置、利用各級測報點等。林業物聯網應用基礎薄弱、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展[28]。

5? ? 參考文獻

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