物聯網技術在智慧林業建設中的應用

辛 偉

（山東省德州市平原縣自然資源局，山東 德州 253100）

智慧林業是未來林業發展的主要方向，利用智慧化的手段和方法，注重生態環境的改善，提高林業經濟效益，凸顯林業生產的生態價值，智慧林業已然成為我國林業發展的新模式。在智慧林業建設中通過物聯網技術可以實現實時感知、快速響應、精準控制，可以解決許多以前林業生產中無法解決的難題，比如火災防控、生態環境監控等等，發揮著不可替代的作用。目前我國物聯網技術在林業生產中的應用尚處于起步階段，按照國家提出的“要把發展林業作為建設生態文明的首要任務”的要求，各地林業部門都制定了自己的發展目標，有關數據顯示，智慧林業系統初步形成后，我國林業生產將取得突破性進展，直接生產人員可減少一半以上，而生產效率可以提升30% 以上，安全性則可以提升80% 。因此，加快物聯網技術布局對推動我國智慧林業的健康快速發展具有非常重要的現實意義。

1 物聯網在智慧林業中的系統架構

物聯網是在互聯網基礎上發展起來的，其目標是實現萬物互聯，不論何時何地人、機、物都可以借助網絡實現信息交換與通信，在用于林業生產中就可以通過智能化識別、定位、跟蹤、監控與管理，形成林業立體感知，提高管理成效。在智慧林業中物聯網系統架構主要分為三個層面：感知層、網絡層和應用層[1]。

1.1 感知層

感知層的作用是對監測物體進行有效識別，并完成信息的采集，是整個物聯網感知的基礎。感知層功能的實現主要依賴于各種感應器件，比如RFID、傳感器、攝像頭、二維碼標簽等等，類似于人類的五官與皮膚，通過感知實現對外界物體的識別與信息的采集。在智慧林業中，利用感知層可以實時獲取森林的狀態信息，對森林火災、蟲害、盜伐等信息進行監控，并利用大數據技術完成基礎信息的收集整理。

1.2 網絡層

網絡層是連接感知層與應用層的紐帶，利用網絡起到信息傳輸的作用。在物聯網架構中網絡層綜合了已有的所有網絡形式，更體現了物聯網“萬物互聯”的廣泛性。隨著云計算、5G移動網絡的應用，網絡層所傳輸的數據量得到巨大提升，傳輸質量也發生了質的飛躍，建立起更加實用、適用、高效的數據傳輸體系與信息共享平臺。在智慧林業中，利用網絡層構建的信息共享平臺可以實現對林業資源的狀態信息查詢管理，完成對林相圖的繪制與優化。

1.3 應用層

應用層的主要功能就是利用云計算平臺對數據信息進行處理并進行深度挖掘，從而達到控制與管理的目的，這分為兩個方面來理解：一是對感知層獲取的數據信息進行處理，二是將數據信息與相關行業應用相結合，做出科學的決策。在智慧林業中，可以按照不同功能需求建立不同的應用系統，比如選擇具有代表性的樹木進行監測，獲取樹齡、樹種、胸徑、樹高等數據；對空氣土壤等環境因素進行監測；對森林中野生動物的監測與保護；對火災、病蟲害、盜伐等問題的防范等等。

2 物聯網在智慧林業中的具體應用

林業生產的特殊性與森林環境的復雜性，使得林業管理難度較大，一直以來無法對森林資源形成有效監測與監控，林業管理工作任務相當繁重。但是，基于物聯網技術的智慧林業將會有效解決這些難題，促進林業生產發生質量的飛躍。

2.1 在林區防火監控中的應用

森林火災會給生態系統造成嚴重的危害，給人類帶來嚴重的損失，而且突發性強、破壞性大，當形成森林火災后往往無法及時撲滅[2]。據資料顯示，2021年我國共發生森林火災616起，約有0.4萬公頃的森林受到不同程度的危害。森林防火監控系統利用智能化感知設備可以實時掌握森林的狀態，當火災發生后實時掌握火災現場的發展動態及趨勢，為火災救援決策提供參考，縮短火災反應時間，提高應對緊急火災事故的能力。森林防火監控系統的安裝可以利用原有的人工防火瞭望塔，加裝全景監控設備，視野開闊，沒有遮擋；在開闊地帶安裝球形轉臺攝像機，能夠進行360°旋轉連續巡航，對游人的活動情況進行實時監控，可實現事前預警、事后取證；在森林里各個角落安裝智能無線感溫設備，對森林的溫度進行實時監控；安裝熱成像攝像機，當監測到火災發生時會觸動報警裝置。利用林地內各種感知設備進行全天候監控，當出現火情時可快速完成識別、定位、分析、報警等一系列操作，遠端林場監控指揮中心快速做出反應，及時消除火災隱患。

2.2 在林區道路監控中的應用

在林區內道路上安裝高清卡口系統，這是一套比較先進的道路視頻監控系統，采用了光電技術、圖像處理技術、模式識別技術，前端安裝高清卡警攝像機，對道路上過往的車輛進行抓拍，并自動獲取車輛的信息，包括車牌、駕駛人、經過的時間等，高清的面部識別保證了圖像的清晰度。道路視頻監控系統可以實現快速報警、發案可查、事后取證，林區管理人員通過監控系統實時掌握林區及周邊道路的狀況，保障了林區的安全[3]。一般高清攝像設備安裝在進入林區的主要路口、事故多發區以及林區內需要重點監控的區域，這樣可以保證林區管理人員實時掌握進出林區車輛、人員的信息，既可以抓拍高清圖片，還能夠調取高清視頻，以供相關人員調查取證，當有車輛或人員穿越重點警戒區域時，或者在監控區域內長時間停留時，視頻監控系統都會發出報警信息，林區管理人員可快速反應，以應對各種突發狀況，對一些盜伐、盜獵、盜采的違法犯罪分子起到很好的威懾作用。

2.3 在林區野生動物保護中的應用

為了保護林區野生動物，常在動物出沒的隱蔽位置安裝紅外相機，對野生動物的活動軌跡進行觀察，自動拍攝野生動物靜態和動態圖像，在物聯網技術下可與監控中心實時互通。紅外相機一般都安裝在較為隱蔽的區域，尤其適合探測數量稀少的動物。紅外相機一般都是成對安裝，每兩臺設備為一個監測單元，選擇野生動物經常出沒的位置布置在兩側，距野生動物出沒的位置3～10 m，當有動物經過時就會觸發紅外探頭，可進行全天候拍攝，拍攝的圖像或圖片會自動存儲在本地，也可以利用網絡上傳到云端，林區管理人員可通過無線通信網絡進行查看、回傳等操作[4]。紅外相機可利用太陽能進行供電，并在相機外加裝金屬外殼，起到固定和防護的作用。紅外相機技術已經非常成熟，在林地野生動物保護工作中應用非常廣泛，隨著物聯網技術的應用，其應用領域也將更加廣闊。

2.4 在林區環境監測中的應用

為了保證林區植物具有良好的生長環境，需要對林區生態環境做好監測，監測的內容主要包括環境的溫度與濕度、風向與風速、大氣環境、降水、土壤等等，內容繁雜多樣，比如大氣監測中就涉及到氧氣濃度、二氧化碳濃度、惰性氣體的濃度等等，這些因素都統稱為生態因子。為了獲取相應的監測數據，需要在林區設立生態因子監測站，安裝各種傳感裝置，用于監測林區的溫濕度、土壤、大氣等參數，數據采集器在完成采集后通過物聯網將數據上傳到監測站控制中心，再經過軟件分析后進行處理與存儲。

2.5 在林區水文環境監測中的應用

森林對于自然界中的水分運動有著非常重要的影響。植物在生長過程中會吸收水分、產生蒸騰作用，林地也對降水起到滲透、貯蓄的作用，從而構建起良好的林業生態系統，調節降水、蒸發、徑流和土壤水分，生態效益顯著。在林區建立水文水質監測站，在物聯網技術支持下實現在線自動化監測，對林區內水流的流量、流速、水位、水溫、pH值、溶氧量、電導率、濁度、重金屬、氨氮等各項指標進行監測，隨時了解林區生態環境變化情況，做好環境保護[5]。

3 物聯網技術在智慧林業建設中的發展策略

智慧林業的概念提出較晚，雖然我們國家在智慧林業方面制定了一系列的發展策略與指導意見，確立了以生態建設為主的林業發展戰略，但是實際工作卻困難重重，在未來智慧林業建設中還有很多工作需要完善。

3.1 解決智慧林業建設資金保障問題

智慧林業建設需要購置大量的電子設備，包括傳感器、高清攝像、存儲設備等等，全面布設移動網絡系統，因此需要投入大量資金，但是資金力量薄弱正是智慧林業建設的問題之一。因此，當地財政部門應關注智慧林業建設，加大資金投入，用于智慧林業基礎設施改善。在林區布局基于物聯網的高智能化監測基站，做到對林區大范圍覆蓋監測，并利用視頻監控技術配合智能感知設備、煙火識別技術等，構建完善的智能化監測系統，保障智慧林業的安全。

3.2 解決林業物聯網發展滯后問題

目前在物聯網技術應用中存在RFID技術標準不統一的問題，在智慧林業布局無線傳感網絡時融合度差，影響到數據的采集與傳輸。針對這種情況，應完善智慧林業建設中基于物聯網的系統架構、參考模型等相關標準，基于RFID技術的標簽制作與分類、傳感設備的采集頻率與精度的設置，以及數據的傳輸，都應統一物聯網建設標準，對復雜的物聯網技術應用進行整合，解決智慧林業中物聯網系統的孤島問題[6]。

3.3 解決林業專用傳感器問題

智慧林業建設對于傳感器的技術要求較高，需要實時做好火災防護、道路監測、病蟲害防治、動物保護等工作，還要對環境溫度、濕度、大氣、風、土壤等生態因子進行監測，而目前市場的傳感設備往往存在易損壞、壽命短等問題，影響到WSN的數據采集。因此，相關機構應加快林業生產中專用傳感設備的研發，突破技術壁壘，基于智慧林業物聯網技術與環境的要求，研制出適合林業生產的專用傳感設備，提高傳感設備的精度與適應性。重點關注對林木病蟲害、胸徑、林分郁閉度、葉面積等指數的數據采集，以滿足當前智慧林業建設所需。

3.4 解決智慧林業數據傳輸問題

目前在智慧林業物聯網技術應用中以ZigBee為主，其特點是低速、短距離傳輸，且可靠性較差，影響了智慧林業建設的發展。近年來發展起來的NB-IoT和LoRa技術是萬物互聯網絡的重要分支，具有功耗低、待機長、覆蓋廣的特點，且安全高效，能夠實現遠距離傳輸。因此，在智慧林業建設中NB-IoT和LoRa技術具有非常大的發展潛力。

3.5 解決智慧林業物聯網實用性問題

目前在智慧林業災害防控工作中部分算法精度有待提高，導致物聯網系統的實用性下降，對于生態監測數據的分析與深度挖掘能力不足。因此，在智慧林業建設中應做好智能技術的推廣與應用，利用大數據技術、先進的算法對數據信息進行深度挖掘與利用，才能為智慧林業建設起到指導作用。應推動人工智能技術在林業生產中的應用，人工提高數據采集與分析的自主學習能力，從而提高物聯網業務模型在智慧林業建設中的實用性。

4 結束語

在智慧林業建設中，物聯網技術在火災防控、道路監測、野生動物保護、環境監測、水文以及病蟲害監測中都發揮著不可替代的作用。但是目前物聯網技術的應用還存在許多不足，筆者結合當前智慧林業建設中存在的資金問題、物聯網發展滯后問題、專用傳感器研發問題、數據傳輸問題、物聯網實用性問題提出了完善建議，相信隨著物聯網技術的深度應用，我國智慧林業建設將會取得更深入的發展。