国有林场智能林业发展浅析

关则崧徐放王保华李彬

(1.阳江市国有阳江林场，广东 阳江 527499；2.广东省林业科学研究院，广东 广州 510520)

我国森林面积广大，全国各省区均有不同比例的林地覆盖，2021年底我国的森林面积达到2.2亿hm2，占国土面积的22.9%。我国国有林场承担了我国国土绿化、木材产品供给和生态建设的多重任务，2015年起我国实施了国有林场改革，进一步确立了我国林场维系生态稳定的核心任务。国有林场改革完成后，我国拥有4200余个国有林场，分布在31个省区的1600多个县级行政区内。林业生产环境较为特殊，林地地形也不适于开展机械化作业，因此先进技术手段在林业中的应用比例相对较低，遥感监测等手段在20世纪90年代开始应用于林业资源的调查和评估[1]。在同一时间，欧美国家基于坡度较小的林地，开发出了一大批机械化种植、抚育、采伐和运输设备，显著提升了林业的生产效率[2]。近年来，电子信息技术的爆发式发展，也给智能林业的发展带来了助力，各种林地生产、检测和管理设备小型化、智能化，林业管理人员也配发了各种智能终端用于林业资源调查和巡检等。本文总结了现有“智能林业”相关技术和设备的应用和未来发展趋势，以期为未来国有林场的发展提供参考。

1 种苗繁育与林业生产

长期以来，木材生产一直是我国国有林场的核心任务，目前国有林场的工作重心转为维系生态稳定，但依然需要利用现有林地，更为高效地实现木材蓄积量的提升，保证我国木材安全。以往的林业生产中，育苗、种植、抚育、管护、采伐等工作大多由人力完成，随着近年来人工成本的大幅提升，木材生产的经济收益被人工成本大幅压缩，部分林区的一些树种出现木材售价低于采伐成本的情况，某些林场采伐后直接就地丢弃于林地中改种其他树种，造成了木材的大量浪费。而利用现代化的智能设备辅助林业生产，可以大幅度降低成本。以林下经济发展的重要物种茶树为例，周顺珍等[3]开发了茶树的智能育苗技术，在优良无性系扦插后利用电子设备对环境进行监控，由控制系统通过自动喷淋和遮阳设施实现对温室内的光、温、水、肥的自动调控，极大提升了苗木的生产效率，由于实现了更为合理的管护，苗木成活率提升了25个百分点。日本ISEKI公司研发的用于嫁接的抚育机器人，每小时可嫁接900株左右，成功率超过95%。另外，日本研发了修枝机器人，可在树干上自由移动，利用自带的电锯进行修枝，十分有利于珍贵树种大径级无节材的培育，提升修枝质量的同时降低了修枝成本。美国约翰迪尔公司研制出了新一代伐木联合机，集伐木、打枝、造材等功能于一体，可在陡坡和林地连续运动，计算机程序根据传感器反馈的路况信息控制机器行进的步伐，生产效率高，且减少了对地表生物资源的破坏。而木材生产重要的采伐环节方面，1995年芬兰Plustech公司推出了六足步行式采伐机器人样机，1997年TimberJack公司在此基础上推出了更为完善的采伐机器人[4]，但早期的机器人智能化水平较低，难以适应复杂工作环境，近年来我国的福马机械集团公司与北京林业大学共同开发了采伐机器人，实现了最新智能化设备在林木采伐机械上的应用。

2 森林病虫害与火灾的监测与控制

森林病虫害和森林火灾等灾害一直是威胁森林生态稳定的重要因素之一，二者均有突发性、随机性发生的特点，因此及时发现并监测相关威胁至关重要。目前，随着卫星和互联网技术的发展，森林灾害的监测能力提升迅速，卫星可以提供高分辨率的图片，在轨卫星可以每天多次获取某一特定地点的图像，而部分静止轨道遥感卫星更是实现了特定地区的实时监控。利用软件对高清图像进行比对，可发现叶色明显变化的林地或起火点，进而及时通报林业部门进行处理。长光卫星技术股份有限公司基于现有的高清遥感和资源检测卫星，开发了可以实现单株树木松材线虫病的检测技术，能够根据病树的颜色发生的变化确定感病单株，评判出染病单株后，卫星自动解算出染病单株的地理位置，林业工作者在手持终端上看到病株的位置和病株的卫星图片，即可及时进行无害化处理，防止病害蔓延。而无人机与深度学习相结合也可以实现类似的效果[5]，而相关技术也可在火灾的监测中发挥类似的作用。森林火灾等发生后，现有消防设备也开始了智能化改良，如防火直升机和水上飞机根据智能终端提供的数据向火场中投入灭火弹或直接洒水；目前最先进的机载灭火弹已经引入军用技术，可以搭载引导头，实现灭火弹的卫星精确制导，如我国已经大量生产的双尾蝎A无人机能够携带4枚200kg级的制导灭火弹完成火场扑救任务，且无人机保养简单，可以利用公路完成起降，提升了灭火效率，且制导灭火弹的发射平台也可以扩展至履带车辆、轮式车辆等，避免了人员过于靠近火场造成意外伤亡的情况出现。而火灾发生后，对火灾迹地可燃物和恢复状况的分析也可通过智能设备实现，张齐等[6]利用基于信息熵的多遥感指数集成火烧迹地制图，利用无人机或者卫星的遥感影响快速实现火灾迹地高精度的范围提取和受灾状况的精准评估，并对灾后植被恢复的情况进行评价。相关技术显著提升了林业部门对灾害的预警能力，节约了处置时间，可以显著降低森林灾害造成的经济损失。

3 林业资源调查与评估

20世纪90年代遥感卫星投入使用之前，我国森林调查主要由各级林业调查队完成，主要采用抽样的方法获取森林资源情况，林业调查技术人员工作强度极大，以西藏等地区的林业调查为例，调查人员需自带粮食以马匹代步在原始森林中连续调查2个月以上[7]。而遥感、激光雷达、无人机等设备提供了更加快捷有效的森林资源监测方法，尤其是无人机和激光雷达的联合使用，提供了更为精准的调查林地和单株生长情况的方式。无人机载激光雷达系统不仅可以获取平面坐标信息，还可以获取地物的高程信息，通过不同视角对相关三维坐标信息进行三维显示和量测，并采用数据处理软件获取三维坐标信息中所表达的地物表面积、体积等信息[8]。无人机和激光雷达可以实现林地中的单木分割、树高估测、叶面积指数计算、郁闭度估计和林分密度估测定。这是首次出现的可以实现较为准确的单株生长量调查的智能设备，随着激光雷达技术的改进，单束激光脉冲能量的提升和获取反射数量的增加，该系统可以更为有效地实现地表、地物信息的获取，智能识别技术也可以更加高效地对各单株的生长情况进行评判。范光鹏[9]提出基于激光雷达点云的树木定量结构模型，可以完整地描述出树木地上部分所有木质部的几何模型，除可以准确提取胸径、株高等基本数据外，还可以实现枝干结构的精确重构和生长量提取，该技术未来能够大大降低林业调查的工作量，有利于林业工作者更方便全面地掌握林地的生长情况。陈东鹏[10]开展了林业背包式激光雷达过传感器集成和数据融合研究，实现了激光雷达设备的小型化，确定林业背包式激光雷达多传感器集成系统的安装方式，在原有技术的基础上进行优化，使系统更具灵活性、便携性的特点，拆卸式连接结构使本系统维护维修成本更低。

4 林业综合服务能力

随着林业生产的逐渐集约化，各种环境因子对林业生产影响机制研究的逐渐深入，森林模拟经营系统也为林业生产者提供了更为有效的指导。如，葡萄牙等国家的林业主管部门的网站中已经设有森林经营模拟系统，在输入位置、立地、栽培树种等参数后，会直接给出相应的营林措施，栽培密度、肥料施用量和施用时间、抚育措施、病虫害防治和采伐周期等，极大提升了森林经营的效率，减少了人工和肥料的浪费[11]。目前4G和5G通讯技术的普及使得对林业的监控和感知能力得到了质的提升，在一些交通特别不便的林地中设置监控设备，采用蓄电池或光伏供电，可以实现对林区的实时监控，如林区内的重要道路、古树名木等，最大限度保证林区的安全；此类设备更换红外摄像头等，放置于保护动物经常出现的地区，可以对保护动物进行监测，为后续的行为学分析和种群保护提供技术支持。目前，各林区和保护区已经广泛设置了具有自动提示功能的标识牌，利用光伏设备充电，人靠近时可以自动提示来访者已经进入林区或提醒来访者此处禁止进入，该设备配合监控设备使用，可更好地保证林区和自然保护区的安全。近年来，林业法规政策的逐年完善，林长制的施行，也为林业的发展提供了更好的社会环境，而短视频、自媒体、社交软件等新兴传媒的出现也更有利于相关政策法规的推广和宣传，各级林业部门通过在各类社交媒体上发布最新的林业法规、珍稀濒危动植物信息、林业科学技术等文章或视频，大大提升宣讲效果，各个林区开发的森林游憩资源，也可以通过各平台进行宣传和推送，可以更好地实现森林的康养功能和经济效益。另外，林业部门的政务服务功能也可以通过互联网平台实现，利用电脑或手机端实现部分非关键行政事务的审批，提高林业部门的工作效率。

5 总结

现代林业产业的发展，要求林业产业必须逐渐走向机械化和智能化，从而提升林业全产业链的生产能力。由于林业与第一产业或第二产业中的产业门类相比，林业生产环境复杂，作业环境差异极大，因此在机械化和智能化方面远远落后于其他产业领域。但随着未来对林产品需求的增加以及劳动力成本的大幅提升，林业产业需要在木材生产、木材加工、环境感知、资源调查、保护监控、社会服务等领域内广泛全面地引入智能化设备，可以更好地在提升劳动生产率的同时获取更大的经济效益。未来国有林场的发展中，智能设备会覆盖林业生产和监管的各个环节，智能设备也会持续向小型化、低廉化、操作简单化的方向发展，国有林场也应培养和吸纳相关人才，以适应未来林业技术的发展，提升国有林场维系木材安全和稳定生态的能力，为我国的经济和生态稳定发挥更大的作用。