精準林業(yè)技術體系的設計與實踐研究

陳秀蓉

（定西市巉口林業(yè)試驗場，甘肅 定西 743022）

0 引言

在市場格局轉(zhuǎn)型重構(gòu)、經(jīng)濟發(fā)展?jié)u趨平穩(wěn)的新環(huán)境下，高新科技產(chǎn)業(yè)正式迎來高速發(fā)展新契機。以互聯(lián)網(wǎng)為依托的通信工程、計算機工程更新迭代，新設備及方法層出不窮，為林業(yè)生產(chǎn)技術的優(yōu)化升級創(chuàng)造了條件。以小班精準營業(yè)作業(yè)法、“3S技術+互聯(lián)網(wǎng)”為核心的精準林業(yè)技術逐漸發(fā)展起來，在降低能耗、提高創(chuàng)收等方面發(fā)揮著不容忽視的作用，有必要對其設計、實踐要點展開論述。

1 精準林業(yè)技術的內(nèi)在特征

1.1 追求高產(chǎn)投比

林業(yè)屬于高成本投入產(chǎn)業(yè)，從苗圃育苗至幼樹栽培，再到成林的管理及采伐、運送，均要耗費大量的人力、物力、財力。傳統(tǒng)林業(yè)管理模式給管理主體帶來了較大的產(chǎn)投壓力，投入不足易造成品種更新遲緩、基地建設質(zhì)量下降等，給林業(yè)標準化生產(chǎn)帶來阻礙，最終導致出現(xiàn)低產(chǎn)林、低質(zhì)林。而精準林業(yè)技術依托高新科技，可以較為高效、輕松地完成信息采集工作；結(jié)合林木遺傳工程技術，能篩選出產(chǎn)量更高、品質(zhì)更優(yōu)、抗性及適應性更強的林木品種，從而為林木遺傳改良奠定基礎，減少后期撫育管理投入的同時提高經(jīng)濟收益；后期借助無人機、全站儀等設備，與3S系統(tǒng)平臺互為配合，能顯著減少撫育、調(diào)查等環(huán)節(jié)的人力支出，從而達到減少成本投入的目的。

1.2 生產(chǎn)管理智能化

精準林業(yè)是科技發(fā)展、設施完善的綜合產(chǎn)物。其發(fā)展思路是引入高新技術，如常見的3S技術、遠程控制技術等，并將其融入生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，顯著提升林業(yè)管理效率。例如，全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）技術為不同種類、不同郁閉度林地面積的測量提供了便利，所有數(shù)據(jù)通過地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）實現(xiàn)可視化轉(zhuǎn)換，并支持遠程遙控和參數(shù)調(diào)整需求，整個過程更加科學和智能。現(xiàn)階段，各種新興設備的引入使林業(yè)調(diào)查、管理工作更加便利，如電動生長錐年輪自動識別設備，體積小且操作便捷，可以準確測量年輪寬度，有助于簡化管理操作、提升智能水平。

1.3 區(qū)域可持續(xù)發(fā)展

在全球分工細化、國際格局重構(gòu)的宏觀環(huán)境下，世界各國進入了經(jīng)濟飛速發(fā)展新階段，先進科技手段持續(xù)涌現(xiàn)，資源開發(fā)及利用效率明顯提升，然而，在提高人們生活品質(zhì)的同時，也存在著生態(tài)破壞、能源耗竭等隱患。摒棄傳統(tǒng)粗放型經(jīng)濟增長模式，營造生態(tài)和諧、可持續(xù)發(fā)展氛圍，已成為諸多國家的共識。從我國林業(yè)生產(chǎn)實踐來看，經(jīng)營管理粗放、資源浪費嚴重等問題普遍存在。農(nóng)藥、肥料等用量控制不當，導致土壤出現(xiàn)板結(jié)、污染等問題；部分單位片面追求短期利益，過度消耗地力，并且科技成果轉(zhuǎn)化率、推廣率不高，加之森林火災、病蟲害等威脅時有發(fā)生，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展帶來了較多的問題。而精準林業(yè)技術以3S技術為核心、遠程控制為手段，從林木空間結(jié)構(gòu)、生長態(tài)勢等入手，為經(jīng)營決策提供最全面、精準的信息支撐，有助于緩解經(jīng)濟生態(tài)矛盾，推動社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

2 精準林業(yè)技術體系設計要點

2.1 管理和研究對象

在精準林業(yè)技術體系中，小班樹木是最為關鍵的管理和研究對象。根據(jù)林區(qū)實際經(jīng)營情況確定小班區(qū)劃，并結(jié)合管理難度、工作量等配備人數(shù)、器械，使管理更具針對性，可以避免資源配置不合理等現(xiàn)象出現(xiàn)。小班區(qū)劃環(huán)節(jié)可選擇標準較多，可以將地類作為依據(jù)進行劃分，如造林工程初期可以分為有林地、疏林地等類型，前者主要指郁閉度在0.2以上的林地，后者郁閉度則維持在0.1～0.2。此外，宜林荒地、火燒跡地等類型，均可以作為小班劃分、經(jīng)營的依據(jù)。

在部分林地生產(chǎn)過程中，技術人員可依據(jù)齡組、經(jīng)營措施等標準，將作業(yè)小班分為幼齡林、中齡林及撫育林、改造林等。在地形起伏較大的林地中，則可以將坡度、坡向等作為小班劃分依據(jù)。無論采取何種方式，均要遵循因地制宜的基本原則，同時關注作業(yè)面積控制問題，面積劃分過大易降低生產(chǎn)效率，過小可能造成資源浪費，均會制約精準林業(yè)技術實施效果。通常，作業(yè)面積控制在10 hm為宜，若撫育、改造難度較大，則不能超過5 hm；若林地現(xiàn)場自然條件較好，坡度平緩且土壤肥沃，林分更新難度相對較低，則小班作業(yè)面積允許相應擴大，但總體上不超過20 hm。劃分實踐中借助遙感、無人機等技術進行區(qū)劃判讀，并結(jié)合GPS技術測定區(qū)劃面積、確認邊界，以提升小班區(qū)劃的合理性和精準性。

2.2 核心技術

2.2.1 3S技術。3S技術是對地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）及遙感技術（Remote Sensing Technique，RS）的統(tǒng)稱。RS、GPS位于整個技術體系的前端，是GIS主要的數(shù)據(jù)源供給方和更新方。以這些技術為基礎，配合分布式ES技術，能有效實現(xiàn)林業(yè)信息一體化管理，保障空間信息獲取、存儲及更新過程的可靠性、精準性。

RS技術興盛于20世紀60年代，可以在非接觸前提下對目標物體展開電磁波能量采集。在林業(yè)管理中，借助高精度RS設備可以實現(xiàn)土地面積、蓄積量測算及災害監(jiān)測。在面積判讀環(huán)節(jié)，借助遙感設備實時采集圖像，系統(tǒng)接收回饋數(shù)據(jù)后對其色調(diào)、光澤、大小等進行分析處理，解譯為海拔、地理位置等參數(shù)，將其輸入GIS操作平臺后，在精準林業(yè)理念指引下對其進行劃分，并對應填寫屬性因子，生成資源分布、土地利用現(xiàn)狀圖等。在災害監(jiān)測環(huán)節(jié)，樹木內(nèi)部生理變化規(guī)律通常難以被肉眼直接發(fā)現(xiàn)，但在近紅外波段下易呈現(xiàn)出來，利用RS技術生成圖像進行灰度值分析，能較好地發(fā)現(xiàn)異常情況，并勾畫災害發(fā)生面積。林火監(jiān)測環(huán)節(jié)同理。

GPS技術則以衛(wèi)星定位技術為支撐，具有連續(xù)性、動態(tài)化的基本特征，可以為用戶提供實時化的三維坐標，并標注時間、速度等信息。GPS技術的引入消除了傳統(tǒng)林業(yè)資源清查工作耗時、耗力的弊端，操作時只需在林區(qū)建立控制網(wǎng)絡，并對抽樣點進行測量，在此基礎上計算高精度控制點坐標，結(jié)合動態(tài)差分定位技術，即可有效提升坐標精確度，精確性能一度可達亞米級。在精準林業(yè)發(fā)展過程中，主要將GPS技術應用于伐區(qū)便捷測量、特定樹種定位等方面，部分情況下也用于造林工程驗收等。在林業(yè)資源普查工作中，GPS技術也具有較大的應用空間，可以將其用于各種區(qū)位、空間監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，提升調(diào)查精準程度的同時節(jié)省時間支出。

GIS技術主要負責接收反饋數(shù)據(jù)并對其展開存儲、分析，可以將各種類型、來源的數(shù)據(jù)與空間信息相對應，并在計算機平臺支撐下完成存儲、顯示等任務，也可以在此基礎上生成可視化的地圖、屬性數(shù)據(jù)等，為林業(yè)管理決策提供指引。傳統(tǒng)模式下，基層單位為確保伐區(qū)設計的科學性，保障造林設計的合理性，多會定期、不定期組織開展三類調(diào)查工作，林業(yè)局等部門為摸清森林資源總量、變化動態(tài)等，還會開展一類、二類調(diào)查，但實際作業(yè)環(huán)節(jié)受技術裝備水平限制，多數(shù)情況下只能依靠人力完成清查，工作壓力大且精準性難以保障。在精準林業(yè)理念下，現(xiàn)代信息采集手段與GIS技術結(jié)合，圖表文件編制生成速度明顯加快，統(tǒng)計難度也顯著降低。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫管理技術。高精度是精準林業(yè)技術極為關鍵的特征。其要求管理者在先進科技設備支持下，提升撫育、管理、采伐等操作的針對性，最大限度地滿足不同種類、齡期苗木的生長需求，為林業(yè)增產(chǎn)提質(zhì)奠定基礎。要想達成這一目標，必須以海量的信息分析為依據(jù)，同時搭配性能優(yōu)良、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部必須具備海量、異構(gòu)等特征，要能接納來自RS、GPS的各種影像、文字數(shù)據(jù)，且支持GIS實時提取和分析的要求，以便為圖形疊加、數(shù)據(jù)分類等操作提供便利。此外，數(shù)據(jù)庫應具備一定的可擴充性，各數(shù)據(jù)模塊以相對獨立的形式存在，需要刪減、修改算法時，不會對其他板塊產(chǎn)生明顯影響。系統(tǒng)內(nèi)部還應配置網(wǎng)絡接口，以滿足信息遠程傳送需求。

根據(jù)林業(yè)數(shù)據(jù)庫接收數(shù)據(jù)類型，可以將平臺大致劃分為以下模塊：①空間數(shù)據(jù)庫模塊，主要面向空間數(shù)據(jù)進行采集、分類和存儲，能較好地應對GIS信息來源復雜、原始數(shù)據(jù)不規(guī)范等問題，RS相關數(shù)據(jù)經(jīng)過預處理后，也可以用專用軟件提取并進行矢量化空間分析；②屬性數(shù)據(jù)庫模塊，可以為新庫建立、修改乃至拷貝等提供支撐，同時滿足屬性查詢、統(tǒng)計及報表生成等工作需求。數(shù)據(jù)庫服務平臺則開放查詢、更新及維護等板塊，林業(yè)管理者可在人機交互界面的支持下輸入相關指令，并執(zhí)行多種林業(yè)數(shù)據(jù)分析操作等。

2.2.3 可變量控制技術。可變量控制技術（Variable Rate Technology，VRT）能更好地適應林業(yè)經(jīng)營范圍廣、生產(chǎn)操作煩瑣等基本特征，運作時需要在計算機技術的支撐下完成指令收發(fā)任務，并根據(jù)指令內(nèi)容對灌溉用水、農(nóng)藥肥料等進行識別和施放，確保各種物料用量、種類最佳。即使面對不同位置節(jié)點，其也能較好地完成區(qū)分管理工作。近年來，科技體系持續(xù)更新，林業(yè)生產(chǎn)領域引進了大批自動化機械設備，如植保無人機等，借助VRT技術還能對其作業(yè)速率進行管控和調(diào)整，參數(shù)設定完成后系統(tǒng)可以在指定時間內(nèi)對指定對象展開管理操作，灌溉、施肥等速率均可遠程變更，對癥下藥、按需供給的特征更加明顯，有效規(guī)避了因施肥、施藥過量造成的土壤板結(jié)、污染等問題，保護環(huán)境安全的同時能降低能源消耗量。

隨著人工智能的發(fā)展，以模型訓練為基礎的自動化識別調(diào)控體系愈發(fā)完善。操作時，依托GIS生成林區(qū)內(nèi)部的電子地圖及林木長勢情況分析圖等，將之作為藍本提煉地形、土壤、氣候等長勢影響因子，與空間對應后輸入相關系統(tǒng)，搭建起描述精準、契合度高的虛擬模型，配合專家系統(tǒng)等推算部分區(qū)域林木長勢差的內(nèi)在成因，并生成針對性處方圖，最終利用可變量控制技術推動處方圖落實，調(diào)整施肥、噴藥等操作細節(jié)，實現(xiàn)全過程自動化推算和管控。相關措施落地后，系統(tǒng)還可以遠程遙感跟蹤樹木長勢，評估處方有效性并生成跟蹤報告，全方位保障決策的科學性和可靠性。

2.3 技術流程

相關人員需要根據(jù)實況劃分經(jīng)營小班，并確定小班作業(yè)面積及范圍，各班組配備相應數(shù)量的設備儀器，在GPS、RS等技術的支持下完成信息采集，將所有數(shù)據(jù)匯集至GIS平臺，經(jīng)過空間處理后生成地圖、報表等產(chǎn)品，為林業(yè)管理決策提供支持。同時，借助系統(tǒng)的強大分析功能生成針對性的森林處方，再將評估、優(yōu)化結(jié)果及方案反饋回小班班組，為其造林、監(jiān)測、防火等作業(yè)實踐提供方向。精準林業(yè)技術體系集成化流程思路見圖1。

圖1 精準林業(yè)技術體系集成化流程

2.4 技術難題

精準林業(yè)技術的應用可以有效提升管理效能，減少人力、物力資源支出，為繪制林業(yè)規(guī)劃圖、林相圖等提供便利，為具體的撫育管理操作提供依據(jù)。但在實踐生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其全面應用還面臨諸多阻礙，如部分林區(qū)基礎設施不完善、設備器械配備不健全等，相應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)搭建、完善難度較大。同時，我國幅員遼闊、地形地貌多樣，山區(qū)、丘陵地區(qū)地勢起伏較大，也給大型作業(yè)機械的進入和運行帶來了一定困難，部分情況下數(shù)據(jù)采集和分析受限嚴重。

3 精準林業(yè)技術體系實踐分析

筆者引入某林區(qū)三類調(diào)查實踐案例，對精準林業(yè)技術體系實施細節(jié)展開闡述。

3.1 硬件裝備配置

案例林區(qū)經(jīng)營規(guī)模較大、調(diào)查范圍較廣，人力調(diào)查和測繪難度較大，因此，引入無人機及攝影系統(tǒng)裝備。無人機機身裝設3個信號天線，配合集成攝影系統(tǒng)進行遠程采集，采集數(shù)據(jù)以6個外方元素為基點進行結(jié)算，過程中無須布設地面控制點，并且支持多圖像拼接和立體地標折疊。小班經(jīng)營范圍內(nèi)配備了手持式測速超站儀。該儀器具有科技化、集成化特征，能在定向、定位的基礎上，對目標樹體的高度、距離進行測量。同時配備輪尺、圍尺等構(gòu)件，支持數(shù)十個樣地的實施測量和記錄。以上硬件裝備的配置不僅避免了煩瑣的紙質(zhì)記錄方式，而且有助于推進內(nèi)外業(yè)一體化發(fā)展。手持式設備體積小且更加輕便，改變了傳統(tǒng)模式下設備落后、維修昂貴的局面，即使是單木，也可以進行高精度的觀察測量。

此外，林區(qū)配備了電動生長錐年輪自動識別設備，操作環(huán)節(jié)無須人工打入生長錐，減少工作量的同時能提高調(diào)查效率。該設備外殼采用鋁合金材質(zhì)，受力更加均勻且整體質(zhì)量更輕；各部件還支持拆卸分解，能降低現(xiàn)場維修難度。該設備前端構(gòu)件采集到樹芯信息后直接記錄、存儲，后期憑借自動識別軟件即可輕松提取。考慮到火災在林業(yè)經(jīng)營中危害性較大，因此，配備了精測性攝影全站儀設備，其同樣具備高度集成化特點，可以執(zhí)行全站儀測量功能、數(shù)碼鏡頭攝像功能，以及平板計算機結(jié)算、分析功能，對周圍300 m區(qū)域有較好的跟蹤監(jiān)測效果，從而實現(xiàn)小面積火災精準觀測。

3.2 軟件平臺設計

軟件平臺是數(shù)據(jù)處理分析、人機交互操作的關鍵，其性能是否完善、運算是否精準直接影響精準林業(yè)技術落實效果。在案例軟件平臺中，一是配備了無人機影像處理軟件，可以實時接收航拍數(shù)據(jù)，并在立體視覺理論的支撐下，對影像資料進行特征提取，根據(jù)提取結(jié)果還可以進行空中三角測量、影像鑲嵌勻色等，整個處理結(jié)果以大場景形式呈現(xiàn)，能為資源調(diào)查、災害應急等提供幫助。二是設置了地面數(shù)據(jù)處理平臺，平臺算法以C#語言為主，遵循Net Framework網(wǎng)絡框架，可以地面影像為根據(jù)，進行樹木胸徑、樹高等的計算。三是配備了林火防控平臺，除基本的防火部門人員構(gòu)成、設備管理模塊外，還可以實現(xiàn)防火數(shù)據(jù)的測算分析，所有瞭望塔、地面巡護影像實時更新后，可直接傳送到手機等移動終端設備，大幅度提高了森林火災響應速度。火災發(fā)生后，系統(tǒng)還可以在3S技術的幫助下準確定位著火點，幫助救援人員開展指揮、調(diào)度決策。四是配備了森林精準經(jīng)營管理平臺。該模塊同樣以3S技術為核心，可以幫助開展森林區(qū)劃、小班建庫，同時支持目標樣木的坐標、胸徑等計算，還可以在此基礎上進一步挖掘數(shù)據(jù)價值，生成立木精測模型，推算材積數(shù)值等，從而為林地經(jīng)營管理提供決策輔助。

未來有望依托微信公眾號平臺等同步林業(yè)管理信息，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)量預測等功能。

4 結(jié)語

精準林業(yè)技術是現(xiàn)代科技持續(xù)優(yōu)化的產(chǎn)物，具有鮮明的產(chǎn)出高、投入低、能耗少等優(yōu)勢，可以為區(qū)域經(jīng)濟、生態(tài)發(fā)展提供良好助力。在實踐環(huán)節(jié)，相關部門務必要把握精準林業(yè)的本質(zhì)理念，引入小班精準營業(yè)作業(yè)法，搭建完善的設施軟件支撐平臺，借助自動識別系統(tǒng)、無人機影像處理系統(tǒng)等，提升收集信息的精準程度，降低測速、灑藥、造林等工作對人力的依賴，推動林業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。