林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)中3S技術(shù)應(yīng)用探討

衛(wèi) 凡

(云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，云南 昆明 650051)

1 引言

3S技術(shù)涉及遙感(remote sensing，RS)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)和全球定位系統(tǒng)(global position system，GPS)，這些技術(shù)及其集成形成了地理空間信息科學(xué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和必不可少的技術(shù)核心，對(duì)于自然資源調(diào)查和環(huán)境保護(hù)十分重要。隨著我國(guó)信息科技的不斷發(fā)展，將3S技術(shù)運(yùn)用于林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)中應(yīng)用得到了比較好的效果[1]。

林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)主要包括社會(huì)生產(chǎn)建設(shè)前進(jìn)行林業(yè)調(diào)查、社會(huì)發(fā)展建設(shè)過(guò)程中進(jìn)行的林業(yè)發(fā)展規(guī)劃和對(duì)林業(yè)資源進(jìn)行科學(xué)開(kāi)發(fā)利用的林業(yè)設(shè)計(jì)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及各種科學(xué)的知識(shí)、數(shù)據(jù)和信息技術(shù)。其科學(xué)性決定了林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)的成效和林業(yè)資源管理的成就。在老式的林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)中，用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)查、分析以及效益評(píng)估和設(shè)計(jì)的一些常規(guī)方法中技術(shù)含量較低，工作量很大，成本也很高[2]。由于空間信息技術(shù)的發(fā)展，特別是3S技術(shù)的發(fā)展，形成了半自動(dòng)或自動(dòng)收集、編輯、管理、分析數(shù)據(jù)和地圖的方法。3S技術(shù)的應(yīng)用將林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)工作帶進(jìn)一個(gè)新的發(fā)展階段。

2 3S技術(shù)概述

3S技術(shù)中包含RS技術(shù)、GIS技術(shù)、GPS技術(shù)。其中，RS使用各種設(shè)備，在不與物體發(fā)生物理接觸的情況下遠(yuǎn)距離獲取、收集關(guān)于特定物體或區(qū)域的信息，因此不同于現(xiàn)場(chǎng)觀察，應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)亞馬遜地區(qū)的森林砍伐、氣候變化對(duì)特定區(qū)域森林的影響等。GIS技術(shù)是一種綜合型的應(yīng)用系統(tǒng)，該技術(shù)可以將相應(yīng)的地理位置的相關(guān)信息有效的結(jié)合在一起，并且利用多種技術(shù)，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)以及幾何學(xué)等，在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的相應(yīng)環(huán)境下，能夠有效的輸出相應(yīng)的地理圖形以及相關(guān)的數(shù)據(jù)[3]。GPS技術(shù)最早是美國(guó)NAVSTAR全球定位系統(tǒng)，20世紀(jì)80年代開(kāi)始由軍用進(jìn)入民用；中國(guó)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)于2018年開(kāi)始全球服務(wù)，并于2020年完成全面部署。在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃化設(shè)計(jì)中，3S技術(shù)能夠快速的獲取需要的信息，使林業(yè)管理更加便捷，從而進(jìn)行更好的林業(yè)調(diào)查以及規(guī)劃設(shè)計(jì)，能夠有效地提高林業(yè)管理的水平。利用3S技術(shù)能夠有效的對(duì)林業(yè)中的空間信息、環(huán)境信息進(jìn)行準(zhǔn)確的采集以及處理，構(gòu)成一種系統(tǒng)性的技術(shù)集成，使林業(yè)管理變得更加方便。

在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐中利用3S技術(shù)一般可以分為3個(gè)階段：第一個(gè)階段是需要進(jìn)行信息的采集，為林業(yè)技術(shù)人員或管理人員提供準(zhǔn)確以及專業(yè)的數(shù)據(jù)；第二個(gè)階段則為構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，將前面收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的劃分，然后建立相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便林業(yè)技術(shù)人員或管理人員有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、利用和管理；第三個(gè)階段則是將數(shù)據(jù)進(jìn)行多方面的分析以后，能夠有效地為林業(yè)管理人員提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)提供多種方案，提高林業(yè)管理水平[4]。

3 3S技術(shù)在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 3S的技術(shù)原理

3S就是利用RS、GPS、GIS三種觀測(cè)技術(shù)及其相關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)，有機(jī)結(jié)合起來(lái)，正確、經(jīng)濟(jì)、快速地提供所需信息。基本設(shè)想是利用RS最新的影像信息、GPS的關(guān)鍵位置信息、GIS的影像處理技術(shù)和數(shù)據(jù)分析及成果應(yīng)用展示[5]。3S技術(shù)集成在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)中，以GPS、GIS和圖像處理系統(tǒng)為核心，增加了計(jì)量、數(shù)據(jù)采集、專家輸出等系統(tǒng)。其中，GPS的作用是實(shí)時(shí)定位、輔助測(cè)圖和屬性更新；RS圖像處理系統(tǒng)的功能包括輻射校正、幾何校正、幾何處理、數(shù)據(jù)傳輸和壓縮、格式轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)、圖像識(shí)別；全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)主要用于航片掃描、定向、立體圖建立、DTM采集、土地類型信息采集等；GIS通過(guò)對(duì)矢量地圖數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行制圖分析，可以對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析；在進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)上，按一定的類型或模型進(jìn)行堆積分析和網(wǎng)絡(luò)分析，進(jìn)行林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)的規(guī)劃、預(yù)測(cè)；輸出系統(tǒng)完成所有成果的打印、顯示和繪圖任務(wù)。綜合而言，林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)中的3S技術(shù)應(yīng)用必須具備：獨(dú)立且一致的觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖像、圖形的存儲(chǔ)、編輯、處理、分析、預(yù)測(cè)和決策系統(tǒng)；文件、決策方案和預(yù)測(cè)結(jié)果的輸出系統(tǒng)。

3.2 3S技術(shù)的應(yīng)用步驟

林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)總體劃分為6個(gè)步驟：一是實(shí)地調(diào)查、數(shù)據(jù)采集與計(jì)算、信息收集與整理；二是林地利用現(xiàn)狀與土地保持措施調(diào)查；三是土地利用規(guī)劃；四是林地資源保持措施規(guī)劃；五是確定實(shí)物進(jìn)度與資金安排；六是林地資源效益分析。在這6個(gè)步驟中，第一步和第二步耗費(fèi)的時(shí)間和金錢(qián)最多，使用“3S”可以提高其速度和精度。隨后簡(jiǎn)要闡述了用“3S”完成林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要步驟[6]。

3.2.1 基本信息的收集和整理

在規(guī)劃區(qū)，收集一定比例尺的近期地形圖、遙感影像數(shù)據(jù)(如TM、SPOT)、航片等相關(guān)空間信息，建立索引圖。根據(jù)規(guī)劃和數(shù)據(jù)庫(kù)的要求，對(duì)采集到的專題數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，存入計(jì)算機(jī)，建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2.2 建立區(qū)域GPS控制網(wǎng)

通過(guò)GPS控制網(wǎng)可以獲取影像控制點(diǎn)的坐標(biāo)，不僅可用于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量中的攝影定位，還可用于土地利用地塊的更新、外測(cè)、外繪。在大面積規(guī)劃時(shí)，GPS控制網(wǎng)可獲取影像特征坐標(biāo)，編制遙感影像幾何糾正。布網(wǎng)步驟包括：區(qū)域分析、按環(huán)境修復(fù)和水土保持要求選點(diǎn)、制圖、標(biāo)記石制作、標(biāo)記鉆孔、GPS觀測(cè)、水準(zhǔn)測(cè)量、計(jì)算、控制網(wǎng)檢查等。

3.2.3 全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量

全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是獲取規(guī)劃區(qū)地形地貌、土地利用等信息的最簡(jiǎn)單、最準(zhǔn)確的方法，特別是在小流域規(guī)劃、小尺度水資源與水土保持工程設(shè)計(jì)、宏觀規(guī)劃中的地塊規(guī)劃等方面都是最簡(jiǎn)單、最準(zhǔn)確的方法[7]。在小流域規(guī)劃、小流域規(guī)劃、小尺度水土保持工程設(shè)計(jì)、宏觀規(guī)劃中，全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量是獲取規(guī)劃區(qū)地形、地貌、土地利用信息最簡(jiǎn)單、最準(zhǔn)確的方法。

3.2.4 遙感圖像處理和信息分類

這部分工作主要集中在宏觀區(qū)域規(guī)劃上。首先，利用圖像分析處理軟件對(duì)遙感圖像進(jìn)行近似校正。然后，利用GPS或大、中比例尺地形圖獲取的關(guān)鍵地面點(diǎn)坐標(biāo)，完成圖像的幾何糾正。通過(guò)抽穗帽轉(zhuǎn)移、要素轉(zhuǎn)移等信息獲取技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分類。將圖像分類技術(shù)與目視解譯相結(jié)合，識(shí)別其他土地利用邊界。同樣，所有的信息都應(yīng)該按照它們的類型存儲(chǔ)在相應(yīng)的層中。

3.2.5 坡度信息和溝壑密度分類

坡度是林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)，特別是退耕還林還草規(guī)劃的重要指標(biāo)。利用常用的地理信息系統(tǒng)軟件(如ArcGIS、MGE等)，可以直接從數(shù)字地面模型(DTM)中獲取。如果缺少DTM，則需要手工繪制地形圖，將數(shù)據(jù)掃描到計(jì)算機(jī)中并轉(zhuǎn)換為矢量。溝壑密度定義為特定區(qū)域的溝壑總長(zhǎng)度。從DTM中提取溝谷密度指示，可以采用水力分析的方法，也可以采用地形圖測(cè)量的方法。

3.2.6 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與管理

GIS數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而繁瑣的過(guò)程。林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)專業(yè)性強(qiáng)，但內(nèi)容單一，相對(duì)簡(jiǎn)單[8]。主要任務(wù)包括：確定數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，選擇合適的數(shù)據(jù)模型(有網(wǎng)格型、層聯(lián)型等)，組織數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)決策輔助系統(tǒng)和設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)。GIS數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件、矢量配置圖文件、柵格文件、屬性數(shù)據(jù)文件等進(jìn)行管理，當(dāng)調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)傳輸相應(yīng)的文件。

3.2.7 計(jì)劃方案的確定

在專家系統(tǒng)管理的基礎(chǔ)上，利用高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，對(duì)規(guī)劃中的線性與非線性、動(dòng)態(tài)與靜態(tài)、多目標(biāo)規(guī)劃中由系統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，識(shí)別出適用于規(guī)劃的決策輔助系統(tǒng)或規(guī)劃模型。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀、土地利用原則、環(huán)境整治要求和規(guī)劃發(fā)展方向，制定出一套方案，由專家系統(tǒng)對(duì)方案進(jìn)行分析，確定最佳方案。在確定最佳方案后，規(guī)劃數(shù)據(jù)根據(jù)地塊傳回屬性數(shù)據(jù)庫(kù)并存儲(chǔ)，制圖系統(tǒng)對(duì)校正后的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行折疊，對(duì)不合理的空間進(jìn)行運(yùn)算，完成具體的制圖工作。

3.2.8 結(jié)果輸出

根據(jù)規(guī)劃結(jié)果，編制社會(huì)經(jīng)濟(jì)形勢(shì)、土地利用、林地保持措施現(xiàn)狀表和規(guī)劃表。利用打印機(jī)和繪圖儀對(duì)完成的林地表格、地圖、圖案、正射影像等進(jìn)行標(biāo)繪和打印。

4 3S技術(shù)在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用案例

4.1 林業(yè)動(dòng)態(tài)情況監(jiān)測(cè)

及時(shí)的森林動(dòng)態(tài)獲取能夠?yàn)榱謽I(yè)管理部門(mén)提供有效的信息。在傳統(tǒng)的林業(yè)調(diào)查規(guī)范化設(shè)計(jì)管理中，管理人員主要使利用地形圖以及航片等手段來(lái)進(jìn)行森林的動(dòng)態(tài)情況監(jiān)測(cè)。但是由于這種監(jiān)測(cè)技術(shù)比較落后，管理人員在獲取森林的動(dòng)態(tài)情況時(shí)所需要的時(shí)間比較長(zhǎng)，同時(shí)工作的效率也比較低。如今將3S技術(shù)運(yùn)用于森林調(diào)查管理中，能夠隨時(shí)獲取森林具體的動(dòng)態(tài)情況，方便了林業(yè)管理人員及時(shí)地對(duì)森林進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。

4.2 林業(yè)病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)

管理人員利用遙感技術(shù)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)林業(yè)中是否存在病蟲(chóng)害的情況。同時(shí)通過(guò)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)還能夠有效的確定病蟲(chóng)害發(fā)生的范圍。能夠方便管理人員及時(shí)進(jìn)行處理，從而減少損失。

4.3 3S技術(shù)在云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃中的應(yīng)用

20世紀(jì)50年代后期，航空遙感技術(shù)在云南省林業(yè)調(diào)查與規(guī)劃中運(yùn)用十分廣泛。云南省林業(yè)調(diào)查與規(guī)劃正式使用3S技術(shù)是在2000年的“中荷合作云南省森林保護(hù)與社區(qū)發(fā)展項(xiàng)目”。該項(xiàng)目中，云南省主要承擔(dān)地理信息系統(tǒng)以及森林資源生物多樣性調(diào)查和監(jiān)測(cè)。2000年4月，在萊陽(yáng)河自然保護(hù)區(qū)進(jìn)行了地理信息系統(tǒng)以及森林資源生物多樣性調(diào)查和監(jiān)測(cè)，并完成了相應(yīng)調(diào)查和監(jiān)測(cè)工作。調(diào)查成果由專家進(jìn)行評(píng)審，于2001年在云南省測(cè)繪地圖展覽中獲得了專題圖二等獎(jiǎng)。

4.4 “3S”集成技術(shù)在實(shí)施環(huán)境修復(fù)和水土保持規(guī)劃中的應(yīng)用

在空間信息技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)境恢復(fù)與水土保持規(guī)劃的特點(diǎn)和需求，提出了利用3S集成技術(shù)進(jìn)行“環(huán)境恢復(fù)與水土保持規(guī)劃”的方法和途徑[9]。在該集成系統(tǒng)中，全球定位技術(shù)主要用于實(shí)時(shí)定位，補(bǔ)充地塊測(cè)量和屬性更新；遙感圖像處理技術(shù)主要應(yīng)用于遙感圖像數(shù)據(jù)的幾何校正，幾何處理；全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)適用于圖像的掃描，圖像定向和數(shù)字地形模型DTM的收集；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于計(jì)算機(jī)分類，提取地面覆蓋和土地組成信息以及水土保持信息的狀態(tài)；GIS將處理矢量形式的圖形數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖形分析；權(quán)限分析系統(tǒng)用于環(huán)境恢復(fù)和水土保持計(jì)劃的預(yù)測(cè)和執(zhí)行計(jì)劃，圖形和圖像輸出系統(tǒng)用于多種結(jié)果的顯示，繪圖，打印。這些方法將涵蓋基本數(shù)據(jù)的收集和分析，在規(guī)劃區(qū)域內(nèi)建立GPS控制網(wǎng)，代表區(qū)域的全數(shù)字照片勘測(cè)，遙感圖像的處理和信息收集，坡度和溝壑密度因子的收集，水庫(kù)的設(shè)計(jì)和管理。 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，計(jì)劃確認(rèn)，淤泥結(jié)構(gòu)等小規(guī)模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，地圖繪制和成果導(dǎo)出。

5 3S技術(shù)在林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景

5.1 技術(shù)普及的范圍越來(lái)越廣泛

隨著3S技術(shù)不斷的普及，同時(shí)技術(shù)也在不斷完善，相應(yīng)的成本也越來(lái)越低[10]。在未來(lái)，會(huì)有更多林業(yè)管理部門(mén)使用3S技術(shù)來(lái)進(jìn)行林業(yè)的管理。

5.2 定位系統(tǒng)不斷升級(jí)優(yōu)化

由于空間技術(shù)的不斷發(fā)展，中國(guó)的空間計(jì)劃也在部署實(shí)施。這使得定位系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，定位系統(tǒng)中存在的問(wèn)題能夠逐漸得到解決[11]。隨著與其他國(guó)家的合作，定位系統(tǒng)的相應(yīng)技術(shù)也在不斷發(fā)展。

5.3 管理逐漸朝著專業(yè)的方向發(fā)展

在3S技術(shù)中，利用地理信息系統(tǒng)能夠有效提高林業(yè)調(diào)查規(guī)范設(shè)計(jì)中的管理效果，在有效的森立火災(zāi)預(yù)防、森林病蟲(chóng)害預(yù)防以及森林資源管理等方面能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)隨著探測(cè)工作的不斷發(fā)展，使得地理信息系統(tǒng)也在逐漸地朝著專業(yè)化的方向發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

3S技術(shù)的應(yīng)用，使林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)擺脫了以實(shí)驗(yàn)和調(diào)查為主的不科學(xué)、無(wú)指導(dǎo)的局面，堅(jiān)定地走出了一條科學(xué)化、自動(dòng)化、實(shí)用化的道路。上述應(yīng)用還處于組合階段，而不是集成階段，決策輔助系統(tǒng)和專家系統(tǒng)還處于開(kāi)發(fā)和嘗試階段。隨著3S和應(yīng)用模塊的發(fā)展，3S將嚴(yán)格、緊密、系統(tǒng)地結(jié)合起來(lái)，為林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)工作帶來(lái)更多的指導(dǎo)性和實(shí)踐性，可以發(fā)揮更大的作用。