精准林业技术体系的设计与实践研究

陈秀蓉

（定西市巉口林业试验场，甘肃 定西 743022）

0 引言

在市场格局转型重构、经济发展渐趋平稳的新环境下，高新科技产业正式迎来高速发展新契机。以互联网为依托的通信工程、计算机工程更新迭代，新设备及方法层出不穷，为林业生产技术的优化升级创造了条件。以小班精准营业作业法、“3S技术+互联网”为核心的精准林业技术逐渐发展起来，在降低能耗、提高创收等方面发挥着不容忽视的作用，有必要对其设计、实践要点展开论述。

1 精准林业技术的内在特征

1.1 追求高产投比

林业属于高成本投入产业，从苗圃育苗至幼树栽培，再到成林的管理及采伐、运送，均要耗费大量的人力、物力、财力。传统林业管理模式给管理主体带来了较大的产投压力，投入不足易造成品种更新迟缓、基地建设质量下降等，给林业标准化生产带来阻碍，最终导致出现低产林、低质林。而精准林业技术依托高新科技，可以较为高效、轻松地完成信息采集工作；结合林木遗传工程技术，能筛选出产量更高、品质更优、抗性及适应性更强的林木品种，从而为林木遗传改良奠定基础，减少后期抚育管理投入的同时提高经济收益；后期借助无人机、全站仪等设备，与3S系统平台互为配合，能显著减少抚育、调查等环节的人力支出，从而达到减少成本投入的目的。

1.2 生产管理智能化

精准林业是科技发展、设施完善的综合产物。其发展思路是引入高新技术，如常见的3S技术、远程控制技术等，并将其融入生产管理环节，显著提升林业管理效率。例如，全球定位系统（Global Positioning System，GPS）技术为不同种类、不同郁闭度林地面积的测量提供了便利，所有数据通过地理信息系统（Geographic Information System，GIS）实现可视化转换，并支持远程遥控和参数调整需求，整个过程更加科学和智能。现阶段，各种新兴设备的引入使林业调查、管理工作更加便利，如电动生长锥年轮自动识别设备，体积小且操作便捷，可以准确测量年轮宽度，有助于简化管理操作、提升智能水平。

1.3 区域可持续发展

在全球分工细化、国际格局重构的宏观环境下，世界各国进入了经济飞速发展新阶段，先进科技手段持续涌现，资源开发及利用效率明显提升，然而，在提高人们生活品质的同时，也存在着生态破坏、能源耗竭等隐患。摒弃传统粗放型经济增长模式，营造生态和谐、可持续发展氛围，已成为诸多国家的共识。从我国林业生产实践来看，经营管理粗放、资源浪费严重等问题普遍存在。农药、肥料等用量控制不当，导致土壤出现板结、污染等问题；部分单位片面追求短期利益，过度消耗地力，并且科技成果转化率、推广率不高，加之森林火灾、病虫害等威胁时有发生，为区域可持续发展带来了较多的问题。而精准林业技术以3S技术为核心、远程控制为手段，从林木空间结构、生长态势等入手，为经营决策提供最全面、精准的信息支撑，有助于缓解经济生态矛盾，推动社会经济可持续发展。

2 精准林业技术体系设计要点

2.1 管理和研究对象

在精准林业技术体系中，小班树木是最为关键的管理和研究对象。根据林区实际经营情况确定小班区划，并结合管理难度、工作量等配备人数、器械，使管理更具针对性，可以避免资源配置不合理等现象出现。小班区划环节可选择标准较多，可以将地类作为依据进行划分，如造林工程初期可以分为有林地、疏林地等类型，前者主要指郁闭度在0.2以上的林地，后者郁闭度则维持在0.1～0.2。此外，宜林荒地、火烧迹地等类型，均可以作为小班划分、经营的依据。

在部分林地生产过程中，技术人员可依据龄组、经营措施等标准，将作业小班分为幼龄林、中龄林及抚育林、改造林等。在地形起伏较大的林地中，则可以将坡度、坡向等作为小班划分依据。无论采取何种方式，均要遵循因地制宜的基本原则，同时关注作业面积控制问题，面积划分过大易降低生产效率，过小可能造成资源浪费，均会制约精准林业技术实施效果。通常，作业面积控制在10 hm为宜，若抚育、改造难度较大，则不能超过5 hm；若林地现场自然条件较好，坡度平缓且土壤肥沃，林分更新难度相对较低，则小班作业面积允许相应扩大，但总体上不超过20 hm。划分实践中借助遥感、无人机等技术进行区划判读，并结合GPS技术测定区划面积、确认边界，以提升小班区划的合理性和精准性。

2.2 核心技术

2.2.1 3S技术。3S技术是对地理信息系统（GIS）、全球定位系统（GPS）及遥感技术（Remote Sensing Technique，RS）的统称。RS、GPS位于整个技术体系的前端，是GIS主要的数据源供给方和更新方。以这些技术为基础，配合分布式ES技术，能有效实现林业信息一体化管理，保障空间信息获取、存储及更新过程的可靠性、精准性。

RS技术兴盛于20世纪60年代，可以在非接触前提下对目标物体展开电磁波能量采集。在林业管理中，借助高精度RS设备可以实现土地面积、蓄积量测算及灾害监测。在面积判读环节，借助遥感设备实时采集图像，系统接收回馈数据后对其色调、光泽、大小等进行分析处理，解译为海拔、地理位置等参数，将其输入GIS操作平台后，在精准林业理念指引下对其进行划分，并对应填写属性因子，生成资源分布、土地利用现状图等。在灾害监测环节，树木内部生理变化规律通常难以被肉眼直接发现，但在近红外波段下易呈现出来，利用RS技术生成图像进行灰度值分析，能较好地发现异常情况，并勾画灾害发生面积。林火监测环节同理。

GPS技术则以卫星定位技术为支撑，具有连续性、动态化的基本特征，可以为用户提供实时化的三维坐标，并标注时间、速度等信息。GPS技术的引入消除了传统林业资源清查工作耗时、耗力的弊端，操作时只需在林区建立控制网络，并对抽样点进行测量，在此基础上计算高精度控制点坐标，结合动态差分定位技术，即可有效提升坐标精确度，精确性能一度可达亚米级。在精准林业发展过程中，主要将GPS技术应用于伐区便捷测量、特定树种定位等方面，部分情况下也用于造林工程验收等。在林业资源普查工作中，GPS技术也具有较大的应用空间，可以将其用于各种区位、空间监测和数据采集，提升调查精准程度的同时节省时间支出。

GIS技术主要负责接收反馈数据并对其展开存储、分析，可以将各种类型、来源的数据与空间信息相对应，并在计算机平台支撑下完成存储、显示等任务，也可以在此基础上生成可视化的地图、属性数据等，为林业管理决策提供指引。传统模式下，基层单位为确保伐区设计的科学性，保障造林设计的合理性，多会定期、不定期组织开展三类调查工作，林业局等部门为摸清森林资源总量、变化动态等，还会开展一类、二类调查，但实际作业环节受技术装备水平限制，多数情况下只能依靠人力完成清查，工作压力大且精准性难以保障。在精准林业理念下，现代信息采集手段与GIS技术结合，图表文件编制生成速度明显加快，统计难度也显著降低。

2.2.2 数据库管理技术。高精度是精准林业技术极为关键的特征。其要求管理者在先进科技设备支持下，提升抚育、管理、采伐等操作的针对性，最大限度地满足不同种类、龄期苗木的生长需求，为林业增产提质奠定基础。要想达成这一目标，必须以海量的信息分析为依据，同时搭配性能优良、稳定的数据库管理系统，系统内部必须具备海量、异构等特征，要能接纳来自RS、GPS的各种影像、文字数据，且支持GIS实时提取和分析的要求，以便为图形叠加、数据分类等操作提供便利。此外，数据库应具备一定的可扩充性，各数据模块以相对独立的形式存在，需要删减、修改算法时，不会对其他板块产生明显影响。系统内部还应配置网络接口，以满足信息远程传送需求。

根据林业数据库接收数据类型，可以将平台大致划分为以下模块：①空间数据库模块，主要面向空间数据进行采集、分类和存储，能较好地应对GIS信息来源复杂、原始数据不规范等问题，RS相关数据经过预处理后，也可以用专用软件提取并进行矢量化空间分析；②属性数据库模块，可以为新库建立、修改乃至拷贝等提供支撑，同时满足属性查询、统计及报表生成等工作需求。数据库服务平台则开放查询、更新及维护等板块，林业管理者可在人机交互界面的支持下输入相关指令，并执行多种林业数据分析操作等。

2.2.3 可变量控制技术。可变量控制技术（Variable Rate Technology，VRT）能更好地适应林业经营范围广、生产操作烦琐等基本特征，运作时需要在计算机技术的支撑下完成指令收发任务，并根据指令内容对灌溉用水、农药肥料等进行识别和施放，确保各种物料用量、种类最佳。即使面对不同位置节点，其也能较好地完成区分管理工作。近年来，科技体系持续更新，林业生产领域引进了大批自动化机械设备，如植保无人机等，借助VRT技术还能对其作业速率进行管控和调整，参数设定完成后系统可以在指定时间内对指定对象展开管理操作，灌溉、施肥等速率均可远程变更，对症下药、按需供给的特征更加明显，有效规避了因施肥、施药过量造成的土壤板结、污染等问题，保护环境安全的同时能降低能源消耗量。

随着人工智能的发展，以模型训练为基础的自动化识别调控体系愈发完善。操作时，依托GIS生成林区内部的电子地图及林木长势情况分析图等，将之作为蓝本提炼地形、土壤、气候等长势影响因子，与空间对应后输入相关系统，搭建起描述精准、契合度高的虚拟模型，配合专家系统等推算部分区域林木长势差的内在成因，并生成针对性处方图，最终利用可变量控制技术推动处方图落实，调整施肥、喷药等操作细节，实现全过程自动化推算和管控。相关措施落地后，系统还可以远程遥感跟踪树木长势，评估处方有效性并生成跟踪报告，全方位保障决策的科学性和可靠性。

2.3 技术流程

相关人员需要根据实况划分经营小班，并确定小班作业面积及范围，各班组配备相应数量的设备仪器，在GPS、RS等技术的支持下完成信息采集，将所有数据汇集至GIS平台，经过空间处理后生成地图、报表等产品，为林业管理决策提供支持。同时，借助系统的强大分析功能生成针对性的森林处方，再将评估、优化结果及方案反馈回小班班组，为其造林、监测、防火等作业实践提供方向。精准林业技术体系集成化流程思路见图1。

图1 精准林业技术体系集成化流程

2.4 技术难题

精准林业技术的应用可以有效提升管理效能，减少人力、物力资源支出，为绘制林业规划图、林相图等提供便利，为具体的抚育管理操作提供依据。但在实践生产环节，其全面应用还面临诸多阻碍，如部分林区基础设施不完善、设备器械配备不健全等，相应的数据库系统搭建、完善难度较大。同时，我国幅员辽阔、地形地貌多样，山区、丘陵地区地势起伏较大，也给大型作业机械的进入和运行带来了一定困难，部分情况下数据采集和分析受限严重。

3 精准林业技术体系实践分析

笔者引入某林区三类调查实践案例，对精准林业技术体系实施细节展开阐述。

3.1 硬件装备配置

案例林区经营规模较大、调查范围较广，人力调查和测绘难度较大，因此，引入无人机及摄影系统装备。无人机机身装设3个信号天线，配合集成摄影系统进行远程采集，采集数据以6个外方元素为基点进行结算，过程中无须布设地面控制点，并且支持多图像拼接和立体地标折叠。小班经营范围内配备了手持式测速超站仪。该仪器具有科技化、集成化特征，能在定向、定位的基础上，对目标树体的高度、距离进行测量。同时配备轮尺、围尺等构件，支持数十个样地的实施测量和记录。以上硬件装备的配置不仅避免了烦琐的纸质记录方式，而且有助于推进内外业一体化发展。手持式设备体积小且更加轻便，改变了传统模式下设备落后、维修昂贵的局面，即使是单木，也可以进行高精度的观察测量。

此外，林区配备了电动生长锥年轮自动识别设备，操作环节无须人工打入生长锥，减少工作量的同时能提高调查效率。该设备外壳采用铝合金材质，受力更加均匀且整体质量更轻；各部件还支持拆卸分解，能降低现场维修难度。该设备前端构件采集到树芯信息后直接记录、存储，后期凭借自动识别软件即可轻松提取。考虑到火灾在林业经营中危害性较大，因此，配备了精测性摄影全站仪设备，其同样具备高度集成化特点，可以执行全站仪测量功能、数码镜头摄像功能，以及平板计算机结算、分析功能，对周围300 m区域有较好的跟踪监测效果，从而实现小面积火灾精准观测。

3.2 软件平台设计

软件平台是数据处理分析、人机交互操作的关键，其性能是否完善、运算是否精准直接影响精准林业技术落实效果。在案例软件平台中，一是配备了无人机影像处理软件，可以实时接收航拍数据，并在立体视觉理论的支撑下，对影像资料进行特征提取，根据提取结果还可以进行空中三角测量、影像镶嵌匀色等，整个处理结果以大场景形式呈现，能为资源调查、灾害应急等提供帮助。二是设置了地面数据处理平台，平台算法以C#语言为主，遵循Net Framework网络框架，可以地面影像为根据，进行树木胸径、树高等的计算。三是配备了林火防控平台，除基本的防火部门人员构成、设备管理模块外，还可以实现防火数据的测算分析，所有瞭望塔、地面巡护影像实时更新后，可直接传送到手机等移动终端设备，大幅度提高了森林火灾响应速度。火灾发生后，系统还可以在3S技术的帮助下准确定位着火点，帮助救援人员开展指挥、调度决策。四是配备了森林精准经营管理平台。该模块同样以3S技术为核心，可以帮助开展森林区划、小班建库，同时支持目标样木的坐标、胸径等计算，还可以在此基础上进一步挖掘数据价值，生成立木精测模型，推算材积数值等，从而为林地经营管理提供决策辅助。

未来有望依托微信公众号平台等同步林业管理信息，实现远程数据采集、产量预测等功能。

4 结语

精准林业技术是现代科技持续优化的产物，具有鲜明的产出高、投入低、能耗少等优势，可以为区域经济、生态发展提供良好助力。在实践环节，相关部门务必要把握精准林业的本质理念，引入小班精准营业作业法，搭建完善的设施软件支撑平台，借助自动识别系统、无人机影像处理系统等，提升收集信息的精准程度，降低测速、洒药、造林等工作对人力的依赖，推动林业高质量发展。