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談“精確林業(yè)”的發(fā)展及其應用前景
摘要：概述了“精確林業(yè)”的內(nèi)涵及其主要支撐技術 (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)展前景進行了探討。關鍵詞：精確林業(yè) GPS GIS
在現(xiàn)代信息技術、生物技術、工程技術等一系列高新技術的推動下，林業(yè)正在進入以知識高度密集為主要特點的知識林業(yè)發(fā)展階段，于是，“精確林業(yè)(Precision Forestry)”應運而生。所謂精確林業(yè)，即在林業(yè)生產(chǎn)過程中運用視覺傳感器、衛(wèi)星定位等高新技術，實時測知工作對象所需工作的質(zhì)、量和時機等數(shù)據(jù)，通過對影響林木生長的環(huán)境因素實際存在的時空差異性的分析，判別林木長勢優(yōu)劣，確定影響長勢的原因，提出科學處方，采取技術上可行、經(jīng)濟上有效的調(diào)控措施，消除和減少這些差異，按需定量實施灌溉、施肥和噴藥，以實現(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
精確林業(yè)以3S技術、信息技術、智能化決策技術、可變量控制技術等為技術支撐體系，以生態(tài)學、造林學、工程學、系統(tǒng)學、控制學、測繪學為指導，能在自動化、智能化、一體化、時效性、準確性、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理論及其它高新科學技術的發(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、抗干擾性強和自動化程度高等特點。在精確林業(yè)中，它主要實現(xiàn)對采集的林間信息進行空間定位，實時、快速地提供包括各類傳感器(如CCD攝像頭)和運載平臺(如作業(yè)車輛、飛機等)目標的空間位置，輔助作業(yè)機械完成處方實施.
1.2 地理信息系統(tǒng)
地理信息系統(tǒng)(GIS)可以在計算機硬件、軟件系統(tǒng)的支持下，存儲、管理、分析和描述整個或部分地球表面與空間和地理分布有關的數(shù)據(jù)，把地理位置和相關屬性有機地結合起來，根據(jù)用戶需要將空間信息及屬性信息準確真實、圖文并茂地輸出。在精確林業(yè)中，它主要實現(xiàn)對多種來源的時空數(shù)據(jù)進行存儲、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，主要通過遙感器獲取地球表面(層)自然界目標的波譜特征信息及對這些信息進行加工、處理，從而達到認識自然界的目的。在精確林業(yè)中，它主要用于實時地獲取樹木生長環(huán)境、生長狀況和空間差異的大量時空變化信息，及時對GIS進行數(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，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、安全和恢復機制及分布式處理機制，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)計趨勢分析與預測模
1.6 可變量控制技術
可變量控制技術(VRT)就是根據(jù)不同位置及要求自動改變施用比率的技術。它通過計算機控制，對林木所需用的水、肥料、農(nóng)藥等變量的類別和數(shù)量進行判斷，根據(jù)需要調(diào)控如植保機械向林間噴灑這些變量的速率，使系統(tǒng)能在特定時間對特定目標進行操作規(guī)劃，以達到精確定量地灌溉、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和伴隨的環(huán)境污染問題。在精確林業(yè)中，它主要實現(xiàn)對生產(chǎn)過程進行調(diào)控，合理地進行施肥、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因素進行分析，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)輸入計算機，利用樹木生長發(fā)育模型、相關作業(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，生成響應林業(yè)機械的智能控制軟件，按照按需投入、區(qū)別對待的原則，利用可變量控制技術實施施肥、噴藥等操作一對其執(zhí)行效果進行評估。
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，實施可變量投入，達到低成本、低消耗、高效率、環(huán)保好等目標成為可能。圖1是精確林業(yè)基本操作過程的示意圖，其實施過程可描述為：帶GPS和實時傳感器的作業(yè)機械隨時間和空間變化自動采集林間定位及對應林班的樹木長勢情況數(shù)據(jù)一通過型、空間分析與技術經(jīng)濟分析模型，通過用戶選擇最優(yōu)模型，輸入模型的參數(shù)，獲得仿真運算結果，從而為決策提供輔助支持的依據(jù)。在精確林業(yè)中，它主要實現(xiàn)對樹木長勢、病害、蟲害的發(fā)生趨勢進行分析模擬，針對林木生長環(huán)境和生長條件的時空差異性，生成處方圖，提供各林班施肥噴藥方案，對精確林業(yè)的實施效果、經(jīng)濟效益進行評估。
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)達國家在精確林業(yè)相關技術的研究方面發(fā)展較快，如在森林土壤類型分析、林地適應性評價、森林生態(tài)環(huán)境模擬、林木育種以及生長監(jiān)測和森林收獲等領域已有成熟的應用。
美國林務局為每個林管局和林業(yè)研究所配備了資源級GPS接收機，主要用于災害監(jiān)測和防治的飛機導航、林相圖的自動更新和林區(qū)作業(yè)的定位服務。
美國林務局和伊利諾大學聯(lián)合開發(fā)的Smart Forest軟件，實現(xiàn)了森林景觀的可視化，以DTM三維顯示技術為基礎，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)測火災的技術和方法進行了歸納、整理和合并，形成了一套基于Internet影像查詢系統(tǒng)的、實用的火災探測算法，該算法具有自適應和區(qū)域性敏感的特點，所以適合于區(qū)域和全球火災監(jiān)測，可以實時獲取火災位置等信息。
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)展趨勢預測、森林生態(tài)景觀分析、觀光風景區(qū)內(nèi)的森林布局等功能，同時，它還可提供林道、河流、邊界等數(shù)據(jù)的查詢。
Dimitru和Olson運用空間信息系統(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)較為準確的信息。
美國克羅拉多大學研究開發(fā)了一套航空錄像的自動配準和校正系統(tǒng)
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