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基于广义3S技术的森林资源经营管理系统建设

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  一直以来,我国的森林资源经营管理都处于比较粗放的水平。由于森林资源与生态环境具有功能上的多样性、形成周期的长期性、状态的动态性、森林成熟的不确定性、分布的广域性及空间结构性,使人类对森林的作用和功能的认识与研究处于简单、肤浅和初级的阶段和水平。自二十世纪九十年代以来,3S技术开始在林业中广泛应用,但从其物理结构去看,仍是松散的结合。针对以上情况,必须建立以遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS)为主体的广义3S技术森林资源经营管理系统,对森林经营进行自始至终跟踪监测、评价、预测,使林业从过去的单一、粗放的经营管理模式走向系统、精准模式。

  1.林业广义3S技术系统

  1.1技术基础

  3S技术不能狭义地理解为航天遥感、地理信息系统(GIS)和全球定位系统(GPS),而是突出表现在信息获取与信息处理的高速、实时与信息应用的高精度、定量化方面。与一般的3S相比,广义3S的内涵更为广泛。

  广义RS——含航天遥感、航测、无人驾驶轻型飞机数字航测、近影摄影测量等,是森林生态系统中森林、环境、人类影响和活动等时空信息获取的主要途径。

  广义GPS——含DGPS(差分全球定位系统)、GOLONASS(全球导航卫星系统)、GALILEO(伽利略)、北斗系统、电子罗盘、全站仪等,提供全球范围从地面到9000km高空之间任一载体的高精度3维位置、3维速度和时间信息,并且具有良好的抗干扰和保密性能。

  广义GIS——含GIS、ES、DSS等,实现林业信息采集与编辑、数据库管理、空间查询与空间分析决策、制图等功能。

  1.2基于广义3S技术的森林资源经营管理系统

  基于广义3S技术的森林资源经营管理系统,以森林资源与生态环境为研究对象,以森林资源与生态环境为研究内容,以空间技术、信息技术、计算机技术为工具,以非线性稳健估计理论为基础,采用具有多级分辨率的航天遥感、航空摄影、近景摄影、全站仪、GPS、电子罗盘、GIS、ES、DSS等广义3S技术,通过重组、整合、信息集成,实现森林资源与生态环境的调查、监测和经营管理目标,为森林资源管理、森林生态环境监测、林火病虫害防治、造林决策等提供有力的支持技术和系统平台。其系统框架如图1所示:

  


  2.地面精准测树自动化

  测树是森林资源经营管理的重要基础信息采集工作之一,目测法、角规法、手工法为主的森林抽样调查体系在过去、现在和将来的森林资源调查中都有着重要的地位和作用,作为一定的精度条件下的粗放检测,这些方法都是行之有效的。但在森林资源日益减少的今天,对单木和林分实现精准无损伤测量显得尤其重要。

  2.1电子角规自动测树技术

  电子角规是电子经纬仪和PDA的有机结合,它可以充分发挥电子经纬仪精密的测角功能和PDA强大的数据处理和存贮功能,可以实现野外数据的实时采集和处理。

  2.2视频超站仪精准测树技术

  视频超站仪集数码CCD面阵相机、GPS、电子全站仪于一体,能够快速,自动、实时地解算和储存待测目标区域的空间三维坐标。以该设备为核心,配以数字图像三维信息提取和三维目标模型生成软件,能快速、精准地解决森林资源监测中对活立木进行观测,包括胸径、任意树高直径、树高、冠层结构等。

  2.3三维激光扫描系统测树技术

  在不用伐倒立木的情况下,通过三维激光扫描系统扫描立木,获取立木三维空间点阵数据,利用三维激光扫描系统自带的软件处理提取树高、胸径、材积和冠幅等测树因子,并考虑最接近图解法的散点分布趋势的方程作为编表的材积式,建立起二元材积方程式,编制材积表,进而建立材积库。

  3.空间遥感估测定量化

  遥感信息的定量化研究一是通过建立地物的地面实测光谱数据库,研究植被在遥感图像的光谱响应,二是测定不同植被类型以及在不同生态环境下的地面光谱反射值。通过二者的比较,得到其间的关系,从而可以通过遥感图像的光谱数据定量估测森林的一些数量化特征,如蓄积量、生物量等等。

  4.造林决策支持系统

  以信息技术(GIS技术、ES技术和数据库技术)为手段,应用决策科学及造林学相关理论和方法,针对基层林场的造林规划设计工作针对造林规划过程中的决策问题,通过提供相应背景材料、协助明确问题、修改完善模型、列举可能方案、进行分析比较等方式,为管理者做出正确决策提供帮助的人机交互式信息系统。造林决策支持系统由数据库子系统、造林专家系统、模型库子系统和对话子系统等四个部分组成。

  5.森林空间格局配置生态化

  基于广义3S技术的森林资源经营管理系统可以从森林结构,包括森林资源种类、数量、质量、生态、空间分布等;从测树因子包括平均高、平均胸径、蓄积等方面进行有效的空间分析,以近现实的状态将陆地森林的空间格局现状提供给研究者和分析者。森林的空间格局,实质是一种基于连续三角网的三维空间分布,通过对三角网和网点树的分布,通过建立数学模型,研究现有森林空间格局在种类、数量、质量、空间分布等方面是否最优,怎样才能达到最优化,建立最佳的森林空间格局,并从林木的竞争机制出发,模拟林分内每株树木生长过程,合理配置人工林或人工群落物种,为优化和调整森林格局提供决策。

  6.林火防扑天地时空一体化

  6.1火点探测

  火点探测可分为两种方式,基于地面交会与基于RS的林火点的自动定位。前者是利用电子角规和GPS一体机进行火点的快速定位。测量的原理是首先用GPS一体机进行电子角规的定位,然后用电子角规瞄准火缘树木,读取角度。后者是把遥感技术应用于森林火灾和火灾后植被恢复情况的监测,由于地形、植被和气象因素的差异而导致森林火灾中林地火烧强度的不同,因此利用卫星红外遥感技术取得的数据来反映火烧程度的差别,并可得到遥感影像图。

  6.2蔓延模型

  以林火生态学理论为基础,考虑林火在特定时空条件下发生的可能性与蔓延的可能性,并将二者相结合,形成了林火的风险时空模型。将林火的发生地作为一个具有时空异质体来看待,利用GIS的强大的空间分析能力,快速提取出林火发生及蔓延的时空因子,利用林火知识发现系统研究林火发生及林火蔓延与时空因子的关系,得到林火发现和蔓延的相关知识,进行森林火险预报,解决林火何时何地发生的问题,在很大程度上提高林火预测的精度。

  6.3扑火指挥

  一旦发生火警,立即根据报警在地图上自动查询显示火警位置情况,并根据该模型对林火发生的蔓延的可能性进行分析并做出定量的预测,同时叠加防火设施信息,系统迅速通过GIS中的缓冲区模型分析计算,显示出火区周围重要保护目标、人员分布情况、各防火设施至火警点线路等,科学合理地制定各种扑火计划,为领导部门指挥防火扑救进行人员设备调动调配提供技术和方法支持。

  7.结语

  林业信息科学是一门边缘交叉的应用型学科。其以广义3S技术、信息技术为支撑,用来研究林学与林业工程。从微观(单木)到中观(小班)到宏观(林分),解决在静态和动态条件下的林学与林业工程信息采集、通讯、存储、表达、预测、分析、决策和制图问题。基于广义3S技术的森林资源经营管理系统研究已从信息管理阶段发展到知识阶段,从提供简单、肤浅、地表的表象信息发到了具有预测、预警、决策、控制等功能,上升到知识层次,由手段、工具发展到有机理、有技术、有方法的复杂系统科学技术体系。(北京林业大学 冯仲科)


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