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林业工程师职称论文工程师职称论文 论精确林业的支撑技术及基本操作工程 摘要:由于人口的急剧增长、人类对地球资源的过度索取以及过度开 发与工业化污染环境的后果,人类的生存面临日益严重的自然资源短 缺和危机,这也对林业生产提出了更多的要求。为了既满足人类日益 增长的需求又能节约林业资源并保持可持续发展,精确林业的概念和 实践自然走进了人们的生活。 概述了“精确林业”的内涵及其主要 支撑技术、操作过程和国内外研究现状 ,并对精确林业在中国的发展 前景进行了探讨。 关键词:精确林业 GPS GIS 在现代信息技术、生物技术、工程技术等一系列高新技术的推动 下,林业正在进入以知识高度密集为主要特点的知识林业发展阶段, 于是,“精确林业(PrecisionForestry)”应运而生。所谓精确林业, 即在林业生产过程中运用视觉传感器、卫星定位等高新技术,实时测 知工作对象所需工作的质、量和时机等数据,通过对影响林木生长的 环境因素实际存在的时空差异性的分析,判别林木长势优劣,确定影 响长势的原因,提出 科学 处方,采取技术上可行、 经济 上有效的调 控措施,消除和减少这些差异,按需定量实施灌溉、施肥和喷药,以实 现最小资源投入、最大林业收益和最少环境危害。 一、精确林业的含义 以微电子技术、通讯技术和电子计算机技术为代表的信息技术的 发展,使人类社会正由传统的工业时代向信息时代迈进,正将世界林 业带入数字和信息时代。它将推动电子信息技术及人工智能技术应用 于农业系统的发展,引发林业科技革命,是21 世纪林业的重要发展方 向。 所谓精确林业,是指由信息技术支持的根据空间变异、定位、定 时、定量地实施的一整套现代化林业操作技术与管理系统。事实上, 这种林业技术体系是信息技术网络化、智能化、数字化综合应用的体 现,核心是实时测定工作对象所需工作的质、量和时机等数据。通过 对影响林木生长环境因素实际存在的时空差异性分析,判别林木长势 优劣,确定影响长势的原因,提出科学处方,采取技术上可行、经济上 有效的调控措施,消除和减少这些差异。并按需定量实施灌溉、施肥 和喷药,以实现最小资源投入、最大林业收益和最少环境危害。制定 出针对性的林业生产措施,在取得最优效果的同时,减少污染,保护生 态,实现林业的可持续发展。 二、精确林业的主要支撑技术 精确林业以3S 技术、信息技术、智能化决策技术、可变量控制 技术等为技术支撑体系,以生态学、造林学、工程学、系统学、控制 学、测绘学为指导,能在自动化、智能化、一体化、时效性、准确性、 可靠性等方面满足人们的需要,它的建立依赖于地球空间信息基础理 论及其它高新科学技术的发展。 1、全球定位系统 全球定位系统(GPS)是_种可供全球享用的空间信息资源,具有全 球性、全天候、高精度、用途多、可靠性好、覆盖范围广、定位速度 快、抗干扰性强和自动化程度高等特点。在精确林业中,它主要实现 对采集的林间信息进行空间定位,实时、快速地提供包括各类传感器 (如CCD 摄像头)和运载平台(如作业车辆、飞机等)目标的空间位置, 辅助作业机械完成处方实施. 2、地理信息系统 地理信息系统(GIS)可以在 计算 机硬件、软件系统的支持下, 存储、管理、分析和描述整个或部分地球表面与空间和地理分布有关 的数据,把地理位置和相关属性有机地结合起来,根据用户需要将空 间信息及属性信息准确真实、图文并茂地输出。在精确林业中,它主 要实现对多种来源的时空数据进行存储、分析和处理,根据数据绘制 电子 地图,作为新的集成系统的基础平台。 3、遥感 遥感(RS)是一种多平台、多波段、高分辨率和全天候的对地观测 技术,主要通过遥感器获取地球表面(层) 自然 界目标的波谱特征信 息及对这些信息进行加工、处理,从而达到认识自然界的目的。在精 确林业中,它主要用于实时地获取树木生长环境、生长状况和空间差 异的大量时空变化信息,及时对GIS 进行数据更新。 4、数据库管理系统 数据库管理系统(DBMS)使存储和查找数据最优化,实现了，体化 存储和初步的一体化查询,具有很好的完整性,避免了数据过于琐碎 带来的不便。在精确林业中,它主要用于建立包含林木长势、自然条 件和 历史 数据等信息的数据库,同时,它使GIS 软件能充分利用商 用数据库已经成熟的众多特性,如快速索引、数据完整性和一致性保 证、安全和恢复机制及分布式处理机制,明显提高GIS 软件管理空间 数据的能力。 5、决策支持系统 决策支持系统(DSS)综合了专家系统(ES)和模型系统(SS),它根 据专家在长期生产中积累的知识,建立作物栽培模型、统计趋势分析 与预测模 6、可变量控制技术 可变量控制技术(VRT)就是根据不同位置及要求自动改变施用比 率的技术。它通过计算机控制,对林木所需用的水、肥料、农药等变 量的类别和数量进行判断,根据需要调控如植保机械向林间喷洒这些 变量的速率,使系统能在特定时间对特定目标进行操作规划,以达到 精确定量地灌溉、施肥、喷药的目的,体现了“对症下药”、“按需 给予、”“变量投入”的原则,它的实施可有效避免传统粗放型林业 生产活动中造成的资源浪费和伴随的环境污染问题。在精确林业中, 它主要实现对生产过程进行调控,合理地进行施肥、灌溉、施药等措 施。GIS 绘制电子地图,生成林木长势情况分布图,分析此图,获得林 区内树木长势的差异程度一根据该图,对影响树木成长的各项因素进 行分析,将地形、土质、土壤肥力、土壤含水量、气候状况、虫害、 病害发生情况空间数据输入计算机,利用树木生长发育模型、相关作 业的专家知识库等建立空间智能决策支持系统,确定产生长势差异的 原因,生成林木管理处方图一根据处方图,生成响应林业机械的智能 控制软件,按照按需投入、区别对待的原则,利用可变量控制技术实施 施肥、喷药等操作一对其执行效果进行评估。 三、精确林业的基本操作过程 精确林业的出现,使定量获取影响树木长势情况的因素及最终生 成的空间差异性信息,实施可变量投入,达到低成本、低消耗、高效率、 环保好等目标成为可能。其实施过程可描述为:带GPS 和实时传感器 的作业机械随时间和空间变化自动采集林间定位及对应林班的树木 长势情况数据一通过型、空间分析与技术经济分析模型,通过用户选 择最优模型,输入模型的参数,获得仿真运算结果,从而为决策提供辅 助支持的依据。在精确林业中,它主要实现对树木长势、病害、虫害 的发生趋势进行分析模拟,针对林木生长环境和生长条件的时空差异 性,生成处方图,提供各林班施肥喷药,对精确林业的实施效果、 经济效益进行评估。 四、精确林业之路 精确林业是一种基于知识的林业技术体系,是知识经济在林业中 的最好体现,也是林业创新体系主要组成部分,可以说是一次世界性 林业科技革命的历史机遇。更为重要的是,发展精确林业是有效利用 生态资源,实现林业可持续发展的迫切需求。我国是世界上人口最多 的国家,地大物博早已成为一种过时观念,因为多年来的粗放性和掠 夺性开发早就造成了自然资源的匮乏,再加上人口众多,人均资源就 更少。比如,人均林地占有量逐年下降,水土流失、气候异常、环境污 染、土地荒漠化严重,致使自然灾害愈加频繁。 在此情况下,实施精确林业必然可以优化资源,保护环境,实现林 业可持续发展,实际上这已成为社会经济发展的基本战略。但是,在实 施精确林业上还有很多困难,如实施精确林业技术必须使计算机控制 的林业技术与土地状况的空间差异精确匹配。我国疆域辽阔,林业生 产条件复杂,林业领域电子计算机和信息等技术应用较少,基础设施 还不先进。 精确林业是现代林业发展的必然结果,是超前性的林业新技术, 是信息林业的重要组成部分。结合国情、省情,研究发展适用的精确 林业技术体系、运用体系是必要的。精确林业的研究与发展,将有助 于人口、资源与环境方面重大问题的解决,有助于林业资源的高效利 用和林业环境保护。GIS 作为精确林业的核心技术,也应适应精确林 业需要,作技术上的改进与深入。