“互联网+”推进森林资源调查走进精准林业新时代

■冯仲科

森林资源作为生物圈必备的资源和人类赖以生存的物质基础，如何快速、准确、高效地对森林资源信息进行获取，实现森林资源的科学经营管理与永续利用是林业工作者的工作重点。在我国，森林资源调查亦称作“森林资源监测”，主要包括：一类清查、二类调查、三类调查以及专业调查。其中，一类清查是为了了解宏观森林资源现状和动态，最后得到的清查结果反映了全国和各省（区、市）的森林资源和生态状况，是林业方针政策、规划、计划的制定和调整的基础，同时也为监督检查各地森林资源消长任期目标责任制奠定了基础；二类调查是为了满足森林经营方案、林业区划、规划设计与总体设计的需求而进行的森林资源调查，其结果为建立或更新森林资源档案、进行林业工程规划设计、森林资源管理、制订采伐限额、制订林业发展规划和国民经济发展规划、实现森林资源资产化管理和森林生态效益补偿提供了坚实的基础；三类调查是对作业地段的森林资源、立地条件及更新情况展开的详细调查，调查结果为造林更新、森林采伐、森林抚育等具体林业生产活动提供了重要依据；专业调查是为了满足各项专业需求而制订特定的调查方案，达到专项调查目的，从而为专业需求提供数据支持。

五溪山省级森林公园

森林资源调查技术体系尤其是观测装备和调查技术方法的发展与科学技术的进步密不可分，针对森林资源调查的各种不同需求，林业工作者所采用的调查方案体系、观测装备与技术方法是保证调查能够得以顺利进行的前提和关键，是调查数据准确可靠的重要保证。虽然三类调查方法都有其弊端和应用局限性，但是就其解决森林调查需求来讲，对我国森林资源调查系统的建立和完善有着积极的影响。

一、我国现有森林资源调查技术体系评述

我国森林资源调查最早始于甘肃省洮河林区的森林资源清查，是1950年林垦部组织的。从20 世纪60年代开始，抽样调查理论及技术、遥感技术、地理信息系统技术、定位导航系统技术等新型技术应用到林业调查中，促进了森林资源调查技术的发展，形成了我国森林资源调查技术体系的雏形。到20 世纪80年代，我国的森林资源调查基本框架才初步形成，正式提出国家森林资源调查分为三类：国家森林资源连续清查（一类调查）、森林资源规划设计调查（二类调查）和作业设计调查（三类调查）。进入21 世纪以来，森林资源调查侧重点已经不再局限于单一测树因子的获取，多资源森林调查、测树因子高效观测以及森林观测年度数据的获取，逐渐成为现代化森林资源调查监测的重点。

至此，我国已经基本建成了全世界最为优秀的森林资源调查体系，但近年来，这个体系在应对全球气候变化，森林生态环境建设，林权改革、交易，提供年度森林资源消长状态等方面已凸显出诸多问题。其中，一类调查野外工作量特大，周期长（5年）；二类调查周期长（一般10年）小班面积靠以往地形图勾绘经验数据，蓄积量目估或角规测定蓄积量及密度精度低，生长量无法测定；三类调查每木检尺工作量很大；专业调查大量伐倒解析木，一些单位已不做此项基础工作；调查装备还在沿用光学罗盘、机械测高器、角规、测杆、皮尺等，进口装备及GPS、GIS、RS 软件功能单一，价格昂贵，不适合中国国情、林情；高分辨率遥感影像价格昂贵，中低分辨率遥感影像解决林业调查问题局限性很大。因此，我国森林资源调查迫切需要新理论、新装备、新技术方案和新方法等，从而整体上破解我国已经实际存在近30年的森林调查体系弊端，以及年度精确森林“三量”（面积量、蓄积量及生长量）数据难以获取的瓶颈技术难题。应不断提升森林调查科技水平，并持续吸取国内外行业先进的技术、装备、方案、方法，完善并发明新一代的森林调查体系。目前，对于森林调查技术体系与其它自然资源调查体系的统一与融合问题，有许多不同的看法和说法，这需要科学的论证，而不是简单权威否定。

二、创建天地空立体化国家森林观测工程技术体系

随着科学技术的不断发展，在“互联网+”大背景下，基于“互联网+3S”思维，以森林资源的数量、质量、空间分布、动态变化为研究对象，以森林调查与监测技术体系构建、森林观测装备研制、森林观测技术方法创新、信息化服务平台建设为研究内容，以大大减少森林调查野外工作量、内业建模统计制图批量自动高效处理、产出国家和区域年度“三量”数据、实现蓄积量M/生物量B/碳储量C 精准转换为研究目标，创建新一代森林资源调查技术体系。

基于互联网+遥感覆盖+基础地理信息+土壤+气候气象+微样地信息+固定样地信息+水文地质信息等数据，将森林生态系统在全球陆表依国界线按行政管理区域为省（直辖市、区）——地（市、国有大林业局）——县（区、国有大林场），以县（区、国有大林场）为森林资源管理的基本单元，自动区划为营林区——林班——小班，根据已有森林起源、树（乔、灌）种、年龄、郁闭度或株数密度、坡度、坡向级、土壤厚度7 类小班要素41 个因子，将一般县域平均区划小班1.68 万个左右。基于GIS 将县域全部小班根据调查因子聚类分析为300 个左右独立异质化小班类小班，以县域级为基本调查单位逐级区划到小班及面积平差，结合已有小班区划及卡片自动提取判读纠正小班主要测树因子，通过GPS 定位、定标、定时观测独立异质化小班，利用微样地（5—9 棵样木）或3D 电子角规样点（7—10 棵样木）精准测定统计林分株树密度N、平均胸径d、平均高H、蓄积量M、林分年龄A 等32 个小班因子。通过连年观测微样地，应用GIS 对应分析功能，建立互联网+GIS+RS+UAV+反演模型+年度造林计划/采伐计划+微样地/3D 角规样点，依照相似性原则实现未实测小班反演分类计算d、H、M 等因子，预留20%—30%微样地不参加反演模型研建，用于评定反演精度评定，平均误差不超过5%、10%、15%时，分别评定为优、良、合格，超过15%为不合格，进而统计出县域森林调查“三量”数据。

概括来讲，新一代森林资源调查技术体系较传统体系有了较大的创新和改进，特征对比明显，体系更具系统性、科学性和合理性。新一代体系从整个流程上可分为：基于“互联网+”，研建国家森林调查小班数据库；以县域级为基本调查单位，聚类分析独立异质化小班类小班；森林小班精准测树技术，GPS 精准定位、定标、定时精测300 个微样地，获取连年小班测树因子；研建树种反演模型并反演统计未实测小班测树因子，评定精度，进而可产出年度森林资源动态“三量”精准数据。

三、新一代资源调查技术体系关键技术

（一）主要理论。基于多期国家一类连清数据，应用人工智能原理和算法，拟合推估了我国乔木树种胸径、树高、蓄积量、生物量、碳汇量、生长量、生产力与全国格局（经纬度、海拔、降雨量、气温）、地块结构（坡向、坡度、坡位、土壤厚度）之间的时—空质量关系模型，通过空间分析，首创生成了我国树种生长速度加速度表。全国任一地块乔木生长结构、格局指数分布图表、全国3S 技术森林蓄积量图、全国林地蓄积量分布图、全国林地生产力图、基于EC 值得全国树种密度分布图、全国林火火险等级模型及静态分布图等创新成果，为林业布局管理、森林资源管理、经营方案编制、造林规划设计提供全国尺度的基础知识。

首创了森林小班精准经营作业法，推证人工用材林最佳轮伐期；实现年度收益最大。在造林模式设计中，首创了仿天然（近自然）——异龄级——最优密度——逐年择伐的造林模式，应用3S 技术、拓普关系、树冠径几何相切及水热平衡方程创建全国任一地块树种最大密度模型，把现有人工同龄纯林函数改造为异龄混交林；在已有天然林经营中创建了基于无人机服务的精准经营系统，研建摄影观测构建冠型冠径树种胸径模型，按树种混交比例优化树种面积分布，创立单木树冠竞争生长量指标（FSCG），以FSCG 最为树木成熟年龄，优化树种年度面积、密度算法，实现天然林结构优化，每年收获不超过生长量的木材。

（二）主要装备平台。对于精准林业，北京市重点实验室自主研发了森林样地观测无人机、手持式测树超站仪、CCD 超站仪等系列森林观测装备及对应的后期处理软件，发明了立木精测技术、5—9 棵树微样地法、3D 电子角规林分观测法以及3D 景观三维建模技术，研建了内外业一体化森林经理应用与多终端服务平台，实现了森林资源一、二、三类调查的信息化、智能化和自动化。开发出依托互联网的县域级林地区划、地面小样本抽样高效精测系统，用于统计县域级年度面积量、蓄积量、生长量。研建无人机造林技术平台、无人机灭火洒药技术体系、无人机择伐技术体系。近期，辽阳市选用北京林业大学精准林业北京市重点实验室研发团队自主研制的手持式测树超站仪等新一代森林观测装备，利用5—9 棵树微样地法/3D 电子角规林分观测技术，对辽阳市13 个树种、1 个灌木组 2010 个林木进行了精测：对300 余个森林微样地进行了立木精测和小班观测实验，并用森林经理应用服务平台对森林样地进行规划、管理和服务。

（三）基本实践。在北京市、甘肃省、宁夏回族自治区、福建金森、新疆自治区林业重大项目办、旺业甸林场、平朔露天矿区、广东云浮等全国各地的精准林业实验项目正在稳步推进中。精准林业为我们的经典林业现代化插上了腾飞的翅膀，无人机、机器人、大数据、物联网、云计算为人们高效测树、洒药、灭火、造林、择伐，代替了野外繁重的体力劳动；互联网+3S，使我们在办公室就能利用生长模型和环境要素观测出陆表任意一棵树的实时生长状态和精准数据，全球、国家、区域年度碳汇量可以精确预测统计：森林给人类带来的环境效应、经济价值、社会效果可以被更精确地评估。

对我国的国民经济整体发展情况来说，农业一直是我国经济发展的基础，而林业作为农业的重要组成部分，对我国现代农业发展起到了重要的作用。精准林业通过大量实践虽然已累积了很多经验，取得一些科研成果，但还属于起步阶段，在探索发展中仍存在一些问题。因此，我们应优化改善精准林业技术，保证林业的整体生产质量以及生产效益都能够得到全面提升，这也是促进国家实现现代化农业建设的关键。

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