我国林业地理信息产业发展与创新

赵修莉，冯仲科，常 晨，朱 妍

(北京林业大学 精准林业北京市重点实验室，北京 100083)

0 引 言

地理信息的应用从根本上改变了传统的森林资源信息管理的方式，成为现代林业经营管理的崭新工具随着社会经济的飞速发展，对森林资源的开发、利用和保护需要及时跟上发展的步伐，掌握资源动态变化，做出正确决策就显得尤为重要[1]。因林业自身的森林资源地域辽阔性和再生性，森林生长的长期性和成熟的不确定性等特点，采用传统的管理手段已不能满足林业生产发展。而地理信息系统可以及时、快速准确地获取森林资源的各种数据，为森林资源管理和决策提供优质高效的服务[2]。本文将从林业地理信息特征、产业需求、装备创新3个方面进行阐述。

1 林业地理信息特征

地理信息地理数据所蕴含和表达的地理含义，是与地理环境要素有关的物质的数量、质量、性质、分布特征、联系和规律的数字、文字、图像和图形等的总称。地理信息属于空间信息，是通过数据进行标识的，地理信息系统区别于其他类型信息最显著的标志，是地理信息的定位特征。通过地理坐标x,y,z实现空间中线、面、体位置的识别，空间数据是数字地球的基础信息，数字地球功能的绝大部分将以空间数据为基础，现在空间数据已广泛应用于社会各行业、各部门，如城市规划、林业、交通、航空航天等。

社会经济的快速发展，林业资源信息面对大量的数据、种类繁多、来源广泛、结构复杂和获取成本等特点，采用传统的森林资源信息管理手段已不再适用于现代社会的森林资源经营管理，根据GIS的功能特点，其应用能力能为其提供新型的服务，并成为现代林业资源科学管理的重要工具。可应用GIS对森林生态与地形地势、土壤状态、气象气候等林业信息进行监测及管理。

林业地理信息作为近年来将林业与地理信息结合的新兴产业，其主要特征为：资源分布的空间广域性、森林演替过程的时空性、人类对森林资源利用和经营的机理性、环境对森林资源的数量和质量的依赖性、受损森林恢复再建的周期性、森林结构时空异常复杂性、中国森林生态环境建设的重要性及全球森林生态系统模型的精确性[3]。将解决传统林业调查仪器和调查方法难以满足现代林业数字化和精准化发展的问题[4]。

2 林业地理信息产业需求

森林资源作为地球陆地覆盖面积最大、对人类生存环境和生活质量影响最大的因素，一直是地信工作者重点关注的对象之一。我国林业经历的主要时期是传统林业阶段、林业发展探索阶段及现在面临挑战的阶段。森林生态系统资源的广域性、森林演替的时空性、环境对森林资源的数量和质量的依赖性、受损森林恢复再建的周期性、森林结构时空异常复杂性、中国森林生态环境建设的重要性及全球森林生态系统模型的精确性等这些特性都显示出，传统林业的调查仪器和调查方法难以满足现代林业对森林资源变化及生态环境响应信息的实时精准获取和森林生态环境建设多功能效益的准确评估，我国林业现阶段迫切需要建立数字化、生态化、精准化的林业平台，而地理信息系统可以及时、快速准确地获取森林资源的各种数据，为森林资源管理和决策提供优质高效的服务，这也为林业地理信息系统提供了发展的必要性。现今林业地理信息主要的产业需求主要分为森林观测、造林规划设计与作业、森林经营、林火防控、森林灾害防控这五方面。

2.1 森林观测

森林资源丰富且多种多样，这就需要有不断更新的测量仪器作为森林观测的支持，在森林资源观测中,林业工作者所使用的装备及技术是保证调查能够得以顺利进行的重要手段,是调查数据精确程度的重要保证[5-6]。由于林中地形复杂多变且林分环境阴暗潮湿,森林资源调查面临着许多问题,对测量装备的使用带了新的挑战，因此，将林业与地理信息结合起来研发出便于在林中使用的测量仪器对林业生产实践工作具有现实意义。

冯仲科教授带领国家精准林业创新团队研制出一系列仪器用于森林观测，无人机方面，研制飞鹰固定翼无人机测量系统、飞虎多旋翼无人机测量系统、工蜂多旋翼无人机测量系统、便携式无人机测量系统，主要用于面积测量，地形测量（1:500），地籍测量，森林资源调查，森林火灾监测，单木树高、胸径、冠幅、材积测量，林分平均高、林分密度、蓄积量测量，样地的倾斜摄影；地面摄影测量方面，研制精密CCD超站仪，实现林木无伐倒无损材积精测；研制便携式测树全站仪，实现电子角规、树高、林分、面积测量；研制测树超站仪，实现一、二、三调野外数据采集（树高、胸径、材积、林分参数）和外业数据实时处理；研制远程摄影测量仪，利用长焦CCD摄影系统对目标进行远程拍摄，并结合EDM测距系统测距和MEMS的PAD系统测倾角和方位角，经过摄影测量后处理软件提取相关调查结果，实现远程摄影测量、远程森林调查。

2.2 造林规划设计与作业

造林规划设计是林业生态工程基本建设程序中不可缺少的最重要环节，计算机和信息技术的迅猛发展给林业管理部门提出了越来越高的要求。造林规划设计也直接关系到林业工程的生态、社会、经济三大效益的发挥，为实现造林规划设计管理流程的信息化、网络化、可视化、科学化，必须大量依托于地理信息科学的发展，这是现代林业能迅速发展的重要基石[7]。

目前，我国森林资源存在着总量不足、分布不均、质量不高、林地流失依然严峻、林木过量采伐相当严重等问题，要解决这些问题，就要加强国家森林资源的保护管理，同时，必须要进行大量人工造林来扩大森林资源、改善我国的生态环境，因此必须要实现精准的林业信息化，在地理信息科学与林业科学结合下，研建全球、中国、北京森林经理平台，

基于互联网+RS+GIS+气象气候数据+林政管理数据，构建互联网+全球森林植被基础数据平台，利用大数据智能处理技术进行创新性研究，发掘、发现林木生长知识，实现林地、林种、树种3D规划与设计[8-10]。并建全球基于互联网+的森林生态数据模型，精准计测森林空间环境效应，引领和推动我国智慧林业的建设与发展。实现全球森林资源实施监测、区域森林科学规划，林场级森林资源精准设计、作业、实施、造林、抚育、采伐、择伐精细化经营管理。

2.3 森林经营

现阶段，对森林从认识论到方法论的转变，使得森林经营处在一个新阶段——森林可持续经营阶段。为此，森林经营既要实行整体协调，又要实行分类经营，关键是依靠森林经营管理这种组织手段，研究森林经营的整合机制，实行功能耦合，林业地理信息系统的建立为森林可持续经营管理阶段提供了必要保障。

针对我国森林生长规律和其对经营的响应机理不清等问题，通过多目标决策模型，以林木覆盖率增加、荒地面积、碳吸排平衡、造林经费、立地条件、人居工程、木材及林产品消费等为约束条件，规划求解实现林地、林种、树种最优规划与计算机3D成果，研建森林精准经营管理平台。针对皆伐作业中出材量和出材率计算上的缺陷，利用3D角规测树原理建立森林小班最佳皆伐造材方法，通过3D电子角规对计数木树种、胸径、树高的测定，推算整个小班的树种、径阶分布，进而得到林分总出材量、废材量、出材率、废材率结果。通过研建天然成过熟林小班N-D-d时空模型、56种树种二元材积模型、球状树冠竞争林分成熟模型，构建小班林木Tin-Voronoi模型网，配合微样地监测，定义单木树冠竞争面积所求得的年度每公顷生长量FSCG/hm2×y为精准林业关键变量，依择伐量≤生长量，现场利用测树仪互联网终端，择伐最小FSCG/hm2×y对应大径木，抚育、补植最大FSCG/hm2×y林木，调控密度，使成过熟小班实施择伐作业后每年都多收获与生长量相等的木材，可使得年收益提高5%～15%，这将是今后森林精准经营发展的主要方向。

2.4 林火防控

由于近年来气候变暖，夏秋雨水增多；林区灌草生长茂盛，植被丰富；秋冬季干枯的茅草和其他植被积累较多，可燃性加强，森林防火形势较为严峻。目前，世界上每年发生的火灾约22万次以上，烧毁森林面积640多万 hm2，约占世界覆被率的0.23%以上，是20世纪70年代的两倍。特别是进入90年代，随着天气异常现象(如厄尔尼诺现象)的增加，森林火灾呈直线上升趋势，如1996年蒙古国和我国内蒙古自治区发生的森林火灾，在我国境内的过火面积达50万 hm2。

在信息时代的今天，充分利用无人机(UAV)、地理信息系统(GIS)及网络通讯等高新技术，可以做到在火灾发生前，不断提供火灾发生背景和条件的大量信息，有助于圈定某些火灾可能发生的地区、时段及危险程度，采取必要的防范措施，减轻火灾造成的损失；在火灾发生和发展过程中，不断监测火灾的进程和态势，及时把信息传到防火扑救指挥中心，以便有效地组织救助活动；成灾之后，可以在大范围内实施快速反应，迅速准确地查明受损状况而做出较为准确的评估，为现代化森林防火工作提供重要的技术保证。

2.5 森林灾害防控

森林灾害可分为森林火灾、森林病虫害、森林气象灾害、森林自然灾害。林火防控在2.4节已经讨论过，故在此只讨论另外3种灾害防控。由于森林灾害的不可控性，森林灾害频繁发生。为了避免这种情况，应对灾害提前做出预警，可利用林业地理信息系统，将森林资源可视化，将灾害降到最低。

建立典型生态脆弱区森林植被监测与健康评价；大尺度森林植被动态（如森林破碎化、自然生境岛屿化过程等）的遥感监测技术与方法；森林植被结构、生物多样性、生态系统功能、环境因子与生态关键要素、重要功能群的相互作用机制；以森林植被为主体的区域生态安全评价指标、测度与阈值。开展多尺度森林生长及森林经营措施影响的可视化模拟研究，研发大视景虚拟森林与交互式森林经营仿真模拟技术，构建三维树种库，形成单木-林分-景观多尺度森林生长及经营可视化模拟平台，有效预防森林灾害的发生[11]。

森林管理信息系统和林业地理信息系统产业需求如图1、图2所示。

图1 森林管理信息系统Fig.1 The forest management information system

图2 林业地理信息系统产业需求Fig.2 The demand of forestry geographic information system industry

3 林业地理信息科技创新

3.1 森林观测装备

在森林资源调查过程中，外业调查劳动强度大且效率低下，内业处理数据多且费时费力[12]，对此国家精准林业创新团队发明研制了一系列森林观测装备和系统平台。包括无人机摄影测量林业调查系统，利用飞鹰固定翼无人机测量系统FIM5.UAV-2015A，可实现森林资源调查，森林火灾监测，单木树高、胸径、冠幅、材积测量，林分平均高，林分密度，蓄积量测量。地面森林观测设备包括樊仲谋等利用全站仪结合电子手薄测量树冠面积，结合三维激光扫描仪对单木进行量测及模拟，获得单木的材积[13]；曹忠、冯仲科等研发了3D电子角规，进行林分调查，利用测树经纬仪[14-15]、测树全站仪[16]、测树超站进行单木量测，并对精度进行分析；黄晓东等研制可量测胸径和树高的多功能便携式微型超站仪，实现树高、胸径的自动测量。徐伟恒等研制了手持式数字化多功能电子测树枪，实现了树高测量、林分调查、样地标定等功能；邱梓轩等研制了便携式智能森林测绘计算器，利用PDA、EDM、云台以及安卓系统，具有树高测量、胸径测量、三元材积解算、3D角规样地测量、基本测量等五项功能，实现了内外业一体化[17]。随着便携式测树产品的不断创新，基本解决了上述仪器设备落后且昂贵外业劳动强度大和内业处理费时费力等问题，如图3～图5所示。

图3 无人机测量系统FIM5.UAV-2015AFig.3 UAV measurement system FIM5.UAV-2015A

图4 森林观测设备示意图Fig.4 Schematic of forest telescope intelligent dendrometer

图5 硬件总体框架Fig.5 Framework of hardware

3.2 林火防控管理系统

我国是世界上森林火灾多发国家之一，扎实做好森林防火工作，保护人民生命财产安全、森林资源安全和维护林区社会安定，是林业发展的一项重大任务。国家精准林业创新团队研制出集GNSS导航、卫星遥感与无人机摄影测量、地面CCD摄影与3D激光扫描、GIS、机器人等软硬件技术于一体的智能林火预警防控系统。智能林火预警防控系统使用Visual Studio2010软件平台进行实现，使用C#语言在.Net Framework4.0框架下，结合ArcGIS Engine10.2实现软件编写。该系统基于互联网+UAV+GIS+气象气候数据+林政管理数据，建立全球森林火灾数据库，构建互联网+全球森林火灾基础数据平台，利用大数据智能处理技术进行创新性研究，达到大数据分析预测林火发生，针对初生林火细小林火及时感应报警、快速创建林火蔓延模型、对林火状况进行分析决策并制定相应的扑救方案、自动组织消防无人机进行林火扑灭等，实现了地图数据的漫游、放大、缩小、测量、查询等基本地图功能，同时根据风向、温度、湿度、地形因子数据实现对林火的蔓延预测，及时决策分析进行消防力量分配，最后又可对灾后损失进行评估预测。软件建立了以小班为单位的区域林火模型，实现对地形、气象、土壤、植被、人为社会因素的提取和录入，并使用区域林火预报模型对林火发生概率和蔓延区域进行预测，精准计测森林林火发生规律，集分析决策行动为一体，引领和推动我国智慧林业火灾防控系统的建设与发展，如图6所示。

图6 构架设计及消防无人机Fig.6 Architecture design and fire control of UAV

3.3 森林精准经营体系

在对森林精准经营经过反复研讨之后，国家精准林业创新团队研建了森林精准经营平台，森林精准经营平台使用C#语言在Visual Studio2010平台上进行构建，其中GIS部分基于ArcGIS Engine10.2进行组件式开发，图像识别部分采用OpenCV相关接口，空间数据库采用Geodatabase空间数据模型，软件界面采用DotNetbar来构建美观友好的操作界面。森林精准经营平台实现了森林GIS基础、森林基础经营、森林精准观测统计和森林精准经营设计4个模块，实现的具体业务包含了对应GIS空间数据的管理、空间区划和林相图制图功能，对应单株立木参数的材积表材积计算、树干解析、无损立木精测和年轮识别功能，对应林分参数的3D角规观测、森林五棵树法观测和MINI全站/超站后处理功能以及对应经营决策的小班最佳轮伐期、最大蓄积量和最佳抚育择伐功能。其创新特点在于，平台通过对GIS数据、测树电径/全站、MINI全站/超站等新式森林观测仪器的数据兼容和处理，实现多元的森林经营数据获取及处理分析方法；平台业务从森林GIS数据管理、单株立木参数获取计算、林分参数获取计算到森林经营分析决策，构建了全面系统的森林经营基础业务；平台通过针对每一种新式森林观测仪器装备的功能模块开发和数据通讯，解决了观测仪器自身运算统计能力和可视化表达上的不足，实现硬件调查装备数据处理的自动化、精准化；平台采用C/S软件架构模式和轻量化的数据库结构，资源占用低且无网络依赖，适合外业仪器观测数据实时处理，同时整合森林3S数据的全流程化操作，实现内外业一体化与3S集成。

在我国森林经营基层单位进行择伐过程中，常常会遇到择伐木撘挂、压倒、压伤非择伐木、幼树幼苗的情况，为森林经营砍伐带来了很大不便。而通过森林精准经营平台精准调研计算，智能识别需要进行择伐的林分，精准定位需要择伐的单木，使用大功率工业级无人机携带油锯、牵引绳、保护架等设备对单木进行伐取、运输、堆放等，整体流程自动、快捷、无损且成本低廉，避免了伐木人员进入林分对底层灌木草本的破坏，符合森林经营的基本要求，这将是林业精准经营创新发展的重要方向，如图7所示。

图7 无人机进行单木择伐Fig.7 UAVs single wood selective cutting

3.4 造林决策体系

由于传统造林决策存在一定局限性，国家精准林业创新团队利用无人机倾斜摄影技术，针对森林固定样地的3种不同地形（平地、上坡向地和下坡向地），建立无人机两次摄影点间的基线长B、无人机起始拍摄点距地面的高度H、无人机倾斜摄影角度ω、无人机的相机拍摄视场角β以及森林固定样地的边长ab之间的几何关系，如图8所示，确定无人机森林固定样地观测的摄影倾角和拍摄基线长，以便形成航空摄影立体像对，由此针对不同的森林样地地形条件，分别设计不同地形情况下的最佳飞行摄影方案，通过模型换算获得当地生态结构，并收集小班调查数据，将小班调查数据的空间坐标、面积、地类及海拔、地貌、坡向、坡度、坡位、裸岩率、土壤名称、厚度、质地、母质等立地条件信息输入数据库，根据造林地小班的立地条件类型，发现所有适宜的造林树种，建立基于立地的造林树种决策支持模型。构建数学模型Tr={x：f(x)=st，st∈ST}，st为作业小班的立地类型，它是森林立地类型总集合ST中的一个元素；x为造林树种，f(x)是造林树种对立地类型的映射函数；f(x)=st为运算法则，表当且仅当对应立地类型为st时的造林树种。经实践检验，其造林规划决策快捷方便且成本较低，成功在内蒙古喀喇沁旗旺业甸林场、吉林省延边朝鲜自治州黄泥河林场等地进行了实地造林，效果良好。

在传统造林体系中，造林育苗多使用人工方式进行，其成本高、速度慢、效率低且人工进入造林地过程中可能会对当地生态环境造成不可逆影响，据此无人机飞播造林成为了当今精准林业的首选方式。无人机飞播造林简称飞播造林，飞播造林需结合造林决策体系做好规划设计、树种选择、飞播作业，结合GNSS、GIS进行精准规划、精准造林，利用大型植保无人机配合种苗投弹仓可进行单株幼树幼苗或种子的投放，避免了传统飞播造林落种不均匀，形成的幼林常稀密不均，用种量过大的问题。其优点是精度高、速度快、工效高、成本低、适宜范围广，能应用于交通不便、人烟稀少，其他造林方法难以施行的边远山区、荒野。和小型直升机相比，无人机更加机动灵活、安全方便，不受阴天、雾霾天、降雨等天气影响。而且无人机可空中悬停，远距离遥控操作，确保作业人员安全，如图8所示。

图8 无人机倾斜摄影示意图及飞播造林Fig.8 UAV oblique photography sketch map and aerial seeding aあorestation

4 结束语

地理信息系统技术是一门与多门学科相互交叉的综合性学科，其在林业中的不断应用，不仅为林业管理提供了先进技术以及工具支持，而且为实现数字化、生态化的精准林业提供了巨大帮助。本文从林业地理信息系统的特点、产业需求以及装备创新3个方面展开论述，主要介绍国家精准林业创新团队用于森林观测、造林设计与规划、森林经营、林火防控以及灾害防控等的自主研制的创新装备，包括硬件及软件平台，并深入阐述这些装备发挥的作用。

现代自然科学和计算机技术的发展，正在改变着传统的林业经营管理模式，GIS作为一种崭新的管理工具和高新技术正渗透到林业经营管理的各个领域。它不仅可以解决用传统方法无法解决的许多问题，而且可应用它来探索新的规律。由于林业资源自身的特点，要想更加快速、合理、有效地发展林业领域，就需要GIS技术的支持。在今后的发展中GIS在林业领域上会得到更加广泛的应用推广，并将在数据采集自动化、林业地理信息的智能化、地理信息系统共享与网络化、综合评价与模拟预测等方面拥有更加广阔的发展前景，也为建设林业信息化的一个必然趋势——“数字林业”的建设打下良好的基础，使林业更好地可持续发展。

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