“3S”技术在精准林业中的应用

车腾腾,冯益明,2,吴春争

(1.中国林科院资源信息研究所,北京100091;2.中国林科院荒漠化研究所,北京 100091;3.西南林学院,昆明 650224)

1 引言

林业是生态建设的主体,是经济社会可持续发展的一项基础产业和公益事业。但由于历史和自然的原因,林业生产力发展水平还比较低,经营管理粗放,体制转轨缓慢,林区社会发育程度不高,生产力仍然很不发达。我国林业与世界林业发达国家相比,也存在着相当大的差距,是经济与社会发展中一个十分薄弱的环节。随着我国经济发展和人民生活水平不断提高,林业的地位变得越来越重要。因此,对森林资源进行精准的监测与严格的管理,成为当前林业研究工作的重点。

随着科学技术的发展,以及精准林业的要求,拓展“3S”技术在林业中的应用已经成为一种趋势[1～4]。在林区复杂的地理环境下,引入“3S”技术将大大减轻林业工作者的工作量。同时,工作效率和精度也将大大提高。本文主要从目前“3S”技术在精准林业中的具体应用出发,指出当前应用存在的问题并给予展望。

2 3S技术概念及其各自在林业中应用的特点

3S技术是GPS(Global Positioning System)、RS(Remote Sensing)和GIS(Geographic Information System)的统称,是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合,多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术[5]。我国“3S”技术的研究与应用晚于国外10～20年,但近20年来发展迅速,已经被广泛应用于环境监测、资源监测、资源清查与管理、交通与通讯、城市规划、灾害与灾情评估及全球气候变化研究等诸多领域,并已形成庞大的技术产业[6]。

随着3种技术的日益成熟和应用领域的日益扩展,其研究和应用开始向集成化方向发展,形成3S集成系统[7]。在这种集成系统中,GPS主要用于实时、快速、准确地提供目标物体以及各类传感器和运载平台空间位置;RS用于实时地提供目标及其环境的相关信息特征,发现地球表面的各种变化,及时地对GIS进行数据更新。GIS则是对不同来源的时空数据进行综合处理、集成管理、动态存取、智能分析。

2.1 全球定位系统(GPS)

GPS(全球定位系统)是美国自20世纪60年代开始历经20多年的开发于1994年部署完成的以卫星为基础的无线电导航定位系统[7]。该系统有分布在6个轨道上的24颗定位导航卫星组成,提供全能型、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能,能够为用户提供精确的三维坐标、速度和时间。

在林业上,传统的一类资源清查中主要利用地形图结合航片进行样地定位,实测获取资源数据,劳动量大、耗时长。GPS的出现使林区样点定位发生了巨大的变化,从根本上解决了样地难以复位的情况。通过在林区建立GPS控制网体系,对某些点采用静态处理、相对定位的方式进行测量,从而获取高精度的控制点坐标,然后以这些点为基础,控制林区其他点位的测量。

此外,GPS还可以用于遥感地面控制、伐区边界量测、森林灾害的评估以及各类造林工程检查验收等诸多方面。通过GPS的应用,改进了现行的森林资源调查方法,提高了森林资源调查精度,从而推动了林业管理精确化、科学化。目前,GPS已经作为林业调查的必备工具,广泛应用于各类调查和监测,极大提高了调查精度,节省了调查时间,提高了工作效率[8]。

2.2 遥感(RS)

RS(遥感)是在远离目标、与目标不直接接触的情况通过传感器收集被测目标所发射出来的电磁波能量而加以记录并成像,以供专业人士进行信息识别、分类和分析的一项综合性探测技术[9]。

遥感在林业上主要用于各类土地面积的判读、森林蓄积的量测和灾害的预测等。

土地面积判读是通过一系列遥感解译标志和引入一些辅助参数(如高程、地貌等),通过影像色调、光泽、纹理、几何位置、尺寸大小、高度等结合间接解译标志进行判读,在G IS操作平台上划分小班,填写属性因子,生成图,并导出相应的Excel统计表。

森林蓄积量判读是通过遥感影像各波段的灰度值及相应的比值,以树种、龄组、优势树种等因子作为自变量,以单位面积蓄积量为因变量建立回归模型,通过计算并标出相应树种的蓄积量。灾害预测则是通过对比不同时相下的遥感影像数据,根据影像之间的差异来判断确定灾害,达到预测的效果。

2.3 地理信息系统(GIS)

GIS(地理信息系统)是指在计算机软硬件支持下,对具有空间内涵的地理信息进入输入、存储、查询、运算、分析、表达的技术系统[7]。

过去,无论是森林资源的一类调查、二类调查还是三类调查,数据的统计及图表的制作主要是以手工为主,速度慢、效率低。而地理信息系统的出现与现代获取数据方式相结合的方法,大大地改进了数据处理的方式,可以快速获取有关统计数据及图表文件[8]。

3 精准林业

3.1 概念及内涵

精准林业(Precision Forestry)定义是“采用包括3S技术、数字通讯、机械自动化、传感器技术和林木遗传工程等在内的现代高科技技术对土地类型进行分析,建立森林生态模拟环境,对树木的育种、施肥、生长、病虫害防治和火灾事故预防实行监测。同时,以全站仪、PDA、数码相机对单株木的树干直径、材积、树心坐标、树冠表面积和体积等因子进行实时、自动、精准、定量监测。”[10]精准林业是根据精准农业发展过来的,它的技术核心在于对森林生长实现精确的定量计测和监测,从而克服传统粗放林业体系中各种不可定量因素所带来的弊端。

精准林业并不是一个孤立的体系,它的出现和发展主要以3S(全球定位系统GPS、地理信息系统GIS、遥感RS)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,以生态学、造林学、工程学、系统学、控制学、测绘学为指导,它的建立依赖于地球空间信息基础理论及其他高新科学技术的发展。核心是实时测定工作对象所需工作的质、量和时间等数据。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,采取技术上有效、经济上可行的调控措施,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。

3.2 背景及现状

3.2.1 产生背景

精准林业的构想是美国在20世纪80年代首先提出的。提出这个概念的基础,是当时微电子技术发展推动了智能化监控技术,同时又结合了作物生长模拟、栽培管理、测土配方施肥等技术。由于GPS技术在1990年海湾战争中大显身手,此后美国将这一技术应用到林业生产领域,开创了精准林业技术体系的雏形。到了1992年4月,美国召开了第一次精准林业学术研讨会,精准林业这一概念才逐渐被人们广为接受。

在我国,受到精准农业和三维工业测量的启发,提出了“精准林业”概念,之后在北京密云县建立我国第一个精准林业示范基地。

3.2.2 发展现状

精准林业要求达到提高林业生产高效化程度、林业生产中降低成本、提高投入产出率、发展优质高效林业的要求以及环境保护、资源再生利用、林业可持续发展等方面的目标。由于其高度依赖于3S技术,因此,精准林业在3S技术发达的欧美国家发展迅速。

国内,在2001年启动了“森林精准监测与重大病虫害遥感监测及预警系统研究”项目,实现了全球定位系统、全站仪、近景摄影、航片、航天遥感、GIS等先进技术的精准林业技术集成系统,为我国精准林业的建立奠定了良好的基础[11]。从2002年开始,有研究人员利用以3S为代表的高新技术从事北京市森林立地类型研究,对北京市的林型和立地类型进行了科学的划分。这些工作标志着我国对精准林业的研究由零散、个别的研究进入了系统集成与平台建立阶段。专家预言,随着一些经济发达地区精准林业示范基地的建立,我国的精准林业将由实验转向生产,由技术形成产业。

3.3 3S对精准林业的意义

林业是与3S技术最为密切的行业之一。特别是生物育种中的地理变异、生态学中的林火管理与景观分析、森林培育中的立地条件分析、林业经济管理的地图应用、森林经理中的资源环境调查与监测评价、森林保护中的病虫害监测、水保与荒漠化防治中的监测与评价、林业工程中的道路建设、采伐中的林图编绘等,每一项都离不开3S理论与技术[12]。

3S技术在精准林业中起着至关重要的作用。GPS与RS在3S中扮演着数据源的角色,能解决传统测量在林业实地测量中的局限性,为GIS提供充分的空间位置数据及其他相关数据;GIS则起着数据存储、信息挖掘、辅助决策等重要作用。从空间的角度定量地对林业资源进行描述,在获取大量数据的基础上为决策者提供详细的信息,为决策的制定提供参考。结合林业建设与现代科技发展的需要,建立实时的、自动的林业3S技术系统,实现森林资源与生态环境综合调查监测与评价、水土保持监测、森林病虫害监测、防火灭火、森林培育、采伐利用及更新的一体化和自动化,从整体上解决相关问题,有助于实现精准林业。

4 3S技术在精准林业中的应用现状

随同其他各种先进技术的发展,3S技术已经广泛的应用于国内外精准林业的建设。在我国,精确林业的理论框架也在逐步完善,技术体系初步建立,应用领域也在进一步扩大,产业部门逐渐形成。

4.1 森林资源调查及动态监测

森林资源的可持续发展要求对森林资源进行合理管理和利用,长期以来,资源作为一个动态的有机体,资源信息得不到及时更新,造成对森林资源长期发展的预测预报环节薄弱,从而不能及时为相应的森林资源管理与决策部门提供足够的信息。随着3S技术的不断发展,特别是遥感与地理信息系统的日益完善,遥感数据可直接进入地理信息系统,实现了3S技术的一体化,可及时、准确、高效地对森林资源信息进行更新,对森林资源进行动态监测,促进精准林业发展。

在森林资源动态监测方面,也一直都很重视现代科学技术的运用。G reen等[13]利用38景Land-Sat MSS和基于早期航空遥感的植被图来估计马达加斯加东部雨林的面积,监测其在1950～1985年间的森林植被的消减速率,分析了森林砍伐与地形坡度和人口密度的关系,并用森林周长/面积比来作为森林破碎化的一种度量。A rdo等利用 Landsat MSS(1972～1989)和数字高程数据分析了德国和捷克边境地区针叶林在长达18年的时间内森林覆盖的变化、森林砍伐与高程及坡度的关系、森林退化与SO2和NOx等点污染源的距离及方向的关系等,取得了极具意义的研究成果。我国在“六五”期间,完成了“应用遥感技术进行森林资源动态监测”的攻关项目,取得了可喜的成果[14]。早在1994年,游先祥就利用用遥感信息复合方法完成了森林分类和动态监测研究[15]。

在森林资源调查方面,借助3S技术能为小班调查中属性的解决提供帮助。在单株木因子提取方面已经有很多专家对利用遥感影像提取树木因子做了大量的研究。如,M eyer等[16]早在1994年就对瑞士Sw iss高原上的一处森林开展了利用高分辨率的红外航空影像进行半自动化树种识别的研究,平均精度达到了71%。M.M altamo等[17]开展了通过结合微波影像和直径分布模型对单株木式样的识别来对预估整个林分特征的研究。M ats Erikson[18]通过利用高空间分辨率航空遥感影像和不同树木树冠的形态学特征来区分单株木,其精度最高的可达到91%。Donald G.Leckie等[19]在加拿大西海岸的一片幼龄针叶林中利用高空间分辨率多光谱航空影像数据的半自动化单株木树冠识别林分区划和林分组成的研究。刘晓双等用高空间分辨率遥感影像对单木树冠进行自动提取和轮廓描绘的方法在林业上的应用进行了探讨[20]。如果这些研究能应用到实践中将大大简化森林资源调查的复杂程度,同时随着精度的提高将为精准林业做出突出贡献。此外,李增元等利用雷达干涉测量技术,干涉土地利用影像(ILU)的生成、基于ILU影像的森林分类方法、大区域ILU影像的几何纠正及镶嵌技术,并利用ERSSAR串行轨道数据生成的ILU影像成功地对我国东北3省进行了森林制图,其分类平均精度在82%以上[21]。李春干等[22]以SPOT5图像为研究对象,试验了4种图像分割方案,采用基于最终测量精度准则的多指标评价和基于欧氏距离的相似度综合评价两种方法,对分割效果进行评价。采用图像分割的方法自动提取小班边界,经适当后处理后编制工作手图用于森林资源规划设计调查,不但大量节省野外小班勾绘工作时间、降低劳动强度、提高工作效率,而且大幅度地提高了小班勾绘的准确性,确保面积调查精度。

4.2 森林灾害监测

森林灾害主要包括森林病虫害、森林火灾等。利用3S技术监测森林灾害,方法科学,手段先进。武红敢等利用陆地卫星 TM数据开展早期灾害点(或虫源地)监测的方法和利用航天遥感数据对“虫源地”实施的有效监测,为航天遥感技术用于重大森林病虫害的宏观监测和预警提供了实例[23]。石雷等[24]利用3S技术提出利用中低分辨率遥感卫星数据在时间序列上的累计环境变化响应,结合GIS技术、人工智能等技术来监测松材线虫病的新方法。王蕾[25]研究了基于“3S”技术的松材线虫入侵前后马尾松林动态变化在研究中对应用3S技术进行虫害动态监测中的关键问题——信息提取及种群空间格局遥感分析模型进行了研究,建立了生态格局遥感分析模型,对浙江受害较为严重的地区进行了受害前后马尾松生态格局动态变化分析。Vogelmann和Rock早在1988年就开始利用TM数据来评估高海拔地区针叶林的破坏[26]。1990年,Ekstrand用陆地卫星TM数据和数字林分数据对挪威云杉进行了中度损伤的检测[27]。此外,2003年韩秀珍等[28]将遥感与GIS应用在东亚飞蝗灾害中。将遥感与GIS结合 ,对蝗虫生境特征、历史蝗灾记录、蝗害发生时有关数据进行集成和分析 ,可提供蝗灾时空变化、蝗灾范围、蝗灾程度、灭蝗的最佳时段等重要信息。就目前来看,还有很多关于利用3S技术来管理林业生物灾害和动态监测方面的应用研究[29～30],而3S技术的引进也势必会给森林管理监测带来帮助,为实现精准林业提供有效工具。

就我国森林火灾而言,利用3S技术监测已经比较成熟了。以3S技术为核心,充分运用数字化手段反映林火管理现状,建立具有自动化、智能化和网络化特点的数字林火管理系统,是林火管理现代化的重要标志,是当今世界各国森林防火工作发展的目标和方向[12]。早在1987年5月6日到6月2日发生在我国大兴安岭的特大森林火灾,烧毁森林总面积达到115万hm2。气象卫星在火点开始阶段首先发现并准确确定了火点位置,在火点扩展阶段监测了其发展动态,在最后阶段对火灾损失进行了准确的评估,取得了显著的社会、经济和生态效应。我国还进行了机——星——地航空遥感试验,实现了侧视雷达扫描图像的实时数字传输,保障了对灾害事件的全天候监测,并快速地通过通讯卫星向远距离发送。近年来,此类监测更是不断在增加。

4.3 野生动物资源调查

在野生动物调查中,3S技术的应用主要表现在：可以利用GPS在行走调查样带时进行起始点的寻找及行走过程的导航,用以保证样带的准确性;利用遥感图像进行景观类型的划分和野生动物栖息地的监测,确定与野生动物生活密切相关的生态因子;可利用GIS可很方便地将野生动物数量、分布及其动态变化规律与其栖息地保护管理的状况关联起来,进行综合的分析,并将结果以图形或数据形式表示出来,形成各种调查报告及图面材料,为管理决策提供具有位置准确性的直观的信息。国外已经有成功利用此技术的经验,如Pornse利用遥感技术对Knaha国家公园鹿的栖息地进行研究,为国家公园的规划管理提供了良好的决策支持[14]。

4.4 林业综合管理决策

3S技术在林业的综合管理决策上也发挥着举足轻重的作用。各种管理系统系统是建立在GIS开发平台上的决策支持系统(DSS)同时综合了专家系统(ES)和模型系统(SS),它根据专家在长期的生产实践中积累的经验知识,建立作物栽培、统计趋势与预测、决策管理等相关模型,为精准林业的建设提供了技术知识支撑。武红敢等[31]分析了遥感、地理信息系统和全球定位系统技术在森林病虫害监测和管理中的优势并提出了建立基于“3S”技术管理系统的迫切性和结构框架。孙金华等[32]在总结和分析北京市生态公益林管理保护现状的基础上,针对用户、网络、业务的特点,提出了生态公益林管护GIS系统的建设方案。此外,杨毅等[33]针对县级林业管理部门造林、绿化的规划设计与监督管理,人工商品林和经济林的抚育设计等森林经营业务,探讨了以森林资源二类调查小班档案为基本信息,以生物多样性保护为基本思想,使用基于ActiveX技术的地理信息系统平台实现营林管理信息系统的开发。例如此类的林业信息决策系统已经在各级管理部门得到了广泛的应用。

5 “3S”技术在应用中存在的问题和展望

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,人均资源显得尤其少。精准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,研究发展适用的精准林业技术体系、运用体系是必要的。精准林业的研究与发展,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。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。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,如实施精准林业技术必须满足不同地理条件下的需求。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。3S技术在林业中应用的不足主要表现在以下几个方面。

(1)可获取的卫片资料虽多,但在光谱、空间和时间分辨率上得不到很好的统一和协调。

(2)遥感图像解译技术目前还不十分成熟,尤其在地貌复杂零碎的丘陵山区,很难解译森林资源的细部信息。

(3)遥感图像包含丰富的信息,可用于各项林业研究,但现在遥感信息的利用和挖掘还远远不够。

(4)应用的面还不够广,基层林业部门3S技术配置还不够完善,并且缺乏专业人才。

(5)开发适宜不同地理环境下的精确林业软件不太现实。

(6)专业的林业GIS还有待进一步的开发。

为了让3S技术能更好的适应精准林业的发展,我们也许可以从以下几方面加以努力：

(1)加快遥感技术的研究,争取解决3个分辨率的协调统一问题。

(2)进一步研究遥感图像解译,提高解译精度。

(3)对地方基层林业部门加以财力和技术上的支持。

(4)加速专业人才的培养。

(5)进一步挖掘3S技术在林业中的应用,为精准林业服务。

(6)加快3S技术的共享资源的建设。

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